Протоколы доступа LTE E-UTRAN. Часть 1


PDF версия

Статья посвящена описанию протоколов доступа на различных уровнях сети LTE.

Скорость передачи по LTE в нисходящем направлении (к пользователю) достигает 100 Мбит/с, в восходящем — 50 Мбит/с. Задержка на уровне пользователя не превышает 5 мс за счет высокой эффективности использования спектра. Столь замечательные характеристики обеспечиваются за счет использования нескольких антенн (принцип MIMO) и мультиплексирования с ортогональным разделением частот OFDM на физическом уровне.
Сеть E-UTRAN — это самый первый узел в усовершенствованной пакетной системе EPS. Она обеспечивает высокую скорость передачи данных, малую задержку на обеих плоскостях управления и пользователя, бесшовное переключение и большее покрытие ячейки.
Рассмотрим задачи, функции и процедуры слоя доступа в стеке протоколов радиодоступа.

E-UTRAN

Структура E-UTRAN показана на рисунке 1. Сеть состоит из узлов eNodeB (eNB), которые обеспечивают протоколы плоскости пользователя (PDCP/RLC/MAC/PHY) и управления (RRC). Узлы eNB взаимодействуют между собой через интерфейс Х2. Для связи с усовершенствованным пакетным ядром (EPC — Evolved packet core) используется протокол S1. Обмен с узлом управления мобильностью (ММЕ — mobility management entity) происходит по интерфейсу S1-MME, а c обслуживающим шлюзом (SGW — Serving Gateway) — по интерфейсу S1-U. Интерфейс S1 поддерживает связи типа множество-множество между MME, SGW и eNB.

 

Рис. 1. Архитектура сети E-UTRAN

Информацию, которую пропускает через себя UTRAN, принято разделять на два слоя. К слою доступа (AS — Access stratum) относятся данные, необходимые для взаимодействия терминала пользователя (UE) и сети UTRAN. Слой без доступа (NAS — non-Access Stratum) содержит информацию, переносимую между базовой сетью оператора (CN) и UE через UTRAN.
Слой доступа объединяет протоколы радиодоступа. Это протоколы, обеспечивающие совместное использование радиоресурсов оборудования пользователя и сети доступа. Кроме того, AS отвечает за соединения с каналом радиодоступа (RAB — Radio Access Bearer), посредством которых обеспечивается взаимодействие между UE и CN (сервис NAS).

Функционал на слое доступа

Слой доступа предоставляет пользовательскому оборудованию возможность получения доступа к ресурсам и сервисам сети, а также всю необходимую инфраструктуру. Протоколы радиодоступа выполняют следующие функции:
– управление ресурсами радиоканала (RRM — radio resource management). Это управление радиоканалом и радиоприемом, контроль мобиль­ности соединения и динамическое распределение ресурсов оборудования пользователя в обоих направлениях передачи (функция распределения, см. ниже).
– управление трафиком:
— передача данных, в т.ч. в режиме реального времени, между инфраструктурой (слой NAS) и оборудованием пользователя;
— обработка всех типов данных при различных параметрах канала (уровень активности, пропускная способность, задержка передачи и вероятность появления ошибочных битов);
— эффективное преобразование атрибутов трафика, используемых не-LTE приложениями, в атрибуты канала радиодоступа (RAB — radio access bearer) в слое доступа;
— сжатие IP-заголовка и шифрование потоков данных пользователя;
— самостоятельный выбор MME на оборудовании пользователя, когда сеть не предоставляет соответствующей информации;
— передача данных с плоскости пользователя на SGW;
— управление местоположением: распределение и передача поисковых сообщений;
— распределение и передача широковещательной информации;
— задание конфигурации измеряемых параметров и формы выведения ре­зультатов для распределения ре­сур­сов и обеспечения мобильности;
— распределение и передача сообщений о землетрясениях и цунами;
— предоставление первичного доступа к сети, регистрация и присоединение к сети или выход из нее;
— управление передачей на различных уровнях: между eNodeB, внутри eNodeB, между eNodeB с изменением MME, между eNodeB с сохранением MME, но сменой SGW, между RAT;
— функциональное разнообразие и шифрование;
— кодирование радиоканала.

Протоколы слоя доступа

Протоколы LTE делятся на две группы: плоскость управления (отвечают за управление транспортным каналом) и плоскость пользователя (отвечают за передачу пользовательских данных).
Стек протоколов плоскости пользователя показан на рисунке 2. Подуровни PDCP, RLC, MAC и PHY, оканчивающиеся на eNB со стороны сети, выполняют такие функции как сжатие заголовка, шифрование, распределение, ARQ (запрос на повторную передачу) и HARQ.

 

Рис. 2. Стек протоколов плоскости пользователя

Стек протоколов плоскости управления показан на рисунке 3. Протокол сходимости пакетных данных PDCP выполняет шифрование и обеспечивает защиту целостности. Протоколы RLC, MAC и PHY выполняют те же функции, что и на плоскости пользователя. Протокол RRC выполняет такие функции как широковещательная рассылка системной информации, разбиение на страницы, управление соединением RRC, радиоканалом, мобильностью и процессом проведения измерений, а также отвечает за предоставление результатов измерений.
На рисунке 4 показаны протоколы доступа, состоящие из уровней RRC, PDCP, RLC, MAC и PHY. Протоколы RRC конфигурируют все нижележащие слои. Между RRC и PDCP устанавливаются радиоканалы, привязанные к логическим каналам между протоколами RLC и МАС. Из рисунка 5 видно, что схема отображения логических каналов на физические проста и прозрачна.

 

Рис. 3. Стек протоколов плоскости управления

Рис. 4. Стек протоколов доступа

Рис. 5. Cхема отображения каналов

 

Формат пакета E-UTRA

Передача в обоих направлениях производится пакетами длительностью 10 мс. В сети LTE предусмотрены две структуры радиопакета: со сдвоенным спектром (тип 1 для FDD) и нет (тип 2 для TDD). Структура пакетов первого типа показана на рисунке 6.1. Пакет содержит 10 одинаковых по длительности подкадров, каждый из которых состоит из двух частей по 0,5 мс. В сети FDD восходящий и нисходящий потоки разделены частотно.

 

Рис. 6.1. Формат пакета первого типа

Рис. 6.2. Формат пакета второго типа

Структура пакетов второго типа показана на рисунке 6.2. Пакет делится на две половины, каждая из которых содержит по восемь слотов длительностью 0,5 мс и три поля: DwPTS, GP, UpPTS. Длительность DwPTS и UpPTS подбирается так, чтобы общая длительность полей DwPTS, GP, UpPTS составляла 1 мс. Во всех конфигурациях с периодичностью переключения 5 мс субкадры 1 и 6 содержат поля DwPTS, GP, UpPTS. При периодичности переключения 10 мс субкадр 6 содержит только поле DwPTS. Все другие субкадры состоят из двух одинаковых слотов.
В сети TDD поле GP зарезервировано для перехода с нисходящего направления на восходящее. Все другие субкадры и поля предназначены только либо для нисходящей, либо для восходящей передачи. Они разделены во временной области.

Физический уровень

Физические ресурсы LTE — это матрица ресурсов времени и частоты, в которой каждый элемент соответствует одной ОFDM-поднесущей в течение одного символа OFDM с расстоянием между несущими Δf = 15 кГц. Поднесущие сгруппированы в блоки по 12. В режиме циклического префикса CP один временной слот содержит 7 символов OFDM, в режиме расширенного префикса — 6 символов. Принцип преобразования каналов показан на рисунке 5.

Конфигурация ячеек

При подключении eNodeB к сети проводится инициализация аппаратного обеспечения, тестирование оборудования (модулей памяти и периферийных устройств) и привязка к ячейке. Каждый узел может быть приписан к нескольким ячейкам. В процессе настройки ячейки производится конфигурация следующих параметров:
– ресурсы физического уровня (полоса пропускания, ресурсы физического канала и т.д);
– ресурсы слоя 2 МАС (конфигурация логических и транспортных каналов, настройки распределения и т.д.);
 – ресурсы слоя 2 RLC (общие радиоканалы для широковещательной передачи, разбиения на страницы, SRB0 и т.д.).
– Оборудование пользователя, присоединившееся к ячейке, должно выполнять следующие действия:
– получение служебной информации от сети PLMN (public land mobile network).
– получение доступа к каналу управления ячейки для установления соединения RRC.
– прослушивание сообщения о разбиении на страницы.
– получение напоминания ETWS.

Адаптация связи

Методы адаптации связи основаны на эффективном использовании динамических условий в канале. Адаптация связи — это выбор схемы модуляции и кодирования (MCS) в соответствии с текущими условиями в канале. Другое название этого механизма — адаптивная модуляция и кодирование (АМС). Он выполняется для канала общих данных. Для всех групп ресурсных блоков модуля данных протоколов L2, приписанных одному пользователю внутри одного интервала передачи и одного потока, применяется та же схема модуляции и кодирования. Сеть LTE поддерживает следующие способы модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM и BPSK. Кодирование в зависимости от канала: Turbo (скорость 1/3), свертка (скорость 1/3 с концевой комбинацией битов, скорость 1/2), повторение (скорость 1/3) и блочное кодирование (скорость 1/16 или кодирование с повторением).

Процедура синхронизации и получения системной информации

Узел eNodeB обеспечивает все необходимые сигналы и механизмы для синхронизации оборудования пользователя с нисходящим каналом и получения служебных данных сети. Синхронизация времени и частоты на оборудовании пользователя, а также определение идентификационного номера ячейки производится в процессе поиска ячейки. Полоса пропускания может меняться в зависимости от используемых ресурсных блоков. Всего их 6, это 72 поднесущие. Поиск ячейки производится путем передачи сигналов первичной и вторичной синхронизации. Для этого используются 72 центральных поднесущих в первом и шестом субкадре каждого пакета.

Синхронизация слотов и пакетов

После инициализации терминал пользователя производит синхронизацию с сетью и поиск ячейки. Для этого он запрашивает доступ к полосе 1,4 МГц, чтобы декодировать сигнал первичной синхронизации (PSCH), вторичной (SSCH) и блок служебной информации (SIB).
Сигнал первичной синхронизации генерируется с помощью последовательностей Задова-Чу. Существует три 62-разрядных последовательности для идентификации начала и конца слота. Далее производится синхронизация пакета для идентификации начала и конца передачи.
Сигнал вторичной синхронизации (62-разрядная последовательность) — это перемежеванная конкатенация двух 31-разрядных двоичных последовательностей, скремблированных с последовательностью первичной синхронизации. Идентификатор ячейки определяется сигналами синхронизации. Идентификаторы разделены на 168 групп по три в каждой так, что идентификатор ячейки является частью одной и только одной группы. Расположение PSCH, SSCH и PBCH и других сигналов физического уровня на центральной частоте 1,4 МГЦ показано на рисунке 7.

 

Рис. 7. Сигналы физического уровня

Затем начинается передача блока информации мастера (MIВ), содержащего полосу нисходящего канала, количество передающих антенн, номер служебного пакета и длительность PHICH. Далее оборудование пользователя получает системную информацию SIB. Она передается сигналом PDSCH, который в свою очередь извлекается из поля индикатора контроля формата (CFI) сигнала PDCCH. Для прочтения CFI оборудование пользователя получает PCFICH из первого OFDM-символа субкадра, как показано на рисунке 8.

 

Рис. 8. Протоколы канального уровня

Когда выбор полосы завершен, оборудование пользователя начинает декодирование управляющей информации DCI (DL control information), чтобы прочитать SIB типа 1 и 2 и получить идентификатор PLMN, статус запретов ячейки и входные пороговые значения, используемые при выборе ячейки.

Процедура случайного доступа

Пользователь не может начать использовать сервисы сети сразу после синхронизации в нисходящем канале до тех пор, пока не будет произведена синхронизация в восходящем канале, или процедура произвольного доступа (RAP — random access procedure). Данная процедура одинакова для FDD и TDD и не зависит от размера ячейки.
Синхронизация в восходящем канале может производиться с разрешением конфликтов и без него. Первый метод применяется, когда одновременно несколько пользователей пытаются подсоединиться к сети. В этом случае велика вероятность возникновения коллизий. Для их предотвращения оборудование пользователя посылает произвольно выбранную преамбулу по каналу PRACH.
Процедура без разрешения конфликтов производится тогда, когда пользователь уже подключен к eNodeB. В этом случае преамбула задается узлом eNodeB.

Измерения на физическом уровне

Для сохранения мобильности оборудование пользователя производит измерения, которые можно классифицировать следующим образом:
– внутри E-UTRAN;
– между E-UTRAN и GERAN/UTRAN;
– между E-UTRAN и не-3GPP RAT;
Для определения внутрисетевых параметров оборудование пользователя производит измерение мощности принятого эталонного символа (RSRP) и коэффициента силы принятого сигнала несущей E-UTRA (RSSI).

Литература
1. Tripathi S. и др. LTE E-UTRAN and its access side protocols.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *