Autorem odborného článku je Jaroslav Hrstka, externí redaktor.

Základní vlastnosti rádiového přístupu LTE a LTE-Advanced

Během posledního desetiletí se mobilní komunikace stala každodenní součástí našich životů stejně, jako se mobilní telefon se stal v podstatě součástí naší osobnosti, a to ve fyzickém i psychickém smyslu.

Dnes už si těžko dovedeme představit jaké to je nemít u sebe mobilní telefon, a když už k tomu snad z nějakého důvodu dojde, cítíme se značně nesví, jakoby nám něco životně důležitého chybělo. Mobilní komunikace už dávno není jen telefonní volání nebo posílání krátkých zpráv (SMS), mobilní sítě dnes nabízejí pestrou směs multimediálních služeb a aplikací, které zahrnují přenos hlasových, datových, textových i obrazových informací v několika úrovních kvality. Z mobilního telefonu se stal mobilní komunikátor (smartphone) nebo jak se říká chytrý telefon, s takovým rozsahem funkcí a možností komunikace, o kterých si mohli nechat zdát i v mnohých scifi seriálech.

Jak se ovšem zvyšují nároky uživatelů na mobilní komunikaci, zvyšují se také požadavky na rychlosti a zpoždění přenosu v mobilních sítích. Jak se s tím standardizační organizace 3GPP (3rd Generation Partnership Project) vyrovnávala, dokumentuje obr. 1, který ukazuje maximální přenosové rychlosti, jak je definováno jednotlivých vydáních (Release) specifikací LTE.

Technologie rádiového přístupu LTE představuje novou kapitolu mobilní komunikace. Formát LTE byl navržen japonským operátorem NTT DoCoMo v roce 2004 a posléze přijat jako mezinárodní standard. Práce na souboru specifikací LTE začaly koncem roku 2004 a celkovým záměrem bylo poskytnout novou rádiovou přístupovou technologii založenou výhradně na přepojování paketů. V první fázi prací 3GPP na technologii LTE byl definován soubor požadavků s ohledem na poskytované možnosti a výkonnost sítě [1]. Tyto požadavky, jak ukazuje tabulka 1, zahrnovaly maximální přenosové rychlosti, spektrální účinnost, zpoždění, šířku pásma rádiového kanálu či kapacitu buňky. Kromě toho byly definovány také požadavky na flexibilitu kmitočtového spektra a na možnosti integrace a zpětné kompatibility s dalšími rádiovými přístupovými technologiemi (GSM, WCDMA/HSPA a TD-SCDMA).

Jakmile byl soubor požadavků dokončen, bylo 3GPP zpracováno několik studií s ohledem na proveditelnost různých technických řešení uvažovaných pro LTE a poté začaly práce na podrobných specifikacích. První vydání specifikací LTE (tj. vydání 8) bylo dokončeno na jaře roku 2008 a komerční služby začaly být nabízeny koncem roku 2009, kdy společnost TeliaSonera uvedla ve švédském Stockholmu a norském Oslu do provozu první komerční sítě LTE.

Současně s vývojem LTE probíhal také v rámci 3GPP vývoj síťové architektury označované termínem vývojová síťová architektura (System Architecture Evolution, SAE), zahrnující rádiovou přístupovou síť i transportní síť. Požadavky byly také nastaveny na vývojovou architekturu vedoucí k nové ploché architektuře rádiové přístupové sítě s jedním typem uzlu tj. eNodeB (což je v podstatě ekvivalent základnové stanice) stejně jako novou architekturu páteřní sítě. Výborný popis LTE architektury páteřní sítě, Evolved Packet Core, lze nalézt v [2].

LTE vydání 8

Základní techniky a možnosti pro technologii LTE zahrnují schéma vysílání tj. OFDM, kanálově závislé rozvrhování a přizpůsobování rychlosti, koordinaci vzájemného rušení mezi buňkami, hybridní požadavek automatického opakování (H-ARQ, Hybrid Automatic Repeat reQuest) a měkké kombinování, vysílání více anténami (multianténou) a flexibilitu kmitočtového spektra z hlediska šířky pásma rádiového kanálu a duplexního uspořádání.

Schéma vysílání

Vysílací schéma ve směru k uživatelům je založeno na konvenční modulační technice multiplexování s ortogonálním kmitočtovým dělením (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM), která je atraktivní hned z několika důvodů. Díky relativně dlouhým symbolům OFDM a v kombinaci s cyklickým prefixem, lze zajistit vysoký stupeň odolnosti vůči frekvenčně selektivním únikům, takže i poškozený signál pak lze na přijímací straně efektivně zpracovat. Nicméně složitost realizace v koncovém zařízení je přímo úměrná šířce rádiového kanálu. Významnou výhodou je možnost kombinace s prostorovým multiplexováním (podpora vícenásobné antény), takže lze dosahovat vysoké přenosové rychlosti. OFDM rovněž poskytuje přístup ke kmitočtové doméně, což umožňuje další stupeň svobody pro kanálově závislé rozvrhování v porovnání s rozvrhování v časové oblasti využívané u většiny systému 3G. K dalším výhodám patří možnosti flexibilnější šířky pásma a jednoduché realizace všesměrového a výběrového vysílání.

Přenos ve směru od uživatelů je také založen na OFDM, nicméně používají se trochu jiné techniky, aby se dosáhlo vyšší účinnost výkonového zesilovače koncového zařízení. Před modulátorem OFDM je umístěn předkodér DFT (diskrétní Fourierovy transformace) a takto upravený formát se označuje termínem DFTS-OFDM (DFT-spread OFDM), které se používá k obecnému popisu vysílacího schématu LTE ve směru od uživatelů. Využití DFTS-OFDM v LTE ve směru od uživatelů dovoluje ortogonální oddělení vysílání ve směru od uživatele také v kmitočtové oblasti. Ortogonální oddělení je mnoha ohledech výhodné, protože se vyhneme rušení mezi různými koncovými zařízeními při vysíláním ve směru od uživatelů v rámci jedné buňky.

V některých případech nemusí být přidělení velké šířky pásma pro vysílání z jednoho koncového zařízení efektivní strategií, protože přenosová rychlost je limitována hlavně dostupností vysílacího výkonu. V takových situacích lze využít vícenásobného přístupu, kdy se koncovému zařízení přidělí pouze část z celkově dostupné přenosové kapacity a ve zbývající části spektra může být rozvrženo současné vysílání z dalších koncových zařízení v rámci buňky. To znamená, že schéma vysílání ve směru od uživatelů dovoluje jak časové dělení (TDMA), tak kmitočtové dělení (FDMA) dostupné přenosové kapacity.

Kanálové závislé rozvrhování a přizpůsobení rychlosti

Základem schéma vysílání LTE je využití sdíleného kanálu, a to jak v kmitočtové, tak časové oblasti, který je dynamicky sdílen všemi uživateli v rámci buňky. Sdílený kanál je vhodný zejména pro datovou komunikaci s přepojováním paketů, kde se rychle mění požadavky na přenosovou kapacitu a umožňuje také některé další klíčové technologie, na kterých je LTE založena

Rozvrhovač (scheduler) neustále řídí a organizuje, kterému uživateli budou přiděleny jaké kmitočty nebo časové intervaly společně sdílených přenosových prostředků a rovněž určuje rychlost přenosu dat pro každé vysílání, takže přizpůsobení rychlosti lze chápat jako jednu z jeho funkcí. Rozvrhovač představuje klíčový prvek, který z velké části určuje celkovou výkonnost systému, což se projevuje zejména při vysokém zatížení sítě. Vysílání v obou směrech přenosu je v sítích LTE předmětem přesného rozvrhování dostupných přenosových prostředků na základě dynamicky se měnících požadavků uživatelů a tedy jejich velmi efektivního využití. Již žádné vyhrazené kanály jako v sítích GMS a UMTS. Pokud se navíc při rozvrhování – rozhodnutí o přidělení přenosových prostředků, berou v úvahu vlastnosti rádiového kanálu, jedná se o kanálově závislé rozvrhování. Díky využití OFDM v obou směrech přenosu má rozvrhovač přístup do časové i kmitočtové oblasti (obr. 2), takže pro každý kmitočet či časový interval může vybrat uživatele s nejvhodnějšími vlastnostmi rádiového kanálu.

Možnost kanálově závislého rozvrhování v kmitočtové oblasti je užitečná zejména při nižších přenosových rychlostech koncových zařízení, tj. když se kanál mění pomalu v čase. V případě služeb citlivých vůči zpoždění může rozvrhovač v časové oblasti omezit zpoždění, pomocí vynuceného přidělení přenosové kapacity konkrétním uživatelům i navzdory kvalitě kanálu, pokud tedy není síť nadměrně zatížena. V takových případech může ke zvýšení celkové výkonnosti systému napomoci také využití změn kvality kanálu v kmitočtové oblasti.

Nejmenší adresovatelnou informační jednotkou je fyzický zdrojový blok (Physical Resource Block, PRB) jehož délka 0,5 ms a obsahuje 12 dílčích kanálů OFDM (využívá pásmo o šířce 12 ´ 15 kHz = 180 kHz). Základní jednotkou pro rozvrhování je rozvrhovací blok (Scheduling Block, SB), který obsahuje dva po sobě jdoucí PRB. V sítích LTE lze přenosové prostředky přidělovat v časové oblasti po kroku 1 ms a kmitočtové oblasti po kroku 180 kHz, což dovoluje efektivní proces rozvrhování i při relativně rychlých změnách v časové i kmitočtové oblasti.

Při kanálově závislém rozvrhování ve směru k uživatelům poskytuje koncové zařízení síti zprávy o aktuálním stavu kvality rádiového kanálu ve směru k uživatelům v časové i kmitočtové oblasti. Informace o stavu kanálu se získávají měřením referenčních signálů vysílaných směrem k uživatelům a zpět do sítě jsou tyto informace odesílány ve formě zpráv CSI (Channel-State Information, CSI). V zásadě může být koncovému zařízení přidělena libovolná kombinace 180 kHz širokých zdrojových bloků v intervalu rozvrhování 1 ms.

Jak již bylo zmíněno i přenos LTE ve směru od uživatelů je založen na ortogonálním oddělení různých vysílání a je úkolem rozvrhovače ve směru od uživatelů přidělovat přenosové prostředky v časové i kmitočtové oblasti různým koncovým zařízením. K rozhodnutí rozvrhovače dochází každou 1 ms, přičemž se v rámci dané buňky určuje, jakým koncovým zařízením, na jakém kmitočtu a v jakém časovém intervalu bude dovoleno vysílat a jaké vysílací parametry, včetně přenosové rychlosti mají být použity. Stejně jako v případě rozvrhování ve směru k uživatelům mohou být vlastnosti rádiového kanálu vzaty v úvahu i při rozvrhování ve směru od uživatelů. Nicméně získávání informací o stavu kanálu ve směru od uživatelů nemusí být za všech okolností proveditelné nebo vhodné. Proto jsou jako doplněk důležité různé prostředky k získání diverzity ve směru od uživatele

Koordinace rušení mezi buňkami

LTE bylo navrženo tak, aby bylo možné provozovat buňku s jedním opětovně použitelným kmitočtem, což znamená, že v sousedních buňkách mohou být použity stejné prostředky v časové i kmitočtové oblasti. Zejména základní řídicí kanály jsou navrženy tak, aby řádně fungovaly i při relativně nízkém poměru signál-rušení (Signal to Interference Ratio, SIR), takže tyto kmitočty lze opětovně použít i v sousedních buňkách.

Z pohledu celkové účinnosti systému je přístup k celému kmitočtovému spektru v každé buňce a možnost opětovného použití kmitočtů vždy výhodná. Nicméně to může vést k relativně velkým změnám SIR a tedy značně ovlivňovat výkonnost sítě v oblasti pokrytí buňky a značně snižovat dosažitelné přenosové rychlosti na okrajích buňky. Výkonnost systému, a to zejména na okrajích pokrytí buňky, lze zlepšit pomocí koordinace rozvrhování mezi buňkami. Základním cílem takové koordinace rušení mezi buňkami (Inter-Cell Interference Coordination, ICIC) je, pokud je to možné, vyvarovat se souběžnému rozvrhování vysílání k/od koncovým zařízení v okrajových oblastech vzájemně sousedících buněk, protože se tak vyhneme nejhorším případům rušení.

Pro podporu takové koordinace rušení definuje specifikace LTE několik zpráv, které jsou přenášeny mezi základnovými stanicemi eNodeB prostřednictvím rozhraní X2. Tyto zprávy poskytují informace o rušení a strategii rozvrhování eNodeB odesílajícího zprávu a mohou být použity přijímajícím eNodeB jako vstup do jeho procesu rozvrhování.

Hybridní ARQ s měkkým kombinováním

Rychlý hybridní ARQ s měkkým kombinování se v sítích LTE používá, aby se koncovým zařízením umožnilo rychle požadovat opětovné vysílání v případě chybně přijatých transportních bloků a také jako nástroje pro vlastní přizpůsobení přenosové rychlosti. Opětovné vysílání může být rychle požadováno po každém odeslaném paketu, čímž se minimalizuje vliv na koncovou výkonnost díky chybně přijatých paketům. Neúspěšně přenesené pakety se nelikvidují, ale ukládají se do databáze přírůstkové redundance (Incremental Redundacy), protože i přes chyby poskytují určitý informační (entropický) obsah. Následně opakovaně vysílané blok se pak pomocí techniky měkkého kombinování (soft combining) vhodně sdružují s bloky uloženými v databázi, což snižuje počet opakování a zvyšuje pravděpodobnost úspěšného dekódování.

Techniky vysílání více anténami

Již prvním vydání LTE zahrnuje podporu různých technik vysílání více anténami jako integrální části specifikace rádiového rozhraní. V mnoha ohledech je použití více antén klíčovou technologií k dosažení mnohem vyšších cílů výkonnosti LTE. Vysílání více anténami může být použito různými způsoby a k různým účelům:

-   Pro zajištění přijímací diverzity může být použito několik přijímacích antén. Pro přenos ve směru od uživatele je tato technika využívána v buňkových systémech již po mnoho let. V koncových zařízeních LTE jsou základem dvojité přijímací antény, kde rovněž zlepšují výkonnost ve směru k uživatelům. Nejjednodušším způsobem využití vícenásobných přijímacích antén je klasická přijímací diverzita ke sbírání další energie a potlačení úniků, ale dalšího zisku lze dosáhnout ve scénářích s omezeným rušením, pokud jsou antény použity nejen k poskytování diverzity, ale také k potlačení vzájemného rušení.

-   Pro zajištění vysílací diverzity může být na základnové stanici použito několik vysílacích antén a různé typy tvarování vysílacího diagramu. Hlavním cílem tvarování vysílacího diagramu je zlepšit přijímaný poměr signálů vůči rušení a šumu (Signal to Interference-plus-Noise Ratio, SINR) a eventuálně tak zvýšit kapacitu a zlepšit pokrytí buňky.

-   Pro zajištění prostorová diverzity neboli prostorového multiplexování, někdy popisované jako MIMO (Multiple Input Multiple Output), se využívá několik antén v obou směrech přenosu LTE. Prostorové multiplexování dovoluje zvýšení přenosové rychlosti, i při omezené šířce pásma rádiového kanálu díky vytvoření několika samostatných paralelních kanálů. Kombinací prostorových vlastností s vhodným potlačením rušení na straně přijímače, může vysílat několik koncových zařízení na stejném kmitočtu ve stejném časovém intervalu, což významně navyšuje celkovou přenosovou kapacitu buňky.

Obecně platí, že pro různé scénáře jsou vhodné různé techniky vícenásobné antény. Například při relativně nízkém SINR, jako při vysokém zatížení sítě nebo na okraji buňky, poskytuje prostorové multiplexování relativně omezené výhody. U scénáře vícenásobné antény na vysílací straně může být ke zlepšení SINR použito tvarování směrového vysílacího diagramu. U případů, kde je relativně vysoký SINR, např. v malých buňkách, přináší další zlepšení kvality signálu s ohledem na dosažitelné přenosové rychlosti relativně malý zisk, protože ty jsou pak limitované spíše šířkou pásma, než SINR. U takových scénářů bude prostorové multiplexování místo toho využito pro plné využití dobrých podmínek kanálu. Použité schéma vícenásobné antény určuje základnová stanice, která tak může zvolit vhodné schéma pro každé vysílání. V LTE vydání 8 mohou být až čtyři vrstvy prostorového multiplexování, další vydání budou dále zvyšovat možnosti vícenásobné antény, jak bude popsáno později.

Flexibilita kmitočtového spektra

Jednou hlavních charakteristik technologie rádiového přístupu LTE je vysoký stupeň flexibility kmitočtového spektra. Cílem je umožnit zavádění LTE v různých kmitočtových pásmech s různými charakteristikami, včetně různých duplexních uspořádání a různých šířkách dostupného kmitočtového spektra. Jedním z nejdůležitějších požadavků LTE z hlediska flexibility kmitočtového spektra je možnost zavádět systémy LTE v párovaných i nepárovaných pásmech, protože LTE podporuje duplex s kmitočtovým dělením (Frequency-Division Duplex, FDD) i duplex s časovým dělením (Time-Division Duplex, TDD).

Provoz v párovaném i nepárovaném kmitočtovém pásmu byl podporován 3GPP již před zavedením LTE, tj. FDD režim WCDMA/HSPA v kombinaci s TDD režimem TD-SCDMA. To však bylo realizováno relativně odlišnými technologiemi, což vedlo k různým problémům a nadměrné složitosti při návrhu a realizaci koncového zařízení s oběma provozními režimy. LTE na druhou stranu podporuje oba provozní režimy v rámci jedné rádiové přístupové technologie, což vede k minimalizaci odchylek při realizaci FDD a TDD v rámci sítě LTE. Kromě toho režim TDD, označovaný také TD-LTE, byl navržen s ohledem na koexistenci mezi TD-LTE a TD-SCDMA a byl zamýšlen tak, aby se zjednodušila postupná migrace z TD-SCDMA na TD-LTE.

LTE podporuje v koncových zařízeních také poloduplexní FDD, kde je vysílání a příjem ve specifických koncových zařízeních odděleno jak v kmitočtové, tak v časové oblasti. Základnová stanice bude pořád používat plný duplex FDD a zároveň může rozvrhovat kapacitu různým koncovým zařízením ve směru k i od účastníků; podobně jako např. v sítích GSM. Hlavní výhodou poloduplexního FDD je snížení složitosti koncového zařízení, protože v koncovém zařízení není potřeba duplexní filtr (pro oddělení duplexního provozu). To je výhodné zejména v případě koncových zařízení s několika kmitočtovými pásmy, které jinak potřebují několik duplexních filtrů.

Důležitou charakteristikou LTE je také možnost přenosu v různých šířkách kmitočtového pásma a to v obou směrech přenosu. Hlavním důvodem je, že množství dostupného kmitočtového spektra pro zavádění služeb LTE se může v závislosti na kmitočtovém pásmu a také konkrétní situaci mobilního operátora značně lišit. Kromě toho možnost provozu v různých přidělených kmitočtových pásmech umožňuje postupnou migraci kmitočtového spektra z dalších technologií rádiového přístupu jako GSM či UMTS.

K efektivní podpoře velmi vysokých přenosových rychlostí, když je spektrum dostupné, je potřeba široké kmitočtové pásmo. Nicméně, dostatečné široké kmitočtové pásmo nemusí být vždy dostupné, v tom případě LTE může být provozováno v několika užších kmitočtových pásmech současně. Maximální dosažitelné přenosové rychlosti bude samozřejmě s ohledem na to nižší.

Specifikace LTE pro základní rádiový přístup zahrnující fyzickou vrstvu a protokoly, definuje šířku pásma rádiového kanálu v rozsahu zhruba od 1 MHz až do 20 MHz. Jinak ovšem specifikace s ohledem na podporované šířky pásma mimo tyto meze nic neříkají. Definován je pouze limitovaný soubor šířek pásma rádiového kanálu, odpovídající předpokládané velikosti přidělovaného spektra a relevantním scénářům migrace. Čili zatím technologie rádiového přístupu LTE podporuje limitovaný soubor šířek pásma rádiového kanálu, ale pokud toho bude třeba, mohou být v dalších vydáních snadno zavedeny další.

LTE vydání 9

Po dokončení prvního vydání LTE pokračovali v rámci 3GPP práce na zavedení dalších funkcí v druhém vydání LTE specifikací tj. vydání 9. K hlavním vylepšením ve vydání 9, které bylo dokončeno koncem roku 2009, byla podpora výběrového vysílání, služby určování pozice s asistencí sítě a vylepšení tvarování vysílacího diagramu ve směru k uživatelům.

Výběrové a všesměrové vysílání

Multibuňkové vysílání znamená, že stejné informace jsou vysílány současně z několika vysílacích stanovišť (buněk). Koncové zařízení pak může pro detekci efektivně využívat výkon signálu z několika vysílacích stanovišť, díky čemuž lze dosáhnout pokrytí nebo vyšší přenosové rychlosti. Při vysílání synchronizovaných identických signálů z několika vysílacích stanovišť (se stejným kódováním a modulací), se signál bude koncovému zařízení jevit stejně jako signál vysílaný z jedné buňky za podmínek vícecestného šíření. Díky odolnosti OFDM vůči vícecestnému šíření, jako je multibuňkové vysílání, které je v 3GPP zmiňované jako jednofrekvenční síť s výběrovým a všesměrovým vysíláním (Multicast/Broadcast Single Frequency Network, MBSFN), bude potom možné nejen zlepšit úroveň přijímaného signálu, ale také eliminovat vzájemné rušení mezi buňkami. Výkonnost multibuňkového výběrového a všesměrového vysílání pak bude limitována pouze šumem. Nicméně z hlediska sítě to klade vyšší nároky na synchronizaci a časové vyrovnání signálů vysílaných z různých vysílacích stanovišť.

Určování pozice

Určování pozice se týká schopnosti rádiové přístupové sítě určit pozici jednotlivých koncových zařízení. Pro určení pozice koncového zařízení lze v zásadě využít přijímač GPS, ale i když je to celkem běžná vlastnost, ne všechna koncová zařízení musí být vybavena přijímačem GPS a mohou existovat případy, kde služba GPS není dostupná. LTE vydání 9 z toho důvodu zavádí podporu vlastního určování pozice v rámci rádiové přístupové sítě. Poloha koncového zařízení může být určena pomocí měření speciálních referenčních signálů vysílaných pravidelně z různých vysílacích stanovišť.

Dvouvrstvé tvarování vysílacího diagramu

LTE Vydání 9 vylepšuje také podporu pro kombinaci prostorového multiplexování a tvarování vysílacího diagramu. Ačkoliv kombinace tvarování vysílacího digramu a prostorového multiplexování byla již možná v rámci vydání 8, byla omezena na předkódování založeném na seznamu kódu. Ve vydání 9 může být prostorové multiplexování kombinováno i s předkódování, které není založeno na seznamu kódů, čímž se zvyšuje flexibilita pro zavádění různých schémat vícenásobné antény. Tato vylepšení lze brát jako základ pro další zdokonalení v rámci LTE vydání 10.

LTE-Advanced vydání 10

V ITU se pro technologie rádiového přístupu z hlediska výkonnosti nad IMT-2000 používá termín IMT-Advanced. Prvním krokem ITU bylo definování souboru požadavků, které musí jakákoliv technologie IMT-Advanced splňovat. To zahrnuje požadavky jako je podpora šířky pásma rádiového kanálu přinejmenším 40 MHz, spektrální účinnost ve směru k uživateli 15 bit/s/Hz a 6,75 bit/s/Hz ve směru od uživatele (to odpovídá maximální přenosové rychlosti 600 resp. 270 Mbit/s) a čekací doba na řídicí a uživatelské rovině menší než 100 ms resp. 10 ms.

Jedním z hlavních cílů LTE vydání 10 bylo zajistit, aby technologie rádiového přístupu LTE plně odpovídala požadavkům IMT-Advanced; proto je také pro LTE vydání 10 často používán název LTE-Advanced. 3GPP však pro LTE vydání 10 definovala také své vlastní požadavky a cíle, které jsou ve srovnání s požadavky ITU jednak přísnější (viz tabulka 1) a navíc zahrnují i další požadavky. Jedním z nejdůležitějších požadavků je zpětná kompatibilita, v podstatě to znamená, že koncová zařízení podle dřívějších vydání bude vždy schopna přístupu k základnovým stanicím podporující LTE vydání 10, i když samozřejmě nebudou schopny využívat nové funkce přidané v LTE vydání 10. Vzhledem očekávanému budoucímu masovému rozšíření byly pro LTE-Advanced vyčleněny ještě následující kmitočtová pásma:

-        450 až 470 MHz,

-        698 až 862 MHz,

-        790 až 862 MHz,

-        2,3 až 2,4 GHz,

-        3,4 až 4,2 GHz,

-        4,4 až 4, 99 GHz.

LTE vydání 10 bylo dokončeno koncem roku 2010 a vylepšuje flexibilitu kmitočtového spektra díky možnosti sdružení několika rádiových kanálů, rozšiřuje možnosti vícenásobné antény, zavádí podporu retranslace a poskytuje vylepšení v oblasti koordinace vzájemného rušení mezi buňkami a zavádí vícenásobné pokrytí heterogenní sítě.

Sdružení rádiových kanálů

Již první vydání LTE zahrnovalo rozsáhlou podporu pro přidělování různých kmitočtových pásem s šířkou pásma v rozsahu od 1 MHz do 20 MHz pro párovaná i nepárovaná pásma, tj. v režimu FDD i TDD. V LTE vydání 10 je rozsah šířky rádiového kanálu dále rozšířen prostřednictvím agregace rádiových kanálů (Carrier Agregation), kde je několik jednotlivých rádiových kanálů sdruženo a společně využíváno pro přenos dat k i od jednoho koncového zařízení. Celkem může být sdruženo až pět jednotlivých (kompozitních) rádiových kanálů, které mohou využívat různá kmitočtová pásma, přičemž agregovaný rádiový kanál může mít šířku až 100 MHz. Opět je zajištěna zpětná kompatibilita pro každý jednotlivý rádiový kanál, který využívá stejnou strukturu jako v LTE vydání 8. Z toho důvodu se koncovému zařízení podle LTE vydání 8/9 bude každý jednotlivý rádiový kanál jevit jako samostatný rádiový kanál podle LTE vydání 8, zatímco koncové zařízení s možností agregace rádiových kanálů bude moci využívat větší šířku kmitočtového pásma a tudíž poskytovat vyšší přenosové rychlosti. Obvykle může být ve směru k i od uživatele agregován různý počet rádiových kanálů. Jak ukazuje obr. 3 z hlediska umístění v kmitočtových pásmech lze sdružování rádiových kanálů klasifikovat ve třech případech:

-        spojité vnitropásmové sdružení rádiových kanálů,

-        nespojité vnitropásmové sdružení rádiových kanálů,

-        mimopásmové sdružení rádiových kanálů.

Možnost mimopásmového sdružení je pro mobilní operátory zvláště výhodné, protože i s fragmentovaným kmitočtovým pásmem budou moci poskytovat vysokorychlostní datové služby pouze na základě dostupnosti celkové šířky pásma přidělených kmitočtů. To bude umožňovat sdružení jednotlivých rádiových kanálů v různých kmitočtových pásech (např. 900, 1800, 2100, 2600 MHz) do jednoho agregovaného rádiového kanálu. Z obecného pohledu není mezi jednotlivými případy rozdíl, všechny jsou podporované LTE vydání 10. Nicméně skutečná realizace je otázkou složitosti rádiového transceiveru, tj. spojité vnitropásmové sdružení rádiových kanálů je nejjednodušší. Ačkoliv je tedy sdružení rádiových kanálů podporováno základními specifikacemi, možnosti LTE vydání 10 budou značně omezeny a budou zahrnovat limitovaný počet scénářů sdružování, přičemž s podporou mezipásmové agregace se počítá pouze u nejmodernějších luxusních koncových zařízení, na druhé straně spojité vnitropásmové sdružení by mělo být běžně podporovanou možností.

Rozšíření vícenásobné antény

V LTE vydání 10 je prostorové multiplexování ve směru k uživatelům rozšířeno na podporu až osmi přenosových vrstev. Společně s tím byla pro podporu různých řešení tvarování vysílacího diagramu zdokonalena i struktura referenčních signálů, což lze brát jako rozšíření dvojvrstvého tvarování vysílacího diagramu specifikovaného v LTE vydání 9 pro podporu až osmi anténních portů a osmi odpovídajících vrstev. Společně s podporovou sdružením rádiových kanálů to umožňuje přenosové rychlosti ve směru k uživateli až 3 Gb/s neboli spektrální účinnost až 30 bit/s/Hz.

Součástí je rovněž prostorové multiplexování ve směru od uživatele až ve čtyřech vrstvách. Obsahuje schéma založené na seznamu kódů (codebook) řízené základnovou stanicí což znamená, že struktura může být použita také pro tvarování vysílacího diagramu ve směru od uživatelů. Společně s možností sdružení rádiových kanálů ve směru od uživatele to umožňuje přenosové rychlosti až 1,5 Gb/s neboli spektrální účinnost 15 bit/s/Hz.

Koordinace vysílání a příjmu několika buněk

Koordinace vysílání a příjmu několika buněk (Coordinated Multipoint transmission and reception, CoMP) zahrnuje různé techniky dynamické koordinace při současném vysílání nebo příjmu geograficky oddělených základnových stanic. Základní myšlenkou je CoMP je využití přesné koordinace mezi vysíláním různých základnových stanic, čímž lze dosáhnout vyšší výkonnosti sítě, zejména vyšší přenosové rychlosti na okrajích buňky. Schémata koordinace lze rozdělit do dvou kategorií, které lze použít samostatně nebo v kombinaci:

-        koordinace dynamického rozvrhování mezi několika buňkami,

-        společné vysílání a příjem z několika základnových stanic.

CoMP lze brát jako rozšíření koordinace rušení mezi buňkami definované již v LTE vydání 8. V LTE-Advanced může být koordinace využita i z hlediska rozvrhování při vysílání základnových stanic z různých vysílacích stanovišť, čímž lze dosáhnout mnohem účinnější koordinaci rušení mezi buňkami. Rovněž může být vysílání ke koncovému zařízení realizováno současně z několika buněk, což umožňuje nejen snížit rušení, ale také zvýší přijímaný výkon. Vysílání ze základnových stanic může brát také v úvahu okamžitou kvalitu kanálu, což lze dosáhnout tvarování vyzařovacího diagramu z několika buněk nebo předkódováním. Odhad kvality kanálu požadovaný pro demodulaci vysílání ve směru k uživateli může být získán pomocí referenčních signálů specifické buňky nebo referenčních signálu specifického uživatelského zařízení.

Techniku CoMP lze použít i ve směru od uživatele, kdy několik základnových stanic přijímá současně signály z jednoho nebo více koncových zařízení. CoMP ve směru od uživatele se v zásadě podobá měkčímu předávání (Handover) použitému již v sítích WCDMA. Přijímané signály mohou být zpracovány např. technikou kombinování na maximální poměr (Maximum Ratio Combining, MRC) nebo kombinování zaměřeným na potlačení vzájemného rušení (Interference Rejection Combining, IRC).

Retranslace

Retranslace znamená, že koncové zařízení komunikuje se sítí prostřednictvím předsunuté retranslační stanice, která je rádiově propojena s mateřskou základnovou stanice pomocí technologie LTE (viz obr. 4). Z pohledu koncového zařízení se retranslační stanice jeví jako normální základnová stanice. Tato možnost poskytuje významnou výhodu pro zjednodušení koncového zařízení a kromě toho je retranslační stanice zpětně kompatibilní – tj. umožňuje přístup i pro koncová zařízení podle LTE vydání 8/9.

Retranslační stanice je v podstatě základnová stanice s malým výkonem (podobně jako dokrývač ve v sítí zemského televizního vysílání) rádiově propojená se zbytkem mobilní sítě. Jednou ze zajímavých vlastností retranslace je páteřní rádiový LTE spoj, který poskytuje jednoduchý způsob zlepšení pokrytí (např. ve vnitřních prostorách) jednoduchým umístěním retranslační stanice do problémové oblasti. V další fázi, pokud to bude vyžadovat provozní zatížení mobilní sítě, mohou být páteřní rádiové LTE spoje mezi retranslační a mateřskou základnovou stanicí nahrazeny optickým vláknem, tím se ušetří drahocenné kmitočtové spektrum pro komunikaci koncových zařízení namísto obsluhy retranslační stanice.

Heterogenní pokrytí

Heterogenní pokrytí se týká smíšení (překrývání) buněk s různým vysílacím výkonem ve směru k uživatelům, provozovaných (zčásti) na stejných kmitočtech s překrývajícím se geografickým pokrytím. Obr. 5 ukazuje typický příklad heterogenního pokrytí s pikobuňkou umístěnou v rámci pokrytí makrobuňky. I když je takový scénář podporován již rámci LTE vydání 8, LTE vydání 10 přináší zdokonalené zpracování vzájemného rušení mezi buňkami, přičemž se soustředí na scénáře s velkým rozdílem mezi úrovněmi vysílaného signálu mezi překrývajícími se buňkami.

Závěr

Technologie rádiového přístupu LTE podle vydání 8/9 (3,9G) nabízí vysoce flexibilní rádiové rozhraní, které splňuje mnoho výkonnostních cílů IMT-Advanced a podporuje přenosové rychlosti ve směru k uživatelům až 300 Mb/s a ve směru od uživatelů 75 Mb/s. Následná vývojová generace LTE podle vydání 10 (4G), označovaná jako LTE-Advanced, přináší další zdokonalení, často nad požadavky IMT-Advanced, přičemž je zajištěna zpětná kompatibilita s předchozími vydáními LTE.

Nové technologické možnosti LTE-Advanced zahrnují např. sdružování rádiových kanálů v sousedícím i fragmentovaném kmitočtovém spektru v celkové šířce až 100 MHz, zdokonalují možnosti vícenásobné antény s až osmi vrstvami ve směru k uživatelům a až čtyřmi vrstvami ve směru od uživatelů. Novou možností je retranslace a heterogenní pokrytí k vylepšení pokrytí a zvýšení přenosových rychlostí na okrajích buňky a lepší koordinace vzájemného rušení díky koordinace vysílání a příjmu z několika buněk. Při jejich zavádění je však třeba brát v úvahu, že všechny popisované technologie LTE-Advanced zvyšují složitost návrhu a realizace koncových zařízení i základnových stanic. V současné době probíhají různé testy, které již prokázaly očekávanou výkonnost a první sítě uvedené do komerčního provozu se očekávají v roce 2013.

Další vývojová fáze tj. LTE vydání 11, na které se v současnosti pracuje, bude specifikovat technické požadavky IP propojení služeb a to jak pro multimediální služby IMS, tak pro hlasové služby PSTN/PLMN přepravované přes IP infrastrukturu. Konkrétně to zahrnuje přímé IP propojení mezi národními operátory, novou generaci IP propojení podnikových sítí, IP propojení hlasových služeb (např. bezplatné, zpoplatněné a tísňová volání) a IP propojení mezi operátory a poskytovateli aplikací. K dispozici by specifikace LTE vydání 11 měla být začátkem roku 2013.

Jaroslav Hrstka

LITERATURA

[1] 3GPP, 3rd generation partnership project: Technical specification group radio access network; Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN (Release 7) 3GPP TR 25.913.

Dostupné z: www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/25913.htm.

[2] Olsson, M., Sultana, S., Rommer, S., Frid, L., Mulligan, C.: SAE and the Evolved Pacekt Core – Driving the Mobile Broadband Revolution, Academic Press, 2009.

[3] Holma, H., Toskala, A.: LTE for UMTS OFDMA and SC-FDMA Based Radio Access, John Wiley & Sons, 2009.

[4] Dahlman, E., Parkvall, S., Sköld, J.: 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband, Academic Press, 2011.

[5] Žalud, V.: Systém mobilní komunikace pro dlouhodobou evoluci LTE/SAE. Sborník přednášek Radiokomunikace 2009, UNIT spol. s r.o. Pardubice, listopad 2009.

[6] LTE-Advanced – The future of mobile broadband, Teleca, May 2010. Dostupné z: http://www.teleca.com/Home/news_room/Whitepapers.aspx.

2G/3G/LTE | Bezdrátové sítě | LTE- Advanced