LTE i wszystko gra!

Instruktor: Jakub Bluszcz+48 607 221 954

e-mail: jakub.bluszcz@leliwa.com

Leliwa Sp. z o.o.www.leliwa.com

LTE i wszystko gra!Tematy:

1. Ewolucja systemów komórkowych2. Zwiększenie przepustowości:

• zmiana przepływności symbolowej• wielodostęp• szerokość kanału i filtry• MIMO

3. Architektura4. Krótkie struktury danych5. Aktualizacja lokalizacji6. Automatyczna konfiguracja i optymalizacja

Ewolucja systemów komórkowych

20102009200820072006200520042003200220012000199919981997199619951994199319921991

GSM → GPRS → EDGE → evolved EDGE

UMTS → HSDPA → HSUPA → evolved HSPA

LTE/EPS…

9.6k

1.9M2.0M

42M173M

326M

Rodzina systemów 3GPP

GSM

UMTS

LTE

Zmiana przepływności symbolowej

GSM / GPRS / EDGEGSM jest jak pianista, który gra allegro (tj. ruchliwie, wesoło*).

*przepustowość symbolowa modulacji 270 ksps

UMTS / HSDPA / HSUPA

UMTS jest jak pianista, który gra prestissimo (tj. w bardzo szybkim tempie*).

*przepustowość symbolowa modulacji 3,84 Msps (14 razy szybciej od GSMu)

LTE

LTE jest jak pianista, który gra largo (tj. szeroko*).

*przepustowość symbolowa modulacji 15 ksps (18 razy wolniej od GSMu)

WniosekDotychczas zwiększenie przepustowości bitowej realizowano głównie poprzez zwiększenie przepływności symbolowej modulacji.

W LTE zwiększenie przepustowości bitowej realizuje się innymi metodami.

Jaka jest zaleta zmniejszenia przepływności symbolowej modulacji?

Propagacja wielodrogowa

Propagacja wielodrogowa

Interferencje międzysymbolowe

Interferencje międzysymboloweW systemie o wysokiej przepustowości symbolowej nawet drobne względne opóźnienia (różnice długości) ścieżek propagacji wielodrogowej powodują wielo-symbolowe przesunięcia pomiędzy ścieżkami, co utrudnia poprawną detekcję sygnału.

Interferencje międzysymbolowe

Aby przeciwdziałać zjawisku interferencji międzysymbolowej stosuje się odbiornik grabiowy.

Odbiornik grabiowy wymaga znacznych ilości szybkiej pamięci, nakładu obliczeniowego i wydatku energetycznego.

Odbiornik grabiowy

Stopień skomplikowania odbiornika grabiowego rośnie wraz ze wzrostem przepustowości symbolowej.

1,

ndlS

Demod. Correl.

DPDCHC

0,256C

finger #1

finger #2

finger #n

Interferencje międzysymboloweW systemie o bardzo niskiej przepływności symbolowej (np. LTE) nawet znaczne różnice długości ścieżek propagacji wielodrogowej powodują jedynie drobne względne przesunięcia symboli wywołujące interferencje na granicach między kolejnymi symbolami, podczas gdy pozostała część symbolu pozostaje niezakłócona.

Interferencje międzysymbolowe

Odbiornik LTE pomija początkowy fragment symbolu, a dalszej analizie poddaje jedynie część symbolu wolną od interferencji.

Wielodostęp

1G FDMA (np. NMT) (dostęp wielokrotny z podziałem częstotliwościowym)

czas

częstotliwośćf1 f2 f3 f4 f5 f6 f7

1G FDMAFDMA jest jak pianino gdzie na każdej z oktaw gra inny pianista.

2G TDMA (np. GSM) (dostęp wielokrotny z podziałem czasowym)

czas

częstotliwość

szczelina czasowa 1

szczelina czasowa 2

szczelina czasowa 3

szczelina czasowa 4

2G TDMATDMA jest jak pianino do którego kolejno podchodzą cyklicznie kolejni pianiści aby zagrać po kilka taktów

3G CDMA (np. UMTS) (dostęp wielokrotny z podziałem kodowym)

częstotliwość

czas

kod

kod 1

kod 2

kod 3

kod 4

3G CDMACDMA jest jak orkiestra, gdzie każdy muzyk może korzystać z pełnej skali swojego instrumentu, ale aby sobie nawzajem nie przeszkadzać muzycy grają pod batutą jednego dyrygenta.

System o pojedynczej nośnejNMT (1G), GSM (2G), UMTS (3G) są systemami z modulacją pojedynczej nośnej.

W analogii muzycznej oznacza to, że pianista gra tylko jednym palcem i nie jest w stanie wydobyć z instrumentu więcej niż jednego dźwięku jednocześnie (tj. gra melodycznie).

4G OFDMA (np. LTE) (dostęp wielokrotny z ortogonalnym podziałem częstotliwościowym)

czas

częstotliwość

f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7

System o wielu nośnychLTE i OFDMA jest rozwiązaniem wykorzystującym wiele nośnych (max. 1200 w R8/R9).

W analogii muzycznej oznacza to, że pianista gra wszystkimi palcami i jest w stanie wydobyć z instrumentu więcej niż jeden dźwięk jednocześnie (tj. gra harmonicznie).

System o jednej i wielu nośnych

Wniosek:Pomimo, że dźwięk trwa dłużej, liczba odegranych dźwięków może być wciąż duża, jeśli dźwięki odgrywane są jednocześnie.

OFDMAW LTE maksymalna liczba podnośnych, a zarazem podkanałów częstotliwościowych to 1200.

W analogii muzycznej, pianino zastępuje się instrumentem o znacznie większej skali i o znacznie większej liczbie klawiszy (np. organami).

OFDMA

Skale instrumentu można podzielić na grupy oktaw, a te przypisać różnym organistom.

Szerokość kanału i filtry

Transformata Fouriera

dxexfsF xsj 2

dsesFxf xsj 2

Transformata Fouriera

t

t

t F

F

F

f

f

f

Transformata Fouriera

ton 4 kHz nadawany w sposób ciągły

ton 4 kHz nadawany cyklicznie z:• czasem trwania 0.001s,• czasem przerwy 0.001s

Człowiek słyszy „transformatę Fouriera” sygnału akustycznego (komórki rzęskowate w kolejnych odcinkach ślimaka są wyczulone na kolejne zakresy częstotliwości).

Dla człowieka są to dwa różne dźwięki, a więc ich transformaty Fouriera są różne.

Transformata Fouriera

t

F

f

Filtrowanie

f

f

Filtrowanie

zakres pasma niezbędny do poprawnej detekcji sygnału w

klasycznym odbiorniku

Filtrowanie, FDMA i OFDMA

f

FDMA

f

OFDMA

F

Szerokość kanału

t F

t

f

f

szerokość kanału

szerokość kanału

Szerokość (pod)kanału

5 MHz3840 kspsUMTS

15 kHz15 kspsLTE

200 kHz270 kspsGSM

Szerokość kanałuPrzepustowość symbolowaSystem

Transformata Fouriera

t

F

f

66.6 μs (1/15 kHz)

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

OFDMA

f

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

15 kHz

MIMO

MIMO (LTE, HSPA+)

L P

MIMO jest jak dźwięk stereofoniczny…

MIMO (2x2)

Tx Rx

MIMO 2x2 w szczególnie sprzyjających warunkach umożliwia uzyskanie prawie dwukrotnego wzrostu przepustowości

Efektywność MIMO

Jeśli ścieżki propagacji MIMO są od siebie całkowicie niezależne efektywność MIMO jest bliska maksymalnej (tj. dochodzi do zwielokrotnienia przepustowości równego liczbie anten).

Efektywność MIMO

Jeśli ścieżki propagacji MIMO są od siebie zależne efektywność MIMO jest niewielka (tj. praktycznie nie dochodzi do wzrostu przepustowości).

LTE przepustowości

Szczytowa przepustowość

86.4 Mbps326.4 Mbps4x4 MIMO/64QAM

57.6 Mbps172.8 Mbps2x2 MIMO/16QAM

Kierunek w góręKierunek w dółKonfiguracja

Architektura

Architektura UMTS PS (krok 1 – architektura R99)

NB

RNC SGSN GGSN IP

Architektura UMTS PS (krok 2 – architektura R7 - opcja)

NB

SGSN GGSNRNC IP

Architektura EPS/LTE

eNB

S-GW P-GW IP

MME

Architektura GERAN/UTRAN R99

NB/BTS

RNC/BSC SGSN

raporty

rozkazy

analizy i decyzje

stosunkowo długi czas dostosowania do zmieniających się warunków środowiska radiowego

Architektura UTRAN (HSPA) R6

NB/BTS

RNC/BSC SGSN

analizy i decyzje (R99)

skrócony czas dostosowania do zmieniających się warunków środowiska radiowego dla usług HSPA

analizy i decyzje (HSPA)

Architektura E-UTRAN (LTE)

eNB

S-GW

skrócony czas dostosowania do zmieniających się warunków środowiska radiowego

analizy i decyzje

MME

Krótkie struktury danych

Długości struktur danych UMTS R99: 10/20/40/80 ms

UMTS (HSDPA): 2 ms

LTE: 1ms

TTI

Nadmiarowość kodu (zabezpieczenie)

Długa struktura danych (krok 1)

Długa struktura danych (krok 2)

Długa struktura danych (krok 3)

można było przesłać więcej

Krótkie struktury danych

Opóźnienie pakietyzacji

Opóźnienie pakietyzacji

Opóźnienia:

UE eNode B1 ms 1.5 ms 1 ms

1 ms 1 ms1.5 ms

TTI + wyrównanie czasowe

HARQ RTT 5 ms*

* Dla porównania: HSDPA HARQ RTT 12ms, HSUPA HARQ RTT 40ms (min 16ms)

Aktualizacja lokalizacji

www.leliwa.comGSM/UMTS - rejestracja w sieci

obszar #1

obszar #2

obszar #3

Rejestracja - obszar #1SGSN

Potwierdzenie

obszar #1

www.leliwa.comGSM/UMTS - aktualizacja lokalizacji

obszar #1

obszar #2

obszar #3

SGSN

obszar #1

Aktualizacja - obszar #2

obszar #2

Potwierdzenie

www.leliwa.com

obszar #2

GSM/UMTS - wywołanie

obszar #1

obszar #2

obszar #3

SGSNRNCWywołanie

www.leliwa.comGSM/UMTS - wywołanie

obszar #2

obszar #1

obszar #2

obszar #3

SGSNOdp. na wywołanie

www.leliwa.comGSM/UMTS – aktualizacja i transfer

SGSN

www.leliwa.comGSM/UMTS – aktualizacja i transfer

SGSNAktualizacja Potwierdzenie

Przerwa w transmisji danych – kilka do kilkunastu sekund

www.leliwa.comLTE – rejestracja 1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

MMERejestracja – obszar #21

obszar 21 i

dodatkowo obszary: 14, 15, 16, 20, 22, 26,

27, 28

Potwierdzenie – lista obszarów

S-GW

www.leliwa.comLTE – aktualizacja i transfer1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

MME

obszar 21 i

dodatkowo obszary: 14, 15, 16, 20, 22, 26,

27, 28

S-GW

www.leliwa.comLTE – aktualizacja i transfer1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

MME

obszar 21 i

dodatkowo obszary: 14, 15, 16, 20, 22, 26,

27, 28

S-GW

www.leliwa.comLTE – aktualizacja i transfer1 2 3 4 5 6

7 8 9 10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24

25 26 27 28 29 30

31 32 33 34 35 36

MME

obszar 21 i

dodatkowo obszary: 14, 15, 16, 20, 22, 26,

27, 28

S-GW

Przeniesienie połączeniaRaport

obszar 22 i

dodatkowo obszary: 15, 16, 17, 21, 23, 27,

28, 29

Zmiana listy obszarów

Samo-konfiguracja i optymalizacjaKażda komórka systemu jest konfigurowana kilkoma tysiącami parametrów, których wartości wybierane są ręczne i podlegają ciągłej optymalizacji.

W przyszłych sieciach LTE, większość parametrów będzie mogła być ustawiona automatycznie, łącznie z tak kluczowymi parametrami jak: moc, przydział częstotliwości czy kierunki anten.

Dziękuję za uwagę