Механизм диспетчеризации и адаптация канала связи

В отличие от предыдущих коммуникационных технологий, использовавших пакетную передачу данных с традиционной структурой пакета, в LTE применяется передача по слотам, в которых нет ни традиционной преамбулы, ни символов контроля четности. Для повышения эффективности использования выделенной базовой станции полосы частот в LTE используется диспетчеризация сетевых ресурсов.

Под диспетчеризацией понимается процесс распределения сетевых ресурсов между пользователями, передающими данные. В технологии LTE предусмотрена динамическая диспетчеризация в восходящем и нисходящем каналах.

Целью диспетчеризации является сбалансированность качества связи и общей производительности системы. В радио интерфейсе LTE реализована функция диспетчеризации в зависимости от состояния канала связи. Она обеспечивает передачу данных на повышенных скоростях (за счет использования модуляции более высокого порядка, уменьшения степени кодировки каналов, передачи дополнительных потоков данных и меньшего числа повторных передач), задействуя для этого временные и частотные ресурсы с относительно хорошими условиями связи. Таким образом, для передачи любого конкретного объема информации требуется меньше времени. Частотно-временная сетка OFDM помогает выбирать ресурсы в частотной и временной областях.

Для трафика сервисов, пересылающих пакеты с небольшой полезной нагрузкой и через одинаковые промежутки времени, объем трафика сигнализации, необходимой для динамической диспетчеризации, может превышать объем переданной пользователем информации. Поэтому в LTE также имеется функция статической диспетчеризации (в дополнение к динамической). Под статической диспетчеризацией понимается выделение пользователю радиочастотного ресурса для передачи определенного числа подкадров.

Механизмы адаптации канала нужны для того, чтобы «выжать все возможное» из канала с изменяющимся качеством связи. Такой механизм «выбирает» схемы модуляции и канального кодирования в соответствии с условиями связи. От его работы зависят скорость передачи данных и вероятность возникновения ошибок в канале.

Регулирование мощности в восходящем канале

Речь идет об управлении уровнем излучаемой терминалами мощности для того, чтобы увеличить емкость сети, расширить зону радио покрытия, повысить качество связи и снизить энергопотребление. Для достижения перечисленных целей механизмы регулирования мощности, как правило, добиваются максимального увеличения уровня полезного принимаемого сигнала при одновременном снижении уровня радиопомех.

Сигналы в восходящем канале LTE являются ортогональными, а значит, взаимные радиопомехи между пользователями одной соты отсутствуют —по крайней мере, при идеальных условиях радиосвязи. Уровень помех, создаваемый пользователям соседних сот, зависит от местоположения излучающего мобильного терминала, а точнее, от уровня затухания его сигнала на пути к этим сотам. Вообще говоря, чем ближе терминал к соседней соте, тем выше уровень создаваемых им помех в ней. Соответственно терминалы, находящиеся на более далеком расстоянии от соседней соты, могут передавать сигналы большей мощности, чем терминалы, расположенные рядом с ней.

Ортогональность сигналов в восходящем канале LTE позволяет мультиплексировать сигналы терминальных устройств разной мощности в этом канале в одной и той же соте. Это означает, что вместо компенсации всплесков уровня сигнала, возникающих вследствие многолучевого распространения радиоволн (путем снижения излучаемой мощности), их (всплески) можно использовать для увеличения скорости передачи данных посредством механизмов диспетчеризации и адаптации канала связи.

Повторная передача данных

Практически в любой системе связи время от времени возникают ошибки при пересылке данных – например, из-за шумов, помех и замирания сигнала. Для защиты от ошибок применяются методы повторной передачи искаженных или утраченных частей данных, предназначенные для гарантии качества связи. Чем эффективнее организован протокол повторной передачи, тем рациональнее используются радио ресурсы. Для максимально полного использования высокоскоростного радио интерфейса в технологии LTE реализована динамическая эффективная двухуровневая система повторной передачи, реализующая протокол Hybrid ARQ (Automatic Repeat Query), или HARQ, с небольшими накладными расходами на обратную связь и повторную посылку данных, который дополнен высоконадежным протоколом селективного повтора ARQ.

Протокол HARQ предоставляет приемному устройству избыточную информацию, дающую ему возможность исправлять определенную часть ошибок. Повторные передачи по протоколу HARQ создают дополнительную информационную избыточность, нужную в том случае, если для устранения ошибок первой передачи оказалось недостаточно. Повторная передача пакетов, не исправленных протоколом HARQ, осуществляется посредством протокола ARQ.

Данное решение обеспечивает малую задержку передачи пакетов с небольшими накладными расходами, при этом надежность связи гарантируется. Большинство ошибок обнаруживаются и исправляются с помощью протокола HARQ. Поэтому повторная передача данных по протоколу ARQ (что связано с большими накладными расходами и повышает время задержки передачи пакетов) происходит лишь изредка.

В технологии LTE оконечным узлом, поддерживающим протоколы HARQ и ARQ, является базовая станция, обеспечивающая тесную связь уровней протоколов HARQ и ARQ. К разнообразным преимуществам такой архитектуры относятся быстрое устранение ошибок, оставшихся после работы HARQ, и регулируемый объем данных, передаваемых с использованием протокола ARQ.

Канальный ресурс и его характеристики

На физическом уровне (на радио интерфейсе) в E-UTRAN используют технологию OFDM с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом число поднесущих частот в рабочей полосе 20 МГц составляет 1200.

Для взаимной синхронизации E-UTRAN и UTRAN используют тактирование с длительностью временной единицы T_s = 1/(15000×2048)c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр (подкадр) – всего 10 субкадров, от 0 до 9 (рис. 6). Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). На рис. 7. показаны структуры кадров с FDD и TDD.

Рис. 6 Структура кадра типа 1

Рис. 7. Структура кадра при частотном и временном дуплексе

При частотном дуплексе в каждом субкадре идет одновременная передача вверх (UL) и вниз (DL) в разных частотных полосах. При временном дуплексе в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U). Кроме того, есть специальные (переходные) субкадры (S), состоящие из трех полей: DwPTS – поля передачи вниз, UpPTS – поля передачи вверх и защитного интервала (GP). В сетях LTE согласно спецификациям возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (рис. 8).

Рис. 8. Конфигурации кадра при временном дуплексе

Так как число символов в поле вниз DwPTS специального субкадра гораздо больше количества символов в поле вверх UpPTS, то при оценке относительного времени передачи DL:UL на рис. 8 специальные субкадры относим к субкадрам передачи вниз.

В сетях LTE с временным дуплексом суммарная пропускная способность в рабочей полосе делится между потоками вниз и вверх в соответствии со сценариями на рис. 8. Это позволяет оператору менять конфигурацию кадра в зависимости от реальной картины трафика, который, как правило, асимметричен. Для сетей LTE с временным дуплексом выделены полосы частот в диапазоне от 1900 до 3800 МГц [1, гл. 3.2], что предполагает использование этого варианта дуплекса в микро, пико и фемтосотах.

При расстоянии между поднесущими ∆F = 15 кГц длина OFDM-символа составляет 1/∆F ≈ 66,7 мкс. В каждой половине субкадра (слоте длиной 0,5мс) передают 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от длительности циклического префикса СР (cyclic prefix) ‒ активной паузы между символами. Длительность циклического префикса T_CP составляет 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс перед остальными символами. Возможен вариант использования расширенного СР длительностью 512Тs ≈16,7мкс. В этом случае в одном субкадре размещают 6-OFDM символов.