Od LTE do LTE-Advanced
| TechnikaLTE-Advanced to kolejna wersja standardu LTE. Ma ona spełnić wymagania stawiane przez ITU (International Telecommunication Union) standardom łączności bezprzewodowej 4G. W artykule przedstawiamy wybrane rozwiązania wprowadzone w LTE i w LTE-Advanced, dzięki którym cel ten ma zostać osiągnięty. Prace nad standardem LTE rozpoczęły się ponad dekadę temu, a jego pierwsza kompletna wersja powstała w 2008 roku. Jego autorzy postawili sobie za cel m.in.: ograniczenie kosztów operacyjnych ponoszonych przez operatorów sieci, co pozwoliłoby na obniżenie opłat za korzystanie z sieci, poprawę jakości usług i efektywniejsze wykorzystanie zasobów częstotliwości, nowych i tych, których używano dotychczas.
To, co udało się uzyskać, to m.in.: zwiększenie prędkości transmisji do 300 Mb/s w łączu w dół (downlink) i 75 Mb/s w łączu w górę (uplink), większą efektywność widmową, zwłaszcza w tym pierwszym, pełną integrację metod dostępu FDD (Frequency Division Duplex) oraz TDD (Time Division Duplex) i mniejsze koszty oraz stopień złożoności sieci, dzięki wdrożeniu architektury EPC (Evolved Packet Core).
Można to było osiągnąć dzięki m.in.: zastosowaniu metod OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) w łączu w dół oraz SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) w łączu w górę, różnym szerokościom kanału radiowego w przedziale od 1,25 do 20 MHz oraz zapewnieniu podstawowego wsparcia dla realizacji transmisji wieloantenowej MIMO (Multiple Input Multiple Output).
Zalety modulacji OFDM
Szerokopasmowa modulacja wielotonowa OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) jest znana od lat 60. ubiegłego wieku. Interesowano się nią też w trakcie prac nad siecią GSM. Jej wdrożenie opóźniało się jednak ze względu na ograniczone wówczas możliwości obliczeniowe wymagane do realizacji szybkiej transformaty Fouriera.
Z czasem problem ten udało się rozwiązać, dzięki czemu modulację OFDM zaczęto wykorzystywać powszechnie, m.in. w telewizji cyfrowej, radiofonii cyfrowej i transmisji danych, przewodowej i bezprzewodowej. Jest ona popularna, gdyż pozwala uzyskać dużą szybkość transmisji przy jednoczesnym ograniczeniu zniekształceń sygnału, które spowodowane są zjawiskiem wielodrogowości, czyli tzw. interferencji międzysymbolowych (intersymbol interferences, ISI).
Istotą OFDM jest podział strumienia danych o dużej przepływności na kilka wolniejszych strumieni przesyłanych dalej równocześnie z wykorzystaniem wielu nośnych. W efekcie czas trwania jednego symbolu wydłuża się. Dzięki temu sygnały odbite w wyniku zjawiska wielodrogowości docierające do odbiornika z opóźnieniem w mniejszym stopniu wpływają na jakość sygnału.
ISI zapobiega się także, wprowadzając odstęp pomiędzy kolejnymi symbolami, tzw. cykliczny prefiks (cyclic prefix, CP). Jest to skopiowana "końcówka" symbolu wstawiona na jego początek. Dzięki temu, jeżeli opóźnienie między sygnałem oryginalnym i odbitym nie przekroczy długości CP, w odbiorniku można przesłaną informację bez problemu odtworzyć. Standardowe CP, które pozwala uniknąć zniekształceń na skutek opóźnień przy różnicy dróg przebytych przez sygnały docierające do odbiornika równej 1,4 km, to 4,69 µs (przy CP równym 33,33 µs nawet do 10 km).
Wady modulacji OFDM
Do wad OFDM zalicza się m.in. dużą wrażliwość na błędy częstotliwości nośnych wywołane na przykład przesunięciem częstotliwości na skutek zjawiska Dopplera oraz dużą wartość stosunku mocy szczytowej do średniej mocy transmitowanego sygnału (peak-average power ratio, PAPR). Ten ostatni ma wpływ na sprawność energetyczną wzmacniacza mocy - im współczynnik PAPR jest większy, tym jest ona mniejsza.
Maksymalna sprawność jest bowiem uzyskiwana wtedy, gdy wzmacniacz pracuje w zakresie nasycenia swojej charakterystyki. Niska wartość współczynnika PAPR umożliwia pracę wzmacniacza właśnie na tym odcinku. Przy większych wartościach tego parametru punkt pracy wzmacniacza przesuwa się na liniowy fragment charakterystyki, dzięki czemu unika się zniekształceń sygnału. To jednak skutkuje obniżeniem sprawności. W stacjach bazowych ma to mniejsze znaczenie, jednak w terminalach mobilnych jest niekorzystne. Z tego powodu w LTE w łączu w górę zdecydowano się na wykorzystanie techniki SC-FDMA.
Różnice między SC-FDMA, a OFDMA
Jest to zmodyfikowana wersja OFDMA. SC-FDMA łączy w sobie zalety modulacji z pojedynczą nośną, głównie niski współczynnik PAPR, z odpornością na zjawisko wielodrogowości, która jest zaletą OFDM. W SC-FDMA również wykorzystuje się różne podnośne do transmitowania symboli, jednak są one przesyłane sekwencyjnie, a nie jednocześnie.
W porównaniu do OFDM zmniejsza to fluktuacje obwiedni sygnału, co zapewnia mniejszy PAPR. W SC-FDMA stosowany jest też odstęp CP. Ponadto, żeby zapobiegać ISI, w odbiorniku realizuje się korekcję w dziedzinie częstotliwości. Jest to kolejna różnica pomiędzy SC-FDMA a OFDMA. W tej drugiej metodzie wpływ zjawiska wielodrogowości jest bowiem korygowany jedynie w dziedzinie czasu.
MIMO
W transmisji wieloantenowej MIMO wykorzystuje się dwie (lub więcej) anten w nadajniku i dwie (albo więcej) w odbiorniku, a jednocześnie transmitowanych jest wiele różnych strumieni danych. Ważne przy tym, aby anten odbiorczych było co najmniej tyle, ile nadawanych strumieni danych. Może być ich więcej, ale nie mniej, gdyż wówczas pokrywające się strumienie informacji bez dywersyfikacji przestrzennej powodowałyby interferencje.
W transmisji MIMO realizowanej w opisany sposób przepustowość kanału zwiększa się, wykorzystując zjawisko wielodrogowości. Jest to możliwe dzięki niejako "oszukaniu" ograniczenia nakładanego przez prawo Shannona. Prawo to odnosi się bowiem do pojedynczego łącza radiowego między nadajnikiem, a odbiornikiem. Transmisja MIMO tworzy natomiast jednocześnie wiele łączy radiowych.
Co nowego w LTE-Advanced?
Fot. 1. Ericsson M7450 - najmniejszy na świecie modem z 5 trybami pracy w standardzie LTE-Advanced w technologii agregacji częstotliwości
Dzięki temu, choć przepustowość każdego kanału jest ograniczona, ta łącz dla wszystkich kanałów ograniczenie to przewyższa. Realizacja tej techniki w odróżnieniu od innych metod jest jednak trudniejsza, m.in. wymaga implementacji skomplikowanych metod przetwarzania sygnału. W pracach nad kolejnymi wersjami standardu LTE za cel postawiono sobie m.in.: zwiększenie prędkości transmisji do 3 Gb/s w łączu w dół i 1,5 Gb/s w łączu w górę, poprawę efektywności widmowej z 16 do 30 b/s/Hz, zwiększenie liczby jednocześnie aktywnych użytkowników i poprawę jakości transmisji na krawędziach komórki.
Ich efektem była specyfikacja LTE-Advanced. Wymienione zamierzenia mają zostać w niej osiągnięte m.in. przez wdrożenie koncepcji agregacji nośnych (Carrier Aggregation), węzłów przekaźnikowych (Relay Nodes) oraz wsparcie dla bardziej rozbudowanych schematów transmisji wieloantenowej.
Aby osiągnąć docelowe prędkości transmisji, potrzeba kanałów o szerokości co najmniej 100 MHz. Dostępność ciągłych zakresów częstotliwości o takiej rozpiętości jest niestety ograniczona. Dlatego w LTE-Advanced zdecydowano się zastosować rozwiązanie, które polega na łączeniu w jeden kanał kilku oddzielnych pasm częstotliwości (Component Carrier, CC).
Żeby zapewnić kompatybilność z wcześniejszą wersją LTE, możliwa jest agregacja kanałów w niej zdefiniowanych, czyli 1,4, 3, 5, 10, 15 i 20 MHz. Maksymalnie "połączyć" można pięć kanałów. Jeżeli zatem na przykład w każdym z pięciu kanałów 20 MHz w łączu w dół można osiągnąć prędkość transmisji 150 Mb/s, łącznie wyniesie ona 750 Mb/s. W praktyce najczęściej jednak agregowane będą kanały 5 albo 10 MHz.
Agregacja typu intra i inter
W sieciach opartych na metodzie FDD liczba pasm CC w łączu w dół może być inna od tej w łączu w górę. Ta druga jednak powinna być bezwzględnie mniejsza albo równa drugiej. Można także w tym przypadku łączyć kanały o różnej szerokości, na przykład 5 z 10 MHz. W sieciach, w których korzysta się z metody TDD, liczba kanałów CC musi być natomiast jednakowa w łączu w dół oraz w górę.
Ograniczenie to dotyczy także ich szerokości (zniesiono je w kolejnych wersjach standardu). Wyróżnia się dwa typy agregacji kanałów: intra oraz inter. W pierwszej korzysta się z kanałów z jednego zakresu częstotliwości, sąsiadujących, nieprzylegających, lub takich i takich, jeżeli łączy się ich więcej niż trzy. Zaletą tej metody jest prostsza konstrukcja i niższy koszt terminalu użytkownika, który wyposaża się w pojedynczy odbiornik i nadajnik. W agregacji typu inter korzysta się z kanałów z różnych zakresów częstotliwości.
Clustered SC-FDMA, MIMO, węzły przekaźnikowe
Dlatego potrzebne są co najmniej dwa odbiorniki i dwa nadajniki, co komplikuje i zwiększa koszt jej realizacji. Ponadto w LTE-Advanced w łączu w górę stosowana będzie metoda DFT-S-OFDM (Discrete Fourier Transform Spread) (clustered SC-DFMA). Technika ta jest podobna do SC-FDMA, z tym że dopuszcza korzystanie z nieciągłych (skupionych) grup nośnych.
Ich liczbę ograniczono na razie do dwóch - już powyżej sześciu wartość współczynnika PAPR jest bowiem zbliżona do tej uzyskiwanej w ODFM. Jeżeli natomiast chodzi o transmisję wieloantenową, to w LTE-Advanced w łączu downlink dozwolona będzie konfiguracja MIMO 8×8, a w łączu uplink - 4×4. Najnowsze wersje specyfikacji LTE wprowadzają także węzły przekaźnikowe, które będą pośredniczyć w transmisji pomiędzy stacją bazową a terminalami użytkownika. Dzięki nim poprawi się jej jakość na krawędziach komórki.
Monika Jaworowska
