LTE (sekä radio- että runkoverkon kehitys) on nyt markkinoilla. Release 8 jäädytettiin joulukuussa 2008, ja se on ollut pohjana LTE-laitteiden ensimmäiselle aallolle. LTE-määrittelyt ovat hyvin vakaita, ja niiden lisäetuna on, että parannuksia on otettu käyttöön kaikissa myöhemmissä 3GPP:n julkaisuissa.
Motivaatio LTE:lle
- Tarpeena varmistaa 3G-järjestelmän kilpailukyvyn jatkuvuus tulevaisuudessa
- Käyttäjien vaatimus suuremmista tiedonsiirtonopeuksista ja palvelun laadusta
- Pakettikytkennän optimointi. järjestelmä
- Kustannusten alentamisen jatkuva vaatimus (CAPEX ja OPEX)
- Matalan monimutkaisuuden
- Välttää tekniikoiden tarpeetonta pirstaloitumista pariliittymäkaistakäyttöä ja pariliittymätöntä kaistakäyttöä varten
LTE-yleiskatsaus
Author: Magdalena Nohrborg, 3GPP:lle
LTE (Long Term Evolution) tai E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Access Network), joka esiteltiin 3GPP R8:ssa, on Evolved Packet Systemin (EPS) liityntäosa. Uuden liityntäverkon tärkeimpiä vaatimuksia ovat korkea spektritehokkuus, suuret huippudatanopeudet, lyhyt edestakainen matka-aika sekä joustavuus taajuuden ja kaistanleveyden suhteen.
GSM kehitettiin kuljettamaan tosiaikapalveluja piirikytkentäisesti (kuvassa 1 sinisellä); datapalvelut olivat mahdollisia vain piirikytkentäisellä modeemiyhteydellä ja hyvin alhaisilla datanopeuksilla. Ensimmäinen askel kohti IP-pohjaista pakettikytkentäratkaisua (vihreä kuvassa 1) otettiin, kun GSM:stä kehitettiin GPRS, jossa käytettiin samaa ilmaliitäntää ja liityntämenetelmää, TDMA:ta (Time Division Multiple Access, aikajaon moninkertainen liityntä).
Korkeampien tiedonsiirtonopeuksien saavuttamiseksi UMTS:ssä (Universal Mobile Terrestrial System, yleinen maanpäällinen matkaviestinjärjestelmä) kehitettiin uusi liityntämenetelmä WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access, laajakaistakoodin moninkertainen liityntä). UMTS:n liityntäverkko jäljittelee piirikytkentäistä yhteyttä reaaliaikapalveluille ja pakettikytkentäistä yhteyttä tietoliikennepalveluille (musta kuvassa 1). UMTS:ssä IP-osoite varataan UE:lle, kun datayhteyspalvelu muodostetaan, ja se vapautetaan, kun palvelu lopetetaan. Saapuvat tietoliikennepalvelut ovat siis edelleen riippuvaisia piirikytkentäisestä ytimestä hakua varten.
Evolved Packet System (EPS) on puhtaasti IP-pohjainen. Sekä reaaliaikapalvelut että tietoliikennepalvelut siirretään IP-protokollan avulla. IP-osoite varataan, kun matkapuhelin kytketään päälle, ja se vapautetaan, kun se kytketään pois päältä.
Uusi liityntäratkaisu, LTE, perustuu OFDMA:han (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), ja yhdistettynä korkeamman järjestyksen modulaatioon (jopa 64QAM), suuriin kaistanleveyksiin (jopa 20 MHz) ja tilamultipleksointiin alaspäin suuntautuvassa linkissä (4×4:ään asti) voidaan saavuttaa suuria siirtonopeuksia. Kuljetuskanavan suurin teoreettinen huipputietonopeus on 75 Mbit/s ylälinjalla, ja alalinjalla, kun käytetään spatiaalista multipleksointia, nopeus voi olla jopa 300 Mbit/s.
LTE-liityntäverkko on yksinkertaisesti tukiasemien verkko, evolved NodeB (eNB), joka muodostaa litteän arkkitehtuurin (kuva 2). Keskitettyä älykästä ohjainta ei ole, ja eNB:t ovat yleensä yhteydessä toisiinsa X2-liitännän kautta ja S1-liitännän kautta runkoverkkoon (kuva 2). LTE:ssä älykkyyttä jaetaan tukiasemien kesken siksi, että yhteyden muodostamista voidaan nopeuttaa ja siirtymiseen kuluvaa aikaa lyhentää. Loppukäyttäjälle reaaliaikaisen datayhteyden muodostamisaika on monissa tapauksissa ratkaisevan tärkeä, erityisesti verkkopeleissä. Luovutukseen kuluva aika on olennaista reaaliaikaisissa palveluissa, joissa loppukäyttäjillä on taipumus lopettaa puhelut, jos luovutus kestää liian kauan.
Toinen hajautetun ratkaisun etu on se, että aikataulutuksesta vastaava MAC-protokollakerros on edustettuna vain UE:ssa ja tukiasemassa, mikä johtaa nopeaan viestintään ja päätöksentekoon eNB:n ja UE:n välillä. UMTS:ssä MAC-protokolla ja aikataulutus sijaitsevat ohjaimessa, ja kun HSDPA otettiin käyttöön, NB:hen lisättiin ylimääräinen MAC-alakerros, joka vastaa HSPA-aikatauluttamisesta.
Aikatauluttaja on keskeinen komponentti nopean mukautetun ja tehokkaasti käytetyn radioresurssin saavuttamisessa. Siirtoaikaväliksi (Transmission Time Interval, TTI) on asetettu vain 1 ms.
Kunkin TTI:n aikana eNB:n aikatauluttajan on:
– otettava huomioon fyysinen radioympäristö UE:ta kohden. UE:t ilmoittavat havaitsemansa radionlaadun syötteenä aikatauluttajalle, joka päättää, mitä modulaatio- ja koodausjärjestelmää käytetään. Ratkaisu perustuu nopeaan sopeutumiseen kanavan vaihteluihin käyttämällä HARQ:ta (Hybrid Automatic Repeat Request) pehmeällä yhdistelyllä ja nopeuden mukauttamisella.
– priorisoida QoS-palveluvaatimukset UE:iden kesken. LTE tukee sekä viiveherkkiä reaaliaikapalveluja että suuria huippunopeuksia vaativia tietoliikennepalveluja.
– ilmoittaa UE:ille jaetuista radioresursseista. eNB aikatauluttaa UE:t sekä downlinkissä että uplinkissä. Jokaisen TTI:hen ajoitetun UE:n käyttäjätiedot siirretään kuljetuslohkossa (TB). DL:ssä voidaan luoda enintään kaksi TB:tä TTI:tä kohti UE:ta kohti – jos käytetään spatiaalista multipleksointia. TB toimitetaan kuljetuskanavalla. LTE:ssä kanavien määrä on pienempi kuin UMTS:ssä. Käyttäjätasolla on vain yksi jaettu siirtokanava kumpaankin suuntaan. Kanavalla lähetettävä TB voi siis sisältää bittejä useista palveluista, jotka on multipleksoitu yhteen.
Korkean radiospektritehokkuuden saavuttamiseksi sekä tehokkaan aikataulutuksen mahdollistamiseksi sekä aika- että taajuusalueella 3GPP valitsi monikantoaaltopohjaisen lähestymistavan multiple accessiin. Alaspäin suuntautuvalle yhteydelle valittiin OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) ja ylöspäin suuntautuvalle yhteydelle SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access), joka tunnetaan myös nimellä DFT (Discrete Fourier Transform) spread OFDMA (kuva 3).
OFDM on monikantoaaltotekniikka, joka jakaa käytettävissä olevan kaistanleveyden moniin toisiinsa nähden ortogonaalisiin kapeakaistaisiin alikantoaaltoihin. OFDMA:ssa nämä alikantoaallot voidaan jakaa useiden käyttäjien kesken. OFDMA-ratkaisu johtaa korkeaan huipputehon ja keskimääräisen tehon välityssuhteeseen (Peak-to-Average Power Ratio, PAPR), joka edellyttää kalliita tehovahvistimia, joilla on korkeat vaatimukset lineaarisuudelle, mikä lisää lähettäjän tehonkulutusta. Tämä ei ole ongelma eNB:ssä, mutta johtaisi erittäin kalliisiin luureihin. Siksi UL:lle valittiin erilainen ratkaisu. Kuten kuvassa 3 on esitetty, SC-FDMA-ratkaisu tuottaa signaalin, jolla on yhden kantoaallon ominaisuudet ja siten alhainen PAPR.
Jotta LTE:tä voitaisiin ottaa käyttöön kaikkialla maailmassa ja jotta se tukisi mahdollisimman monia sääntelyvaatimuksia, sitä kehitetään useille taajuuskaistoille (E-UTRA-taajuuskaistat), jotka tällä hetkellä vaihtelevat 700 MHz:stä 2,7 GHz:iin. Käytettävissä olevat kaistanleveydet ovat myös joustavia alkaen 1,4 MHz:stä aina 20 MHz:iin asti. LTE on kehitetty tukemaan sekä aika-dupleksitekniikkaa (TDD) että taajuus-dupleksitekniikkaa (FDD). R8:ssa on määritelty 15 kaistaa FDD:lle ja kahdeksan kaistaa TTD:lle. R9:ssä lisättiin neljä kaistaa FDD:tä varten. R9:ssä lisättiin myös esimerkiksi Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) ja Home eNB (HeNB), ks. kuva 4. MBMS:ää käytetään lähettämään lähetystietoa kaikille käyttäjille, esimerkiksi mainoksia, ja monilähetystietoa suljetulle ryhmälle, joka tilaa tietyn palvelun, esimerkiksi suoratoistotelevision. HeNB:t otetaan käyttöön pääasiassa tarjoamaan kuuluvuutta sisätiloissa, kodeissa tai toimistoissa.HeNB on pienitehoinen eNB, jota käytetään pienissä soluissa eli femtosoluissa. Yleensä se on asiakkaan omistuksessa, otetaan käyttöön ilman verkkosuunnittelua ja liitetään operaattorin EPC:hen (Evolved Packet Core).
Kuva 4 Uutta LTE R9:ssä: a) MBMS, b) HeNB.
Lisälukemista
– TS 36.211 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical channels and modulation
– TS 36.212 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Multipleksointi ja kanavakoodaus
– TS 36.213 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Fyysisen kerroksen menettelyt
– TS 36.300 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) ja Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Yleiskuvaus; Vaihe 2
– TS 36.321 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) -protokollan määrittely
– TS 36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protokollaerittely
– TS 36.413 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)
– TS 36.423 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 Application Protocol (X2AP)
LTE Historical Information
Tekninen paperi UTRA-UTRAN Long Term Evolution (LTE) ja 3GPP System Architecture Evolution (SAE) on hyvä lähtökohta.
Vuonna 2004 aloitettu Long Term Evolution (LTE) -projekti keskittyi UTRA:n (Universal Terrestrial Radio Access) parantamiseen ja 3GPP:n radioliityntäarkkitehtuurin optimointiin.
3GPP:n 36-sarjan spesifikaatiot kattavat ”Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)”.
Katso myös – LTE-Advanced-teknologiasivu, jossa kuvataan LTE Release 8/9:n jälkeistä työtä.
…Saat lisätietoja LTE- ja LTE-Advanced-logojen käytöstä
.