4G LTE Long Term Evolution

George Cuculescu 1 IISC

LTE ( Long Term Evolution)


Masterand: Cuculescu George Master: IISC

CuprinsCuprins.................................................................................................................. 2 Introducere .............................................................................................................................. 3 Cerinte pentru UMTS Long Term Evolution............................................................4 Schema de transmisie downlink in LTE..................................................................6 OFDMA................................................................................................................ 6 Structura semnalului de referinta pentru Downlink si cautarea celulelor.........10 Downlink proceduri fizice Layer........................................................................12 Schema de transmisie uplink in LTE ...................................................................13 SC-FDMA........................................................................................................... 13

George Cuculescu 3 IISC Parametrizarea SC-FDMA..................................................................................14 Transmiterea datelor in uplink..........................................................................15 Conceptele LTE MIMO..........................................................................................18 Legatura descendenta (downlink) MIMO ..........................................................18 Modurile de descarcare MIMO.......................................................................18 Multiplexare spatiala.....................................................................................18 Diversitatea Transmisiei ...............................................................................21 Legatura ascendenta (uplink) MIMO.................................................................21 Conceptele MBMS LTE.........................................................................................21 CONCLUZII........................................................................................................... 22 Bibliografie...........................................................................................................23

IntroducereReelele UMTS la nivel mondial sunt in curs de modernizare in HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), pentru a crete rata de date i capacitatea pentru descarcarea datelor. n urmtoarea etap, HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) vor spori performanele de uplink n reelele UMTS. n timp ce HSDPA a fost introdus in versiuna 5 a 3GPP, HSUPA este o caracteristic important a 3GPP versiunea a 6-a. Combinaie de HSDPA i HSUPA este adesea menionat ca HSPA. Cu toate acestea, chiar i cu introducerea HSPA, evolutia tehnologiei UMTS nu s-a terminat. HSPA+ va aduce mbuntiri semnificative n realease-ul 7 al 3GPP. Obiectivul este de a mbunti performana de HSPA pe baza de radio reele n ceea ce privete eficiena spectrului de frecvene radio, rata de vrf de date, laten, i de a exploata ntregul potenial al WCDMA operand pe 5 MHz. Importante caracteristici ale HSPA+ sunt: MIMO


(Multiple Input Multiple Output), modulare de ordin superior pentru uplink si downlink, mbuntiri ale protocoalelor Nivelului 2 i o conexiune continua de pachete. n scopul de a asigura competitivitatea UMTS pentru urmtorii 10 ani i dincolo de aceasta, s-a inceput cercetarea conceptelor pentru UMTS Long Term Evolution (LTE). Obiectivul este unul pentru viteze mari de descarcari de date, latenta mica si pachete optimizate pentru tehnologiile de radio-acces. Prin urmare, un element de studiu a fost lansat n 3GPP release-ul 7 pe E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) i E-UTRAN (Evolved UMTS terestre Radio Access Network). LTE / EUTRA vor face parte din specificatiile de baza ale versiunea 8 a 3GPP. n studiului LTE-ului, 3GPP de lucru s-a concentrat asupra definirii cerinelor, de exemplu obiectivului ratei de date, capacitate, eficientizarea spectrului i laten. De asemenea, aspectele comerciale privitoare la costurile de instalare i de operare de reea au fost luate n considerare. Pe baza acestor cerine, au fost studiate concepte tehnice pentru sistemele de transport aerian de interfa i protocoale. n special, LTE foloseste noi sisteme de acces multiplu pe aer - interfata: OFDMA (ortogonale Frequency Division Multiple Access) pentru downlink i SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Acces) pentru uplink. n plus, schemele sistemelor de antene pentru MIMO reprezinta o component eseniala in LTE. ntr-o ncercare de a simplifica arhitectura protocolului, LTE aduce unele schimbri majore la conceptele existente protocolul UMTS. Impactul asupra arhitecturii reelei globale dar si reeaua de baz sunt investigate n contextul 3GPP System Architecture Evolution (SAE).

Cerinte pentru UMTS Long Term EvolutionLTE se concentreaza pe suportul optim pentru serviciile de rutare de pachete (PS). Cerintele principale ale design-ului unui sistem LTE sunt amintite mai jos:

Rata de transfer: Scopul este atingerea unui maxim de 100 Mbps (downlink) si 50 Mbps (uplink) pentru o latime de banda de 20 MHz, presupunand 2 antene receptoare si una emitatoare la un terminal. Capacitatea: S-a stabilit ca obiectivul mediei capacitatii de download per MHz sa fie de cel putin 3-4 ori mai mare decat cel din versiunea 6, iar pentru upload de 2-3 ori mai mare.


Eficienta Spectrala: Target-ul pentru downlink este de 3-4 ori mai bun si pentru uplink de 2-3 ori mai bun decat versiunea 6. Laten: timp de tranzit ntr-o direcie ntre un pachet fiind disponibil in nivelul de IP, fie n terminal,fie in reeaua de radio-acces i disponibilitatea acestui pachet, la nivelul IP n reeaua de radio-acces /terminal trebuie s fie mai putin de 5 ms. De asemenea, latenta se va reduce,pentru a permite perioade de tranziie scurte de mai puin de 100 ms de la starea de repaos la starea activ. Latimea de banda: Vor fi suportate lrgimi de band scalabile la 5, 10, 15, 20 MHz. De asemenea, latimi de band mai mici de 5 MHz trebuie s fie susinute pentru mai mult flexibilitate. Interoperabilitatea: Trebuie asigurata interoperabilitatea cu sistemele existente UTRAN / GERAN i cu sistemele non-3GPP. Terminale hibride vor sprijini trecerea de la si la UTRAN / GERAN. ntreruperea pentru timpul de transfer ntre E-UTRAN i UTRAN / GERAN trebuie s fie mai mic de 300 ms pentru servicii n timp real i mai mica de 500 ms pentru servicii care nu sunt n timp real. Servicii de tip Multimedia Broadcast Multicast (MBMS): MBMS va fi imbunatatit i va fi redenumit E-MBMS. ( Enhanced MBMS) Costuri: Migraia de la o versiunea 6 a interfetei de radio UTRA si a arhitecturii trebuie sa aiba costuri reduse. Complexitatea sistemului si a terminalelor trebuie sa fie rezonabile, odata cu costul si consumul de energie. Toate interfeele specificate vor fi compatibile, pentru a se realiza interoperabilitatea echipamentor multi-vendor. Mobilitate: Sistemul ar trebui s fie optimizat pentru miscari la viteze mici (0-15 km / h), dar si viteze mai mari trebuie s fie susinute, inclusiv cea a unui tren de mare vitez. Alocarea spectrului: Trebuie sa fie posibila functionarea n pereche (Frequency Division Duplex / Modul FDD) i nepereche spectrului de frecvene (Time Division Duplex / TDD mode). Co-existena: Co-existena n aceeai zon geografic i colocare cu GERAN / UTRAN trebuie asigurat. De asemenea trebuie asigurata co-existena ntre operatorii din benzile adiacente, precum i coexistena intre cele 2 limite. Calitatea serviciilor: Se va asigura calitatea serviciilor de la un capat la altul. VoIP ar trebui s fie suportata cu o eficienta cel puin la fel de bun ca si serviciul de voce comutare de circuite in UMTS (CS). Sincronizarea retelei: Sincronizarea timpilor diferitelor retele nu va reprezenta un obiectiv important.


Schema de transmisie downlink in LTEOFDMASistemul de transmisie downlink pentru E-UTRA, modurile FDD i TDD este bazat pe OFDM. ntr-un sistem OFDM, spectrul de frecvene disponibile este mprit n mai multi transportori, numiti sub-transportori, care sunt ortogonali reciproc. Fiecare dintre aceste subtransportatori sunt independent modulati de un fluxului de date cu rata scazuta. OFDM este utilizat n WLAN, WiMAX, precum i in tehnologiile DVB. OFDM are mai multe avantaje: robustetea mpotriva fading-ului multicale si arhitectura eficienta a receptorului. Figura 1 reprezinta un semnal OFDM. Avem un semnal cu latime de banda cu 5 MHz, dar principiul este acelai pentru alte limi de band in E-UTRA. Datele sunt simboluri independent modulate i transmise ntr-un numr mare de sub-transportori ortogonali strans grupati. n E-UTRA, schemele de modulare a sensului downlink sunt: QPSK, 16QAM, 64QAM. n domeniul timp, un interval de gard poate fi adugat la fiecare simbol pentru combaterea interferentei simbolurilor OFDM din cauza intarzierilor ce pot surveni pe canal. n E-UTRA, interval de garda este un prefix ciclic care se introduce nainte de fiecare simbol OFDM.

Figura 1. Reprezentarea in Frecventa-Timp a unui semnal OFDM

n practic, semnalul OFDM poate fi generat prin procesarea semnalului digital utiliznd IFFT (Transformata Fourier rapida inversa). O astfel de tranformata fourier in N


puncte este ilustrata n figura 2, n cazul unde a(mN + n) se refer la al n-lea sub-canal modulat cu simboluri de date, n perioada mTu< t M este apoi efectuat ca i n OFDM, urmat de adugarea prefixului ciclic i paralel o conversie de serie.


Figura 8. Diagrama bloc a DFT-s-OFDM (transmisie localizata)

Prelucrarea DFT este, prin urmare, diferena fundamental dintre generarea semnalelor SC-FDMA i OFDMA. Acest lucru este indicat prin termenul DFT spreadOFDM. ntr-un semnal SC-FDMA, fiecare sub-purtator folosit in transmisie conine informaii despre toate simbolurile de modulare transmise, deoarece fluxul de date de intrare a fost rspndit de ctre transformarea DFT peste sub-purtatorii disponibili. n contrast cu aceasta, fiecare sub-purtator de semnal OFDMA contine numai informaii referitoare la simbolurile de modulati specifice.

Parametrizarea SC-FDMAStructura uplink E-UTRA este similara cu cea de downlink. Un cadru radio de uplink const n 20 de sloturi de 0,5 ms fiecare, i un subframe este format din 2 sloturi. Structura slotului este prezentat n figura 9. Fiecare slot poarta NULsymb simboluri SC-FDMA, NULsymb = 7 pentru prefix cyclic normal si NULsymb =6 pentru prefixul cyclic extins. Simbolul SC-FDMA cu numarul 3 (al patrulea symbol dintr-un slot) poarta semnalul de referin pentru canalul de demodulare.


Figura 9. Structura slotului de uplink

De asemenea pentru uplink a fost selectata o latime de banda pentru nivelul 1. Tabelul 2 prezint parametrii de configurare ntr-un tabel de ansamblu.

Tabelul 2 Parametrii pentru uplink in structura generica a cadrului

Transmiterea datelor in uplinkn uplink, datele sunt alocate n multipli de un bloc de resurse. Marimea blocului de resurse n domeniul frecven este de 12 sub-purtatori, adic aceeai ca i n downlink. Cu toate acestea pentru a simplifica proiectarea DTF in procesarea semnalelor in uplink nu toti multiplii ntregi sunt permisi. Numai factorii 2,3 i 5 sunt permisi.Intervalul de timp pentru transmisia in uplink este de 1 ms (la fel ca in downlink). Datele utilizatorilor sunt transmise pe canalul fizic comun pentru uplink (PUSCH Physical Uplink Shared Channel) care este determinat de banda de transmisie NTX si saltul de frecven K0. Canalul PUCCH poarta informatiile de control in uplink de exemplu, rapoarte CQI i informatiile ACK /NACK referitoare la pachetele de date primite in downlink. PUCCH este transmis pe o frecventa rezervata n uplink.


Structura semnalului de referinta in uplinkSemnalele de referin sunt utilizate pentru dou scopuri diferite: pe de o parte parte, acestea sunt utilizate pentru estimarea canalului n receptorul eNodeB n vederea demodularii canalelor de control i date. Pe de alt parte, semnalele de referin ofera calitatea informatiei ca baza in planificareadeciziilor in statia de baza. Scopul acesta din urm este, de asemenea numit sondarea canalului. Semnalele uplink de referin se bazeaz pe secvente CAZAC (Constant Amplitude Zero Auto-Corrlation).

Proceduri pentru nivelul fizic in uplinkPentru E-UTRA, urmtoarel proceduri la nivelul fizic sunt n mod special importante:

Accses aleator nesincronizat: Accesul aleator poate fi folosit pentru o cerere de acces iniial, ca parte de handover, atunci cnd tranziteaz din starea idle in conectate, sau pentru a restabili sincronizarea in uplink. Structura este prezentat n figura10.

Figura 10. Principiul structurii cu acces aleator


Multiple canale de acces aleatoriu pot fi definite n domeniul frecven prin perioada de acces TRA n scopul de a oferi un numar suficient de oportuniti de acces aleator. Pentru accesul aleator, un preambul este definit dup cum se arat n figura 11. Secvena de preambul ocup TPRE = 0,8 ms i prefix ciclic ocup TCP = 0,1 ms, n cadrulunui subframe de 1 ms. n timpul perioadei TGT nimic nu este transmis. Limea de band a preambulului este de 1.08 MHz (72 sub-purtatori). Nivelul superior controleaza n care subframe de transmisie este permis preambulul i localizarea n domeniul de frecven. Pe celule, exist 64 preambuluri de acces aleatoar. Ele sunt generate de secvente Zadoff-Chu.

Figura 11. Preambulul pentru acces aleator Procedura de acces aleator foloseste bucla deschisa de control al puterii cu ramp de putere similare cu WCDMA. Dupa trimiterea preambulului pe un canal selectat cu acces aleator, UE ateapt mesajul de raspuns aleator. Daca nici un raspuns nu este detectat un alt canal cu acces aleator este selectat i un preambul este trimis din nou.

Programarea in uplink Programarea de resurse in uplink se face prin eNodeB. ENodeB atribuie o anumite resurse de timp / frecvena la UE i informeaz UE despre formatele de transmitere de utilizat. Programarea deciziile ce afecteaz uplink sunt comunicate UE prin intermediul PDCCH n downlink. Deciziile de planificare se pot baza pe parametrii QoS, statutul bufferului UE, msurtori de calitate a canalului in uplink, capacitile UE, lacunele UE de msurare, etc.

Link-ul de adaptare in uplink: Ca metode de adaptare in uplink pot fi utilizate: transmiterea controlata a puterii, modulare adaptiva i canal cu rata de codificare, precum i band de transmisie adaptiva. Controlul timpului in uplink: Controlul timpului in uplink este necesar pentru a alinia transmisiile de la UE diferite


cu fereastra receptorul eNodeB. EnodeB trimite comenzile corespunztoare la UE prin downlink, le comanda s i adapteze transmisia respectiva.

ARQ hibrid:

Protocolul ARQ hibrid este deja cunoscut de la HSUPA. eNodeB are capacitatea de a solicita retransmisia pachetelor de date primite incorect.

Conceptele LTE MIMOSistemul Intrari si Iesiri Multiple (Multiple Input Multiple Output - MIMO) reprezinta o parte esenial a LTE pentru a realiza cerinele ambiioase pentru transfer i eficienta spectral. MIMO se refer la utilizarea de antene multiple la emitor i receptor laterale.

Legatura descendenta (downlink) MIMOPentru legtura descendent LTE, o configuraie 2x2 pentru MIMO se presupune pentru configuraia de baz, adic 2 antene transmite de la staia de baz i 2 antene la partea terminalului. Configuraiile cu 4 antene sunt de asemenea, fiind luate n considerare.Modurile de descarcare MIMO

Diferite moduri MIMO sunt avute n vedere. Aceasta trebuie s fie difereniate ntre multiplexare spatiala i diversitatea transmiterii, depinzand de conditia canalului decide ce schema va fi selectataMultiplexare spatiala

Multiplexarea spaial permite transmiterea a diferite fluxuri de date simultan pe acelai bloc de resurse downlink . Aceste fluxuri de date pot aparine unui singur utilizator (MIMO singur utilizator / SU-MIMO) sau unor diferii utilizatori (multi utilizatori MIMO / M-MIMO). n timp ce SU-MIMO crete rat de transfer pentru un singur utilizator, MUMIMO permite de a spori capacitatea total. Multiplexarea spaial este posibil numai n


cazul n care postul de radio mobil o permite.Figura 12 prezint principiul de multiplexare spaial, exploatnd spaiale dimensiune a postului de radio, care permite transmiterea a diferite fluxuri de date simultan.

Figura 12 multiplexare spaial

n figura 12, fiecare antena transmite un flux de date diferit. Fiecare anten poate primi fluxuri de date de la toate antenele de transmite. Canalul (cu o ntrziere specific) poate fi astfel descris de urmtoarea matrice H:

n aceast descriere general, NT este numrul de antene care transmit, Nr este numr de antene care primesc, rezultnd o matrice 2x2 pentru scenariu de baza LTE. Coeficienii hij ai acestei matrici se numesc coeficieni de canal de la antena de transmisie j la antena de receptie I, descriind astfel toate caile posibile ntre emitor i receptor. Numrul de fluxuri de date care pot fi transmise n paralel peste MIMO canal este dat de min{Nt, Nr} i este limitat de gradul matricii H. Calitatea transmisiei se degradeaz n mod semnificativ n cazul n care valorile singulare ale matricei H nu sunt suficient de puternice. Aceasta se poate ntmpla n cazul n care antenele 2 nu sunt suficient


de-corelate, de exemplu, ntr-un mediu cu mprtiere puina sau cnd antenele sunt prea apropiate. n LTE, pn la 2 cuvinte de cod pot fi mapate pe diferite asa-numite straturi. Numrul de straturi de transmitere este egal cu rangul de matrice H. Exist o cartografiere fixa intre cuvintele de cod si straturi. Precodarea in partea emitatorului este utilizat pentru a sprijini multiplexarea spaial, lucru ce se poate vedea in Figura 13. Acesta se realizeaz prin aplicarea unei matrice de precodare W semnalului inainte de transmitere.

Figura 13 Principiul Precodarii

Matricea de precodare optim W este selectata dintr-un "codebook" predefinit care este cunoscut de eNodeB i de UE. Este utilizata precodarea unitara, adic o matricea de precodate este unitara: WHW = I. Terminalul estimeaza canalul radio i selecteaz matricea de precodate optima. Matricea de precodare optima este cea care confera capacitatea maxima. Terminalul ofer feedback-ul pe canalul de control n ceea ce privete legatura uplink selectand astfel matricea de precodare optima (vector de precodare ca un caz special). Ideal, aceast informaie este pusa la dispoziie pe categorii de resurse sau, cel puin un grup de blocuri de resurse, deoarece matricea de precodarea optima variaz ntre blocuri de resurse. Figura 14 ofer o imagine de ansamblu a semnalului legaturii descendente EUTRA, inclusiv paii relevanti pentru o transmisie MIMO.


Figura 14 Generarea unui semnal de baza pentru legatura descendentaDiversitatea Transmisiei

n loc de creterea ratei de date sau de capacitate, MIMO poate fi folosit pentru a exploata diversitatea. Diverse scheme de transmitere a sunt deja cunoscute de la WCDMA versiunea 99 i vor fi implementate in LTE ca modul MIMO. n cazul n care condiiile de canal nu permit multiplexare spaial, o diversa schema de transmitere va fi folosita n loc, astfel nct comutarea ntre aceste dou moduri MIMO sa fie posibila, n funcie de condiiile de canal. Transmiteri diverse sunt utile n cazul n care numrul selectat de fluxuri (rang) este unul.

Legatura ascendenta (uplink) MIMOSchemele legaturii ascendente (uplink) pentru MIMO in LTE vor diferi de la sistemele legaturii descendente MIMO, aici inandu-se cont de complexitatea problemelor ce pot aparea in terminale. Pentru uplink, UM-MIMO pot fi utilizate. Mai multe terminale utilizator pot transmite simultan pe aceeasi resurs bloc. Aceasta se numeste tot domeniu spaiale acces la domenii spatiale multiple (SDMA). Schema are nevoie doar de o antena de transmisie la partea UE, care este un mare avantaj. Terminalele care vor partaja aceeasi resurs bloc trebuie s-si aplice reciproc ortogonale modele pilot. Pentru a exploata n beneficiul a dou sau mai multe antene de transmisie, dar nc sa pstreaze un terminal low-cost, se pot folosi antene-subset de selectie. La nceput, aceasta tehnica va fi utilizata, iar terminalul va avea dou antene de transmisie, dar numai un lant de transmisie i amplificator RF. Un comutator va alege apoi ce anten ofer cel mai bun canal catre eNodeB.

Conceptele MBMS LTESuportul pentru Serviciile Multicast de Multimedia Broadcast (MBMS) este o cerin esenial pentru LTE. Aa-numitele E-MBMS vor fi prin urmare o parte integrant a LTE. n LTE, transmisiile MBMS pot fi efectuate catre celule singulare catre mai multe celule. n cazul transmisiilor multi-celulare, celulele si coninutul sunt sincronizate pentru a permite pentru terminalul de a combina consumul de energie de la transmisiile multiple.


Semnalul suprapus arat ca unul multipath in punctul terminalului. Acest concept este de asemenea cunoscut ca Retea cu o Singur Frecven (SFN). E-UTRAN poate configura care celulele sunt parte dintr-o SFN pentru transmiterea unui serviciu MBMS. Traficul MBMS poate partaja acelai operator de transport cu trafic unicast sau s fie trimis la un operator de transport separat. Pentru traficul MBMS, un prefix extins ciclic va fi furnizat. n cazul subcadrelor ce transport date MBMS SFN, vor fi folosite semnale de referin specifice. Datele MBMS se desfoar pe canalul de trafic MBMS (MTCH) ca un canal logic.

CONCLUZIIn aceast lucrare, am descris structura sistemului i obiectivele de performan din noua generaie de tehnologie de acces la reea dezvoltata de 3GPP. Am discutat, de asemenea, felul n care mobilitatea este tratat n noul sistem. Obiectivele LTE avute in vedere au fost: viteza de transfer transfer i latena mult imbunatatie, accentul pe simplitate, flexibilitatea spectrului de frecvene radio la care s-au adaugat capacitatea marita i un cost mai mic pe bit. LTE este destinat s furnizeze o experienta bogata utilizatorului, livrarea de noi generatoare de venituri serviciilor de telefonie mobil i va rmne un concurent puternic altor tehnologii wireless n urmtorii zece ani pentru ambele pieele emergente dezvoltate in acest sens.


Bibliografie1. http://www.pdf-datasheet.com/LTE_WP_0703_RandS-pdf.html 2. http://www.motorola.com/staticfiles/Business/Solutions/Industry

%20Solutions/Service%20Providers/Wireless%20Operators/LTE/_Document/Static %20Files/6834_MotDoc_New.pdf 3. http://4506818691271833574-a-1802744773732722657-ssites.googlegroups.com/site/hgmyung/3gppLTE.pdf? attachauth=ANoY7crp3_KyTK76gn9g08PGXjq9KzQVl1hkXvvzZfuS7gD7i8vDTSl WQhgrO7EKjWmqv99kKPkZzsdaLwFZRrbjNuT85QSxQANqsMV_YYBlelV0ftZi w0q9WS1u6ayotoUFIOe5tK5tg5O2vCH7RsLt2Abu1AIE7X4dvWcfrMIl4UroskaKH Ow8m3fJt2smICTweyKe3NBw&attredirects=0

Documents

4G LTE Long Term Evolution