Статьи: Производительность сети TD-LTE в сравнении с WiMAX

В статье Лидии Варукиной, к. т. н., ведущего эксперта по дизайну радиосетей компании Alcatel-Lucent, подготовленной специально для MForum.ru, продемонстрированы перспективы и достоинства разработки LTE. Эффективность ответов данной новой технологии иллюстрируется методом сравнения, казалось бы, однообразных по техническим правилам совокупностей WiMax и LTE с временным дуплексом (TD-LTE).

Лидия Варукина

Рынок LTE

Все новейшие технологии беспроводной связи двигаются в одном направлении – к совокупностям на базе OFDM-MIMO и потом к совокупностям 4-го поколения (либо IMT-advanced в терминологии ITU).

У сотовых разработок одна четкая тенденция – миграция в сторону LTE, стандарта 3GPP (рис.1). У совокупностей широкополосного беспроводного доступа (ШБД), а WiMax — единственный представитель среди всех ШБД-разработок, входящих в семейство IMT-2000, – две альтернативы: мигрировать в сторону LTE либо развиваться в направлении IEEE 802.16m.

Рис.1.

Эволюция разработок сотовой связи

С позиций Alcatel-Lucent LTE есть более перспективным направлением развития с учетом глобальности приверженности и сотового рынка сотовых операторов неспециализированной тенденции. Рынок ШБД – это все-таки нишевый рынок. Упрочнения и затраты по продвижению и разработке совокупностей WiMax несоизмеримы с отдачей от уже развернутых сетей. Не смотря на то, что в портфеле компании Alcatel-Lucent имеется полноценное ответ WiMax IEEE 802.16e, было решено не развивать эту линейку оборудования до стандарта IEEE 802.16m.

Мы рекомендуем операторам WiMax мигрировать в направлении LTE, тем более что данный путь миграции специфицирован в документах 3GPP, и последовательность операторов WiMax уже заявили о собственных намерениях двигаться как раз в этом направлении.

Alcatel-Lucent участвует в работе органов стандартизации, за последние 6 месяцев было внесено более 30 предложений в рабочие группы RAN 1, 2 и 4 3GPP. Главные упрочнения компании Alcatel-Lucent были направлены на продвижение в 3GPP новых схем MIMO, путей координации и алгоритмов помех плавной миграции сетей WiMax в сторону LTE.

Говоря о глобальности рынка LTE, первым делом, мы подразумеваем рынок сотовых сетей и в большей мере рынок LTE FDD, поскольку большая часть сотовых операторов обладают парными полосами частот. Для LTE FDD будут пользуются спросом частоты, уже применяемые сетями 2G/3G, и 2,6 ГГц, 700 МГц и 800 МГц.

Потому, что технические правила LTE аккумуляторная и TDD фактически во всем совпадают, развитие разработки TD-LTE не потребует значительных инвестиций, что принципиально важно, учитывая намного меньший количество рынка TDD – рынка ШБД и сотового рынка в Китае.

Рис.2 Деятельность Alcatel-Lucent по внедрению LTE (эти от 25.06.2010 г.)

Китай есть первым и главным рынком для развития TD-LTE, где под разработку задействованы частоты 2,3 ГГц. Благодаря количеству этого рынка гарантируется лидерство и успех разработки TD-LTE в диапазоне 2.3 ГГц (рис.3). Последующее развитие рынка TD-LTE будет происходить в Индии, США, Японии и Европе в том же диапазоне и в диапазоне 2,5 ГГц.

Диапазон 3,5 ГГц имеет хороший потенциал и будет востребованным во многих государствах мира с учетом развернутых в этом диапазоне сетей ШБД. Рынок в этом диапазоне может стать вторым по количеству, в случае если диапазон будет стандартизован в 3GPP Rel.10. (см. табл.1). Ввиду доступности лишь 15 МГц в диапазоне 2,1 ГГц лицензии на данный диапазон ограничивают полосы до 5 МГц для большинства операторов в Европе (имеется маленькое количество лицензий на полосу 10 МГц).

Рис.

3. Прогноз рынка лицензий TD-LTE

В случае если сравнивать диапазоны частот WiMax и TD-LTE, то возможно подметить полное совпадение в диапазоне 2,3 ГГц и частичное в 2,5 ГГц; диапазон 3,5 ГГц для FDD и TDD будет стандартизован в 3GPP Rel. 10. Так, с позиций спектра имеются предпосылки миграции WiMax в сторону LTE.

Таблица 1. Диапазоны частот TD-LTE 3GPP

Терминальное оборудование

Важным причиной успеха новой разработке есть разнообразие и наличие абонентских терминалов. Уже на данный момент имеются производители абонентского оборудования LTE, причем производители терминалов и чипсетов LTE имеются как в нише 3GSM, так и в нише WiMax (рис.4). Зеленым цветом обозначены производители, производящие либо заявившие о намерении производить оборудование LTE.

Ввиду схожести разработок WiMax и TD-LTE для производителей WiMax не представит сложности создание двухрежимных терминалов WiMax/TD-LTE. Так, имеются все предпосылки для единой экосистемы 3GSM-WiMax.

Рис.

4. Экосистемы производителей 3GSM и WiMax

Радиоподсистема LTE компании Alcatel-Lucent

Компанией Alcatel-Lucent создано конвергентное ответ для построения беспроводных сетей как на базе одной, так и нескольких разработок. Подистемы радиодоступа 2G/3G/LTE строятся из универсальных мультистандартных «кирпичиков»: мультистандартных базисных станций, комбинированных контроллеров, универсальных транспортных ответов с единой совокупностью управления (рис.

5).

Рис.5. Конвергентная система радиодоступа

Мультистандартные базисные станции 2G/3G/LTE смогут быть выполнены в виде интегрированных макростанций и станций с распределенной архитектурой (рис. 6).

Рис. 6. Конвергентная базисная станция

Для реализации как интегрированного, так и распределенного ответа употребляется одинаковый модуль цифровой обработки.

В шкаф устанавливаются мультистандартные приемопередатчики MC-TRX либо однорежимные TRDU. В распределенном ответе употребляются самые выносные радиомодули MC-RRH либо однорежимные RRH.

В будущем покажутся всецело комбинированные ответы BSC/RNC/MME для 2G/3G/LTE на платформе ATCA (рис.7). На данной платформе кроме этого реализуются другие модули PCRF, IMS, SGSN, HLR.

В мультистандартной сети возрастают требования к обеспечению взаимодействия и системе управления между иерархическими уровнями и различными сегментами сети.

Компанией Alcatel-Lucent созданы решения, обеспечивающие бесшовность хэндоверов при переходе пользователей из одного уровня/разработки на другой уровень/разработку, и действенные совокупности управления мультистандартными сетями.

В силу однотипности разработок LTE FDD и TDD эти же модули смогут использоваться и для построения радиосетей ШБД.

Рис. 7. Конвергентный контроллер

Главные изюминки радиоинтерфейса WiMax 16e и LTE Rel.8

Казалось бы, обе разработки базируются на одном и том же радиоинтерфейсе MIMO-OFDM, возможно ли отыскать различие между ними? Попытаемся это сделать, разобрав поглубже правила организации радиоинтерфейса.

1. Многостанционный доступ

На линии вниз технологии LTE и линиях вверх и вниз технологии WiMax употребляется OFDMA – многостанционый доступ на базе ортогонального частотного мультиплексирования (OFDM).

В LTE на линии вверх отказались от OFDM, потому, что при сложении множества ортогональных поднесущих формируется сигнал с громадным пик-фактором.

Для передачи для того чтобы сигнала без искажений требуется высоко линейный, соответственно, дорогостоящий усилитель. Для упрощения терминалов было решено применять разработку SC-FDMA – мультиплексирование на одной несущей. Сигнал SC-FDMA владеет меньшим пик-фактором, в следствии чего усилитель может трудиться в более действенном режиме и с более высоким КПД.

2. Организация канальных ресурсов

При применении MIMO в технологии WiMax ресурсы выделяются пользователям слотами, формируемыми из поднесущих и знаков OFDM; наряду с этим используется способ расстановки поднесущих PUSC (Partial Usage of Subcarriers).

Поднесущие объединяются в субканалы (рис.8), распределенные по всей несущей: на линии вниз 1 субканал = 24 поднесущие данных + 4 пилот-поднесущих (часть пилот-поднесущих 14,2 %); на линии вверх 1 субканал = 16 поднесущих данных + 8 пилот-поднесущих (часть пилот-поднесущих 33,3 %).

Рис. 8. Субканалы частотного канала WiMax

В LTE пользователям выделяются ресурсные блоки по 12 соседних поднесущих х 1 субкадр (рис. 9).

1 ресурсный блок = 12 поднесущих x 14 знаков OFDM = 168 ресурсных элементов. Тот факт, что в пределах одного ресурсного блока, 180 кГц, поднесущие коррелированы, разрешает сократить количество пилот-поднесущих для оценивания канала на приемной стороне. На линии вниз в режиме MIMO 2×2 в каждом ресурсном блоке под пилоты резервируется 16 позиций из дешёвых 168 (часть пилотов – 9,5%). На линиях вверх и вниз размер ресурсного блока сходится – 168 ресурсных элементов.

На линии вверх под пилоты выделяются 36 позиций (часть пилотов – 21,4%). Так, часть пилот-поднесущих в LTE в 1,5 раза меньше, чем в WiMax.

Рис. 9. Ресурсные блоки частотного канала LTE

3. Диспетчеризация частотных ресурсов

В WiMax диспетчеризация ресурсов в частотной области осуществляется по принципу “frequency diversity scheduling”, поднесущие, выделяемые пользователю, распределены по всему спектру канала. Делается это для усреднения и рандомизации влияния частотно-селективных замираний на широкополосный канал.

В LTE реализована вторая техника борьбы с частотно-селективными замираниями: частотно-селективная диспетчеризация ресурсов “frequency selective scheduling”. Для каждой абонентской станции UE (User Equipment) и каждого частотного блока несущей формируются индикаторы качества канала CQI (Channel Quality Indicator) (рис.10).

В зависимости от требуемой для UE скорости передачи данных базисной станцией принимается ответ о количестве ресурсных блоков, выделяемых тому либо иному пользователю, а какие конкретно как раз частотные блоки выделять пользователям зависит от CQI. Пользователям выделяются те ресурсные блоки, каковые владеют наивысшим CQI, соответственно, наилучшим отношением сигнал/шум. Таковой метод распределения ресурсов между пользователями дает заметный энергетический выигрыш если сравнивать с рандомизированной раздачей частотных ресурсов.

Рис. 10. Частотно-селективная диспетчеризация ресурсов LTE

4. Гибридная процедура повторной передачи по запросу

В обеих совокупностях употребляется процедура повторной передачи HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) (рис.11). Благодаря упрощенной архитектуре LTE (в радиоподсистеме WiMax, в большинстве случаев, имеется контроллер базисных станций, а в LTE он отсутствует) сократилось время на обработку пакетов до 10 мс, против 30 мс в WiMax.

Помимо этого, для объединения повторно переданных пакетов в этих разработках употребляются различные процедуры: «Chase combining» — в WiMax и «Incremental redundancy» — в LTE. В процедуре «Chase combining» осуществляется простое повторение пакетов, а в приемном устройстве накапливается энергия при каждой повторной передаче.

В процедуре «Incremental redundancy» при каждой последующей повторной передаче изменяется шаблон выкалывания бит в ходе турбокодирования. В декодирующем устройстве при каждой последующей передаче растет количество проверочных бит в декодируемом пакете. Второй способ значительно действеннее и дает заметный энергетический выигрыш.

Рис.

11. Процедура HARQ

5. Адаптация совокупности к чертям канала

В современных совокупностях радиодоступа возможно максимально учесть условия распространения радиоволн в канале связи и приспособиться к ним методом выбора наиболее кодирования схемы и подходящей модуляции MCS (Modulation and Coding Scheme). Квадратурная амплитудная модуляция QPSK/16QAM/64QAM может комбинироваться с помехоустойчивым кодированием с разными скоростями.

В LTE дешёвы 29 схем MCS, выбирается та, которая в данных условиях распространения радиоволн снабжает большую пропускную свойство.

Точность настройки на канал в зависимости от отношения сигнал/шум образовывает 1-2 дБ. При высоком отношении сигнал/шум может употребляться скорость кодирования, близкая к 1. В WiMax число схем MCS многократно меньше, точность настройки на канал более неотёсанная – 2-3 дБ.

6. Управление мощностью

В любой сотовой сети поддерживаются процедуры управления мощностью передатчиков абонентских станций для противодействия замираниям и компенсации утрат на линии.

В хорошем методе мощность излучения пользовательских сигналов обязана устанавливаться таковой, дабы уровни сигналов разных пользователей поступали на вход приемника базисной станции с отношением сигнал/шум, равным некоему пороговому значению. Как раз таковой метод употребляется в WiMax.

В LTE используется модифицированный метод – частичное управление мощностью FPC (Fractional Power Control). Пороговое отношение сигнал/шум изменяется для пользователей в зависимости от их положения в соты: чем ближе UE к базисной станции, тем выше порог отношения сигнал/шум как критерий регулировки мощности. Следовательно, вблизи базисной станции UE трудится с более высоким отношением сигнал/шум, с более кратностью модуляции и высокой скоростью кодирования, соответственно, с более высокой спектральной эффективностью.

Помимо этого, трудясь с повышенной мощностью, UE может справляться с внутрисистемной интерференцией – подавлять соканальные помехи.

Помимо этого, любая базисная станция LTE осуществляет контроль уровень помех от соседних сот. Базисные станции иногда обмениваются индикаторами перегрузки OI (Overload Indicator), показывающими, в каком ресурсном блоке уровень помех превышает пороговое значение. Индикатор OI формируется по итогам измерения базисной станцией фонового шума и уровней помех для каждого частотного блока в соте.

Параметры управления мощностью устанавливаются в зависимости от принятого OI: в случае если для какого-либо блока указывается большой уровень помех, то базисная станция передает команду снизить мощность UE, излучающего в данном ресурсном блоке ( рис. 12).

Рис.

12. Управление мощностью соседней базисной станции

7. Коэффициент переиспользования частот

Базисная схема переиспользования частот WiMax строится на трех частотных каналах.

При трехсекторной конфигурации сайтов в каждом из секторов употребляется один из трех частотных каналов (рис.13). Коэффициент переиспользования частот в этом случае равен 3.

Работа сети LTE осуществляется с коэффициентом переиспользования частот 1, т.е. все базисные станции трудятся на одной несущей. Внутрисистемные помехи в данной совокупности минимизируются благодаря частотно-селективной диспетчеризации, координации помех между сотами, эластичному частотному замыслу. На рис.

13, справа, продемонстрирован один из вариантов эластичного частотного замысла. Для пользователей в центре любой соты смогут выделяться ресурсы из всей полосы канала (серая территория). Пользователям на краях сот выделяются ресурсы лишь из определенных поддиапазонов (указаны соответствующим цветом). Так, в каждой соте известно, в каком поддиапазоне концентрируются помехи на ее границах. Положение UE, на краю соты либо вблизи базисной станции, идентифицируется по периодическим отчетам UE об уровнях сигналов соседних сот (для помощи хэндовера).

Рис. 13. Коэффициент переиспользования частот в сетях WiMAX и LTE

8. Схемы MIMO

В случае если в совокупности MIMO возможно передать от приемника к передатчику данные о чертях канала распространения радиоволн, то на передающей и приемной сторонах имеется возможность организовать оптимальным образом пространственные каналы распространения отдельных сигнальных потоков так, дабы минимизировать их обоюдную интерференцию, а это существенно повышает энергетический бюджет соединения.

Как раз таковой принцип заложен в LTE, где реализуется схема MIMO с обратной связью CL-MIMO (Closed Loop MIMO). В приемнике по окончании оценивания канала выбирается соответствующая прекодирующая матрица, а номер оптимальной прекодирующей матрицы PMI (Precoding Matrix Indicator) посылается передатчику. Обратная сообщение в схеме MIMO WiMaх не предусмотрена.

Различаются в этих совокупностях схемы канального кодирования, предшествующего обработке MIMO. В WiMaх – последовательное кодирование, а в LTE – параллельное (рис. 14).

При параллельной схеме, входные эти демультиплексируются на два потока, любой из которых в отдельности подвергается помехоустойчивому кодированию. Закодированные потоки подаются в схему MIMO. На приемной стороне осуществляются обратные операции, по окончании снятия помехоустойчивого кода в обеих ветвях декодированные эти подаются обратно в приемник – обработчик MIMO: реализуется итерационный метод совместной демодуляции MIMO и канального декодирования, разрешающий заметно улучшить работу приемника и снизить требуемое отношение сигнал/шум на входе приемника. Этот метод именуется методом последовательного исключения демодулированных компонент SIC (Successive Interference Cancellation).

При последовательном канальном кодировании, как в WiMax, данный метод нереализуем.

Рис. 14.

Схемы MIMO в совокупностях WiMax и LTE

В табл. 2 приведены все обрисованные различия между двумя совокупностями.

Таблица 2. Различия в радиоинтерфейсе Wimax 16e и LTE Rel.8

Оценка радиопокрытия

Сейчас мы можем взглянуть, как различия в радиоинтерфейсе воздействуют на радиопокрытие. Анализ радиопокрытия для двух совокупностей проводился для конфигурации оборудования, представленной на рис.15: трехсекторная распределенная базисная станция, абонентский терминал – компьютер (карта PCMCIA). Данные для сравнения приведены в табл. 3.

Рис. 15. Конфигурация оборудования

Таблица 3. Данные для сравнения совокупностей LTE и WiMax

Анализ радиопокрытия начинают с вычисления энергетического бюджета либо максимально допустимых утрат на линии MAPL (Maximum Allowable Path Loss).

Как для LTE, так и для WiMax (из-за громадного дисбаланса мощности передатчиков UE и базисной станции ~ 20 дБ) ограничивающей линией по дальности связи как правило есть линия вверх, исходя из этого расчет MAPL выполнен для линии вверх. Энергетический бюджет рассчитывается для UE на краю соты и излучающего сигнал на большой мощности. Результаты расчета приведены в табл. 4.

Таблица 4. Энергетический бюджет для условий средней муниципальный застройки (UR)

MAPL в совокупности TD-LTE на 5,6 дБ больше если сравнивать с совокупностью WiMax, другими словами ниссан-микра ниссан микро снабжает лучшее радиопокрытие.

Радиопланирование выполнялось для фрагмента города площадью 7,6 кв. км (рис. 16) посредством программы ATOLL ‘A9955’.

Рис. 16. Цифровая карта города

Сначала было выполнено радиопланирование для совокупности LTE, были выбраны места установки базисных станций и вычислено радиопокрытие. Итог радиопланирования: 22 базисные станции закрывают 7,5 из 7,6 кв. км (рис.

17).

Рис. 17. Радиопокрытие LTE

После этого на тех же 22 позициях установили базисные станции WiMax и удостоверились в надежности радиопокрытие: итог – площадь радиопокрытия сократилась до 77% (рис.

18).

Рис. 18. Радиопокрытие WiMax

Статистика радиопокрытия для обеих совокупностей:

Оценка емкости

Анализ пропускной свойстве соты проводился методом статистического моделирования в три этапа.

1. Моделирование канального уровня – получение зависимости пропускной свойстве базисной/абонентской станции от отношения сигнал/шум на входе приемника.

2. Моделирование системного уровня по способу Монте-Карло – получение функции распределения возможности отношения сигнал/шум в соте, учитывающего мощность помех от соседних сот.

3. Вычисление средней пропускной свойстве соты методом интегрирования чёрта канального уровня по плотности распределения отношения сигнал/шум в соте.

В табл. 5 представлены результаты вычисления средней пропускной свойстве в сети, по конфигурации близкой к взятой нами в ходе радиопланирования в прошлом разделе, специфицируемой NGMN как сценарий 1: расстояние между сайтами – 500 м, в среднем – 10 активных пользователей в соте, утраты на проникновение в строение – 20 дБ, характеристики оцениваются для кластера из 19 3-секторных сайтов, имитируются 6 окружающих зеркальных кластеров для учета помех в граничных сотах (рис. 20).

Рис. 20. Топология моделируемой сети

Таблица 5. Средняя пропускная свойство соты

Пропускная свойство соты LTE на линиях вниз и вверх выше, чем пропускная свойство WiMAX.

Выводы

Успех новой сетевой разработке покоится на трех китах:

— Производительность сети

Характеристики радиопокрытия и емкости сети LTE существенно выше черт WiMax.

— Масштабы рынка

В мире развернуто более 1000 сетей CDMA + GSM/UMTS.

Глобальный сотовый рынок нельзя сравнивать с нишевым рынком сетей ШБД, в частности WiMax.

— Экосистема производителей

Однотипность разработок LTE FDD и TDD и возможность переиспользования технических ответов большого сотового рынка FDD для рынка ШБД гарантируют доступность как сетевой инфраструктуры, так и терминального оборудования TD-LTE.

Справедливости для нужно подчернуть, что разработка LTE была стандартизована на два года позднее WiMax. Были учтены и исправлены неточности, забраны лучшие правила.

Помимо этого, за два года процессорная техника шагнула вперед, были созданы новые действенные методы обработки сигналов, что разрешило реализовать в LTE самые передовые разработки. К примеру, стандартом IEEE 802.16e предусматривались оба варианта объединения пакетов в процедуре HARQ, но WiMax-Форум специфицировал более простой «Chase combining», реализация «Incremental redundancy» есть опциональной, а в совокупностях LTE уже реализован более действенный, но и более затратный метод «Incremental redundancy».

Такая технологическая борьба напоминает игру в догонялки.

Не так долго осталось ждать выйдет следующий релиз стандарта IEEE 802.16m, что по своим возможностям будет превосходить LTE Rel.8. А по окончании выхода очередного релиза LTE технологии, возможно, снова поменяются местами. Так может длиться до бесконечности.

И тогда решающими факторами станут регулирование и маркетинговые шаги (наличие частотных условия и ресурсов лицензирования операторской деятельности).

Литература

1. Stefania Sesia, Issam Toufik, Matthew Baker. LTE – The UMTS Long Term Evolution. From Theory to Practice. — John Wiley & Sons ЛТД, 2009 – 611 с.

2. Jeffrey G.A. Fundamentals of WiMax: Understanding Broadband Wireless Networking. – Pearson Education, Inc., 2007. — 449 с.

3. Вишневский В.М., Портной С.Л., Шахнович И.В.

Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G. – М.: Техносфера, 2009. – 465 с.

4. Тихвинский В.О., Терентьев С.В., Юрчук А.Б.

Сети сотовой связи LTE: технологии и архитектура. – М.: Эко-Трендз, 2010. – 284 с.

5. Варукина Л.А., Координация помех в сетях аккумуляторная// Радиочастотный спектр. – 2010. — №2. — С. 30-33.

6. Варукина Л.А., Разработка MIMO в совокупностях LTE// Электросвязь. – 2009. — №11. — С. 52-55.

© Лидия Варукина, специально для MForum.ru, MForum.ru