Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 24 марта
 
 


Это интересно!

Ранее

Адресация и профили ZigBee

В статье описан принцип адресации ZigBee. Рассмотрены типы узлов и объектов, определенные стандартом, а также профили работы устройств.

Стандарты беспроводной связи диапазона ISM

Беспроводная связь становится все более востребованной в мире, и наиболее доступным и открытым диапазоном частот для любой системы радиосвязи является диапазон ISM, который не требует лицензирования. В статье рассмотрены факторы, влияющие на выбор рабочего диапазона частот, и классификация беспроводных устройств, работающих в диапазоне ISM. Кратко рассмотрены особенности и области применения наиболее распространенных стандартов беспроводной связи диапазона ISM (Bluetooth, Wi-Fi, 802.15.4 и Zigbee).

Беспроводные технологии и их применение в промышленности: сосуществование разных радиосистем

Данный цикл статей, посвященный применению беспроводных технологий в промышленности, представлен членами ISA и IEC. Во второй статье цикла выработан общий подход по решению проблем, связанных с сосуществованием радиосистем, расположенных и одновременно функционирующих на производственных площадях предприятия, даны общие рекомендации по частотному планированию, а также изложено текущее состояние дел по разработке проекта международного стандарта IEC 62657.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

2 ноября

Физический уровень LTE

В статье описаны основные особенности и параметры физического уровня LTE в частотной области. Рассмотрены технологии сетей LTE.



К физическому уровню LTE предъявляются самые высокие требования: скорость передачи 100 Мбит/с в нисходящем канале и 50 Мбит/с в восходящем, эффективное использование спектра, несколько частотных каналов на полосе 1,25…20 МГц. Для выполнения этих требований была выбрана технология мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Кроме того, в сетях LTE используется «принцип много входов — много выходов» (MIMO), который позволяет увеличить емкость канала (пространственное мультиплексирование) и повысить надежность сигнала.

Вместе эти две технологии отличают LTE от сетей 3G, основанных на множественном доступе с кодовым разделением (CDMA). Поскольку все аспекты физического уровня LTE охватить в одной статье нельзя, мы будем рассматривать принцип работы в частотной области (FDD).

Методы множественного доступа

В нисходящем канале применяется принцип мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Он заключается в том, что весь доступный частотный диапазон делится на несколько тысяч поднесущих, по которым данные передаются параллельно. Ортогональность частот обеспечивает отсутствие межсимвольной интерференции. За счет разделения канала на узкие полосы передаваемый сигнал затухает плавно, что позволяет отказаться от использования сложных частотных корректоров. Системы связи, основанные на OFDM, должны быть строго линейными, чтобы не нарушалась ортогональность передаваемых сигналов.

Каждому передатчику выделяются определенные полосы спектра так, чтобы снизить уровень шумов и избежать возникновения интерференционных помех. Исходный поток последовательных данных преобразуется в параллельный, причем скорость передачи в каждом канале уменьшается пропорционально количеству каналов. В итоге скорость передачи всего потока не меняется, однако увеличивается время передачи каждого бита, за счет чего уменьшается вероятность появления ошибки и искажений.

Информационные символы модулируются и комбинируются в передатчике блоком обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ). В приемнике производится восстановление потока данных (прямое БПФ).

Обычно в канале присутствует временная дисперсия — части передаваемого сигнала принимаются с различными задержками из-за многолучевости распространения и отражений. В итоге ортогональность частично теряется, появляется интерференция как между битами внутри символа, так и между символами. Для предотвращения перекрытия в начало OFDM-символа вставляется циклический префикс Tg, содержащий конечные биты предыдущего символа. При этом общая длина символа равна Ts = Tu + Tg, где Tu — «полезная» длина OFDM-символа.

Достоинства технологии OFDM:

1. Нечувствительность к многолучевости распространения сигнала и слабая интерференция в канале.

2. Отсутствие интерференции между ячейками сети.

3. Гибкое использование частотного спектра.

4. Эффективное использования спектра за счет ортогональности поднесущих.

5. Оптимальная скорость передачи данных для всех абонентов ячейки (для передачи выбирается наиболее подходящая поднесущая со слабым замиранием).

Несмотря на бесспорные достоинства OFDM-технологии, у нее имеется ряд недостатков. Во-первых, большая чувствительность к нестабильности частоты, которая может возникнуть из-за неидеальности схемы или эффекта Доплера, если устройство подвижно. Во-вторых, высокое отношение пиковой мощности к средней, обусловленное непоследовательным добавлением поднесущих, которое расширяет спектр сигнала и, соответственно, вызывает интерференцию в канале. Эта проблема решается применением УМ с высокой точкой компрессии и методов линеаризации АЧХ-усилителя. Однако эти меры применимы только на базовых станциях, поскольку для абонентского оборудования они неоправданно дороги.

В восходящем канале используется множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей (Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA) с циклическим префиксом, чтобы снизить отношение пиковой мощности к средней. Низкие значения PARP, кроме того, улучшают покрытие и производительность ячейки.

Технология SC-OFDMA реализуется в LTE с помощью дискретного преобразования Фурье (DFTS-OFDM — Discrete Fourier Transform Spread OFDM), которое часто называют обобщением SC-FDMA в частотной области. Дискретное преобразование Фурье используется для мультиплексирования восходящих передач в отдельные частотные блоки, на которые разбивается полоса пропускания. Занимаемая одной несущей полоса определяется на основе требуемой скорости передачи. Данные остаются последовательными и не распараллеливаются, как это происходит в нисходящем канале (см. рис. 1). В итоге параметры соединения становятся одинаковыми в обоих направлениях. Однако в восходящем канале наблюдается довольно сильная межсимвольная интерференция, которая легко корректируется эквалайзером. Сигнал SC-FDMA лишен недостатков OFDM.

Рис. 1. Технологии OFDMA и SC-FDMA

Параметры физического уровня

Во временной области все промежутки времени выражаются через базовый интервал Ts = 1/30720000. Длительность пакета равна 10 мс (Tframe = 307200 Ts). Каждый пакет разделен на 10 одинаковых субкадров длительностью 1 мс (Tsubframe = 30720 Ts). В свою очередь, субкадр состоит из двух слотов по 0,5 мс (Tslot = 15360 Ts), содержащих 7 или 6 символов OFDM в зависимости от типа циклического префикса (нормальный или расширенный).

Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров — для частотного (FDD) и временного дуплексирования (TDD). В частотной области определено два типа кадров, один из которых представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Структура радиокадра типа 1

Полезная длительность OFDM-символа равна Tu = 2048 Ts ≈ 66,7 мкс. В нормальном режиме первый символ имеет циклический префикс имеется длительность TCP = 160 Ts ≈ 5,2 мкс, оставшиеся шесть — длительность TCP = 144 Ts ≈ 4,7 мкс. В расширенном режиме циклический префикс TCP-e = = 512 Ts ≈ 16,7 мкс. Циклический префикс длиннее, чем типичная задержка распространения в канале.

Нормальный циклический префикс используется в городских ячейках и приложениях с высокой скоростью передачи данных. Он уменьшает емкость канала на 7,5%. Расширенный префикс предназначен для специальных случаев, таких как широковещательная передача на много ячеек или для больших ячеек, например, в сельскохозяйственных районах. Один из способов уменьшить относительную перегрузку, создаваемую префиксами, — это уменьшить расстояние между поднесущими f, увеличив длительность символа Tu. Однако при этом повысится чувствительность OFDM-сигнала к нестабильности частоты.

Количество поднесущих N лежит в диапазоне 128—2048 в зависимости от ширины канала. На практике чаще всего используется 512 или 1024 поднесущих для 5 и 10 МГц, соответственно. Расстояние между поднесущими
∆f = 1/Tu = 15 кГц. Частота выборки fs = ∆f∙N = 15000N. Базовый интервал соответствует частоте 30,72 МГц, кратной стандартной в WCDMA-системах частоте обработки 3,84 МГц. Это сделано намеренно с целью создания устройств, работающих в стандартах 3G и LTE с общим тактированием. В таблице 1 приводятся основные параметры физического уровня для LTE в режиме FDD.

Таблица 1. Параметры нисходящего физического уровня LTE

Ширина канала, МГц

1,25

2,5

5

10

15

20

Длительность кадра, мс

10

Длительность субкадра, мс

1

Расстояние между поднесущими, кГц

15

Частота выборки, МГц

1,92

3,84

7,68

15,36

23,04

30,72

Размер БПФ

128

256

512

1024

1536

2048

Количество поднесущих (в т. ч. постоянный сигнал)

76

151

301

601

901

1201

Защитные поднесущие

52

105

211

423

635

847

Количество ресурсных блоков

6

12

25

50

75

100

Ширина канала, МГц

1,140

2,265

4,515

9,015

13,515

18,015

Эффективность использования полосы, %

77,1

90

OFDM символы/субкадр

7/6 (короткий/длинный префикс)

Длина короткого префикса, мкс

5,2 (первый символ)/4,69 (остальные шесть)

Длина длинного префикса, мкс

16,67

Всем абонентским устройствам в каждом слоте назначается диапазон канальных ресурсов — ресурсная сетка. Ячейка ресурсной сетки, ресурсный элемент (РЭ) соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM-символу во временной. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок — минимальную информационную единицу в канале. Ресурсный блок занимает 12 поднесущих (180 кГц) и 7 или 6 OFDM-символов в зависимости от типа циклического префикса (см. рис. 3).

Рис. 3. Ресурсная сетка (нормальный префикс)

Передача в восходящем направлении аналогична передаче в нисходящем. Самой маленькой единицей ресурсной сетки является РЭ, состоящий из одного SC-FDMA блока данных. Ресурсный блок содержит 12 РЭ. В режиме FDD абонентскому устройству назначается несколько последовательных РБ в восходящем канале. В нисходящем канале применяется непоследовательное назначение.

Во временной области восходящий пакет длительностью 10 мс делится на 10 субкадров по 1 мс каждый и на 20 слотов. Слот состоит из 7 или 6 SC-FDMA-символов в случае нормального и расширенного префикса, соответственно. Длительности циклических префиксов в восходящем канале такие же, как и в нисходящем.

Опорные сигналы при нисходящей передаче

В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый РБ добавляются опорные и синхронизирующие сигналы. Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи.

При нисходящей передаче опорные символы вставляются в первый и третий с конца OFDM-символ в каждом слоте на частотах, расположенных на расстоянии 6 поднесущих (что соответствует 5-му и 4-му OFDM-символам в случае нормального и расширенного префикса), как показано на рисунке 4. На каждый РБ приходится по 4 опорных символа.

Рис. 4. Расположение опорных символов

Опорные сигналы в восходящем канале

В восходящем канале определено два типа опорных сигналов: демодулированные (Demodulation Reference Signals, DM-RS) и зондовые (Sounding Reference Signal, SRS). Демодулированные опорные сигналы аналогичны опорным сигналам нисходящего канала. В общем информационном канале последовательность демодулированного опорного сигнала передается в четвертом или третьем SC-FDMA-символе каждого слота в зависимости от типа циклического префикса.

Зондовые сигналы служат для оценки качества канала. SRS представляет собой опорный сигнал с более широкой полосой, обычно передающийся в последнем SC-FDMA символе субкадра, как показано на рисунке 5. В этом блоке не передаются данные пользователя, поэтому емкость восходящего канала на 7% меньше. Сигнал SRS необязателен.

Рис. 5. Передача опорных сигналов

Синхронизующие последовательности

Абонентское устройство при подключении к сети проходит процедуру поиска ячейки, состоящую из нескольких стадий синхронизации, на которых определяются параметры времени и частоты, необходимые для демодуляции нисходящих сигналов и трансляции с правильной временной меткой, а также основные системные параметры.

В процессе синхронизации абонентское устройство последовательно детектирует два широковещательных сигнала: первичную (Primary Synchronization Sequence, PSS) и вторичную синхронизирующую последовательность (Secondary Synchronization Sequence, SSS). Они содержат информацию о значении времени и частоты и позволяют получить общие параметры системы, такие как идентификатор ячейки, длина циклического префикса и режим доступа (FDD или TDD). На этой стадии может производиться декодирование сигнала PBCH для получения важной информации о системе (см. ниже).

Синхросигналы передаются дважды в течение одного радиокадра. Данные PSS располагаются в последнем OFDM-символе первого и 11-го слота кадра. Это позволяет абонентскому устройству определять границы слота независимо от типа циклического префикса. Сигнал PSS одинаков для всех ячеек сети.

Данные SSS располагаются в радиокадре перед полем PSS. Абонентское устройство распознает длину циклического префикса по позиции SSS.

В частотной области PSS и SSS занимают 6 центральных ресурсных блоков независимо от полосы канала. При таком подходе синхронизация может производиться даже в том случае, если абонентское устройство не получило информацию о диапазоне используемых частот. Синхронизующая последовательность передается в радиокадре типа 1 в последнем OFDM-символе слотов 0 и 10 (субкадры 0 и 5) и занимает 62 поднесущих, распределенных по ресурсной сетке симметрично относительно ее центральной частоты.

Нисходящие физические каналы

Стандартом LTE определен ряд нисходящих физических каналов для передачи информационных блоков, полученных от уровней MAC и выше. Эти каналы делятся на транспортные и каналы управления.

Транспортные каналы

1. Широковещательный канал (Physical Broadcast Channel, PBCH). Служит для широковещательной рассылки ограниченного набора параметров, необходимых для первичного доступа к ячейке (полоса нисходящего канала, структура канала PHICH и 8 старших битов системного номера кадра). Эти параметры составляют главный информационный блок (Master Information Block, MIB) длиной 14 бит. Широковещательный канал доступен на всей зоне покрытия, включая границы.

Для детектирования сигнала PBCH абонентским устройством не требуется знать полосу пропускания. Данные MIB закодированы на очень низкой скорости и занимают 72 центральные поднесущие (6 РБ). Канал PBCH занимает 4 субкадра по 10 мс (см. рис. 6).

Рис. 6. Канал PBCH

2. Общий канал (PDSCH — Physical Downlink Shared Channel). Предназначен для передачи данных пользователю.

Для предотвращения появления ошибок применяется прямая коррекция ошибок. Сигналы данных разделены в пространстве в соответствии с типом приемных антенн и модулированы QPSK, 16 QAM или 64 QAM.

Канал PDSCH может использоваться для широковещательной трансляции данных, не передаваемых по широковещательным каналам PBCH. К ним относятся, например, системные информационные блоки (System Information Blocks, SIB) и сообщения системы персонального вызова.

3. Канал групповой передачи (Physical Multicast Channel, PMCH). В этом канале определяется структура физического уровня для служб Multimedia Broadcast и Multicast (MBMS). В первую редакцию стандарта LTE они не вошли. Сигнал PMCH предназначен для сетей с одной частотой.

Каналы управления

Каналы управления занимают первые 1, 2 или 3 символа OFDM (см. рис. 7).

Рис. 7. Каналы управления

1. Канал управления (Physical Downlink Control Channel, PDCCH). Используется для передачи таблиц назначения канальных ресурсов абонентским устройствам. В одном субкадре может содержаться несколько PDCCH. Сигнал модулируется QPSK.

2. Канал формата управления (Physical Control Format Indicator Channel, PCFICH). Данный канал содержится в каждом субкадре в виде управляющего индикатора (Control Frame Indicator, CFI) и передает номера OFDM-символов, которые используются для трансляции сообщений канала управления PDCCH. Индикатор CFI содержит 32 бита и располагается в 16 РЭ первого OFDM-символа нисходящего кадра. Сигнал модулирован QPSK.

3. Канал гибридной процедуры повторного запроса (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel, PHICH). Предназначен для подтверждения доставки данных в восходящем канале (HARQ ACK/NAK). Для достоверности передача повторяется трижды. Сигнал модулирован BPSK.

Восходящие физические каналы

На физическом уровне в восходящем направлении определено три типа каналов: общий (Physical Uplink Shared Channel, PUSCH), управления (Physical Uplink Control Channel, PUCCH) и произвольного доступа (Physical Random Access Channel, PRACH).

Общий канал используется для передачи данных пользователя. Сигнал модулируется квадратурной модуляцией QPSK и 16 QAM (64QAM — опционально). Изначально соседние символы данных соответствуют во временной области соседним SC-FDMA-символам. Затем они разделяются по поднесущим и модулируются OFDM. После перемежения биты скремблируются, модулируются и проходят через блок дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Применяются те же типы модуляции, что и в общем нисходящем канале.

В частотной области передача осуществляется с помощью ресурсных блоков 180 кГц, которые соответствуют используемым поднесущим. Для разнесения занимаемых частот и ослабления интерференции применяется перестройка частоты внутри второго слота.

По общему каналу передается вся управляющая информация для декодирования данных — это индикаторы транспортного формата и параметры MIMO. Служебные данные мультиплексируются с информационными до выполнения ДПФ.

Канал управления предназначен для передачи индикатора качества канала (CQI), сообщения о подтверждении доставки (ACK/NACK), запроса на получение расписания доступных ресурсов, а также осуществления обратной связи (передача индикаторов ранга и матрицы предварительного кодирования). Канал управления передается независимо от трафика данных. В частотной области передача идет на границе полосы (см. рис. 8). Для передачи управляющего канала используется один ресурсный блок в каждом из слотов одного субкадра.

Рис. 8. Восходящий канал управления

Канал произвольного доступа применяется для запроса начальной инициализации в сети, при переходе из режима ожидания в активный и т.д. Абонентской станции назначается интервал в ресурсной сетке (номер физического ресурсного блока и номер субкадра), в течение которого она передает специальный пакет — преамбулу произвольного доступа. Всего определено 64 различных преамбулы на одну ячейку. Канал занимает 72 поднесущие (6 РБ, 1,08 МГц), как показано на рисунке 9.

Рис. 9. Передача преамбулы произвольного доступа

Заключение

На физическом уровне LTE применяются различные технологии для обеспечения высокой скорости передачи данных и эффективного использования спектра. Приемы OFDMA и MIMO позволяют достигать в нисходящем канале скорость передачи 100 Мбит/с, а технология SC-FDMA помогает уменьшить отношение пиковой мощности к средней и позволяет упростить схему абонентских терминалов. Различные методы модуляции и кодирования позволяют увеличить пропускную способность и емкость сети.

Структура физического уровня LTE обеспечивает малые задержки и качественную работу на границах зоны покрытия, а также специальные возможности, такие как динамическое назначение полосы частот, опорные сигналы и управляющие каналы.

Литература

1. Rayal F. An overview of the LTE physical layer.

2. В. Вишневский и др. Технология сотовой связи LTE — почти 4G.

3. Е. Самкова. Увеличение ресурсов сети. Электронные компоненты. №5. 2008.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Фрэнк Райал (Frank Rayal), инженер, Telesystem Innovations



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты