Логические каналы по типу передаваемой информации делятся на логические каналы управления и логические каналы трафика. Логические каналы управления используются для передачи различных сигнальных и информационных сообщений. По логическим каналам трафика передают пользовательские данные. В нисходящем направлении определены пять управляющих логических каналов:

Broadcast Control Channel (BCCH) – канал, по которому передают системную информацию всем пользователям (UE), находящимся в соте. Перед входом в систему пользовательское устройство считывает информацию, которая передается по каналу BCCH, и определяет параметры сети.

Paging Control Channel (PCCH) – канал для передачи пейджинговых сообщений, которые передаются пользовательским устройствам, местоположение которых не определено с точностью до соты.

Common Control Channel (CCCH) – общий канал управления, предназначенный для решения общих для всех пользовательских терминалов задач.

Dedicated Control Channel (DCCH) – индивидуальный выделенный канал управления для обмена командными сообщениями с пользовательским терминалом.

Multicast Control Channel (MCCH) – канал передачи групповой служебной информации. Используется для передачи служебной информации необходимой при приеме канала MTCH.

И два трафиковых логических канала:

Multicast Traffic Channel (MTCH) – канал передачи трафика для выделенной группы пользовательских терминалов, используется для передачи услуги мультимедийного вещания MBMS.

Dedicated Traffic Channel (DTCH) – выделенный канал типа "точка-точка" для передачи пользовательских данных. Предназначен только для одного пользовательского терминала.

На рис. 2 приведена классификация логических каналов.

Рис. 2 Классификация логических каналов

Транспортные каналы

Информацию логических каналов после обработки на RLC/MAC уровнях размещают в транспортных каналах для дальнейшей передачи по радио интерфейсу в физических каналах. Транспортный канал определяет, как и с какими характеристиками происходит передача информации по радио интерфейсу. Информационные сообщения на транспортном уровне разбивают на транспортные блоки. В каждом временном интервале передачи (Transmission Time Interval, TTI) по радио интерфейсу передают хотя бы один транспортный блок. При использовании технологии MIMO возможна передача до четырех блоков в одном TTI.

Определены следующие транспортные каналы:

Broadcast Channel (BCH) – транспортный вещательный канал для передачи информации логического канала BCCH, имеет фиксированный формат.

Paging Channel (PCH) – транспортный канал для передачи информации логического канала PCCH. Данный канал поддерживает прием с перерывами (режим Discontinuous Reception, DRX), что позволяет пользовательскому устройству дольше сохранять заряд батареи.

Downlink Shared Channel (DL-SCH) – транспортный канал с разделением пользователей, который используется для передачи информации "вниз". Данный канал поддерживает адаптацию скорости передачи, планирование передач во временной и частотной области, модифицированный автоматический запрос на повторную передачу непринятых пакетов (Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ), а также режим DRX.

Multicast Channel (MCH) – транспортный канал групповой передачи, используется для поддержки услуг мультимедийного вещания MBMS.

Uplink Shared Channel (UL-SCH) – транспортный канал с разделением пользователей "вверх", аналогичный каналу DL-SCH.

Random Access Channel (RACH) – транспортный канал случайного доступа. Используется для передачи запросов на подключение к сети, при хэндовере (handover, HO), для восстановления синхронизации "вверх".

На рис. 3 приведена классификация транспортных каналов.

Рис. 3 Классификация транспортных каналов

Физические каналы

В LTE определены следующие физические каналы:

Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) – физический канал для передачи информации "вниз" с разделением пользователей. Используется для передачи информации каналов DL-SCH и PCH.

Physical Downlink Control Channel (PDCCH) – физический канал управления "вниз". Используется для передачи информации о назначении канального ресурса для передачи транспортных блоков каналов PCH, DL-SCH, UL-SCH и HARQ информации, относящейся к каналу DL-SCH. Также по этому каналу передаются ответы на запросы на доступ к сети. Передача осуществляется с помощью модуляции 4-ФМ.

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) – физический канал для передачи HARQ ACK/NACK в ответ при передаче информации "вверх".

Physical Broadcast Channel (PBCH) – физический канал передачи вещательной информации.

Physical Multicast Channel (PMCH) – физический канал групповой передачи пакетов мультимедийного вещания.

Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) – физический канал передачи формата, который используется для канала PDCCH.

Physical Random Access Channel (PRACH) – физический канал передачи запросов случайного доступа.

Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) – физический канал передачи пользовательского трафика и сигнализации Uplink Control Information (UCI).

Physical Uplink Control Channel (PUCCH) – физический канал передачи сигнализации UCI в отсутствии канала PUSCH.

На рисунке 4 и 5 приводится взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в нисходящем направлении и восходящем направлении (от eNodeB к UE).

Рис. 4 Взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в нисходящем направлении

Рис. 5 Взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в восходящем направлении

Механизм диспетчеризации и адаптация канала связи

В отличие от предыдущих коммуникационных технологий, использовавших пакетную передачу данных с традиционной структурой пакета, в LTE применяется передача по слотам, в которых нет ни традиционной преамбулы, ни символов контроля четности. Для повышения эффективности использования выделенной базовой станции полосы частот в LTE используется диспетчеризация сетевых ресурсов.

Под диспетчеризацией понимается процесс распределения сетевых ресурсов между пользователями, передающими данные. В технологии LTE предусмотрена динамическая диспетчеризация в восходящем и нисходящем каналах.

Целью диспетчеризации является сбалансированность качества связи и общей производительности системы. В радио интерфейсе LTE реализована функция диспетчеризации в зависимости от состояния канала связи. Она обеспечивает передачу данных на повышенных скоростях (за счет использования модуляции более высокого порядка, уменьшения степени кодировки каналов, передачи дополнительных потоков данных и меньшего числа повторных передач), задействуя для этого временные и частотные ресурсы с относительно хорошими условиями связи. Таким образом, для передачи любого конкретного объема информации требуется меньше времени. Частотно-временная сетка OFDM помогает выбирать ресурсы в частотной и временной областях.

Для трафика сервисов, пересылающих пакеты с небольшой полезной нагрузкой и через одинаковые промежутки времени, объем трафика сигнализации, необходимой для динамической диспетчеризации, может превышать объем переданной пользователем информации. Поэтому в LTE также имеется функция статической диспетчеризации (в дополнение к динамической). Под статической диспетчеризацией понимается выделение пользователю радиочастотного ресурса для передачи определенного числа подкадров.

Механизмы адаптации канала нужны для того, чтобы «выжать все возможное» из канала с изменяющимся качеством связи. Такой механизм «выбирает» схемы модуляции и канального кодирования в соответствии с условиями связи. От его работы зависят скорость передачи данных и вероятность возникновения ошибок в канале.

Регулирование мощности в восходящем канале

Речь идет об управлении уровнем излучаемой терминалами мощности для того, чтобы увеличить емкость сети, расширить зону радио покрытия, повысить качество связи и снизить энергопотребление. Для достижения перечисленных целей механизмы регулирования мощности, как правило, добиваются максимального увеличения уровня полезного принимаемого сигнала при одновременном снижении уровня радиопомех.

Сигналы в восходящем канале LTE являются ортогональными, а значит, взаимные радиопомехи между пользователями одной соты отсутствуют —по крайней мере, при идеальных условиях радиосвязи. Уровень помех, создаваемый пользователям соседних сот, зависит от местоположения излучающего мобильного терминала, а точнее, от уровня затухания его сигнала на пути к этим сотам. Вообще говоря, чем ближе терминал к соседней соте, тем выше уровень создаваемых им помех в ней. Соответственно терминалы, находящиеся на более далеком расстоянии от соседней соты, могут передавать сигналы большей мощности, чем терминалы, расположенные рядом с ней.

Ортогональность сигналов в восходящем канале LTE позволяет мультиплексировать сигналы терминальных устройств разной мощности в этом канале в одной и той же соте. Это означает, что вместо компенсации всплесков уровня сигнала, возникающих вследствие многолучевого распространения радиоволн (путем снижения излучаемой мощности), их (всплески) можно использовать для увеличения скорости передачи данных посредством механизмов диспетчеризации и адаптации канала связи.

Повторная передача данных

Практически в любой системе связи время от времени возникают ошибки при пересылке данных – например, из-за шумов, помех и замирания сигнала. Для защиты от ошибок применяются методы повторной передачи искаженных или утраченных частей данных, предназначенные для гарантии качества связи. Чем эффективнее организован протокол повторной передачи, тем рациональнее используются радио ресурсы. Для максимально полного использования высокоскоростного радио интерфейса в технологии LTE реализована динамическая эффективная двухуровневая система повторной передачи, реализующая протокол Hybrid ARQ (Automatic Repeat Query), или HARQ, с небольшими накладными расходами на обратную связь и повторную посылку данных, который дополнен высоконадежным протоколом селективного повтора ARQ.

Протокол HARQ предоставляет приемному устройству избыточную информацию, дающую ему возможность исправлять определенную часть ошибок. Повторные передачи по протоколу HARQ создают дополнительную информационную избыточность, нужную в том случае, если для устранения ошибок первой передачи оказалось недостаточно. Повторная передача пакетов, не исправленных протоколом HARQ, осуществляется посредством протокола ARQ.

Данное решение обеспечивает малую задержку передачи пакетов с небольшими накладными расходами, при этом надежность связи гарантируется. Большинство ошибок обнаруживаются и исправляются с помощью протокола HARQ. Поэтому повторная передача данных по протоколу ARQ (что связано с большими накладными расходами и повышает время задержки передачи пакетов) происходит лишь изредка.

В технологии LTE оконечным узлом, поддерживающим протоколы HARQ и ARQ, является базовая станция, обеспечивающая тесную связь уровней протоколов HARQ и ARQ. К разнообразным преимуществам такой архитектуры относятся быстрое устранение ошибок, оставшихся после работы HARQ, и регулируемый объем данных, передаваемых с использованием протокола ARQ.

Канальный ресурс и его характеристики

На физическом уровне (на радио интерфейсе) в E-UTRAN используют технологию OFDM с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом число поднесущих частот в рабочей полосе 20 МГц составляет 1200.

Для взаимной синхронизации E-UTRAN и UTRAN используют тактирование с длительностью временной единицы T_s = 1/(15000×2048)c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр (подкадр) – всего 10 субкадров, от 0 до 9 (рис. 6). Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). На рис. 7. показаны структуры кадров с FDD и TDD.

Рис. 6 Структура кадра типа 1

Рис. 7. Структура кадра при частотном и временном дуплексе

При частотном дуплексе в каждом субкадре идет одновременная передача вверх (UL) и вниз (DL) в разных частотных полосах. При временном дуплексе в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U). Кроме того, есть специальные (переходные) субкадры (S), состоящие из трех полей: DwPTS – поля передачи вниз, UpPTS – поля передачи вверх и защитного интервала (GP). В сетях LTE согласно спецификациям возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (рис. 8).

Рис. 8. Конфигурации кадра при временном дуплексе

Так как число символов в поле вниз DwPTS специального субкадра гораздо больше количества символов в поле вверх UpPTS, то при оценке относительного времени передачи DL:UL на рис. 8 специальные субкадры относим к субкадрам передачи вниз.

В сетях LTE с временным дуплексом суммарная пропускная способность в рабочей полосе делится между потоками вниз и вверх в соответствии со сценариями на рис. 8. Это позволяет оператору менять конфигурацию кадра в зависимости от реальной картины трафика, который, как правило, асимметричен. Для сетей LTE с временным дуплексом выделены полосы частот в диапазоне от 1900 до 3800 МГц [1, гл. 3.2], что предполагает использование этого варианта дуплекса в микро, пико и фемтосотах.

При расстоянии между поднесущими ∆F = 15 кГц длина OFDM-символа составляет 1/∆F ≈ 66,7 мкс. В каждой половине субкадра (слоте длиной 0,5мс) передают 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от длительности циклического префикса СР (cyclic prefix) ‒ активной паузы между символами. Длительность циклического префикса T_CP составляет 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс перед остальными символами. Возможен вариант использования расширенного СР длительностью 512Тs ≈16,7мкс. В этом случае в одном субкадре размещают 6-OFDM символов.

Весь канальный ресурс разделяют на ресурсные блоки (РБ). Ресурсный блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц и одного временного слота (7 или 6 OFDM-символов на интервале 0,5 мс). При передаче вниз, от eNB к UE, каждый ресурсный блок состоит из 12×7 = 84 РЭ (при нормальном СР). Ресурсный элемент (РЭ) характеризуется 2-мя параметрами {k,l}, где k определяет номер поднесущей, а l ‒ номер символа в ресурсном блоке. Каждый OFDM-символ состоит из k РЭ, где k – количество поднесущих в выделенных ресурсных блоках. Часть ресурсных элементов используют для передачи опорных (reference) символов (рис. 9). Выделяемый канальный ресурс определяют числом ресурсных блоков или групп ресурсных блоков.

Реальная скорость передачи данных уменьшается из-за передачи опорных символов и управляющих каналов. Опорные символы (CRS – Cell-specific Reference Signals) используют для организации когерентной демодуляции и оценки каналов. При работе нескольких передающих антенн каждой антенне выделены определенные РЭ для передачи опорных символов. Снижение пропускной способности ресурсного блока (в процентах) из-за передачи опорных символов приведено в табл. 1.

Рис. 9. Структура ресурсного блока при передаче вниз

Таблица 1 Снижение пропускной способности

Нормальный СР

Расширенный СР

1 перед. антенна

4,76

5,56

2 перед. антенны

9,52

11,11

4 перед. антенны

14,29

15,87

При выделении канального ресурса вверх используют те же понятия ресурсного блока (12 поднесущих общей полосой 180 кГц в слоте), и субкадров длительностью 1 мс с 7 или 6 OFDM-символами в каждом слоте. Пример распределения канального ресурса между разными абонентами (User) проиллюстрирован на рис. 10.

Рис. 10. Распределение канального ресурса вверх

При передаче вверх используют модифицированную технологию OFDM, а фактически организуют передачу широкополосного сигнала на одной несущей. Цель данного метода состоит в том, чтобы уменьшить пик-фактор передаваемого сигнала, поскольку высокий пик-фактор является существенным недостатком технологии OFDM. С этой целью до формирования сигнала OFDM осуществляют прямое быстрое (дискретное) преобразование Фурье передаваемого сигнала (БПФ), после которого переходят к OFDM. Такая технология получила название БПФ-OFDM или SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access).

Абонентский трафик передают блоками, которые размещают в субкадрах. Структура субкадра вниз (кроме 0 и 5 субкадров) приведена на рис. 11. В начале каждого субкадра размещают каналы управления: PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) – канал, где указано, сколько OFDM-символов выделено в субкадре для передачи управляющих каналов (от 1 до 4 OFDM-символов), PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel) – канал для передачи подтверждений (неподтверждений) принятых в предыдущих субкадрах блоков трафика вверх (от UE) и PDCCH (Physical Downlink Control Channel) – канал для передачи информации о выделении ресурсных блоков и форматах передачи в канале с разделением пользователей вниз PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) и каналах вверх PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) и PUCCH (Physical Uplink Control Channel) [8].

Остальную часть субкадра вниз занимает канал PDSCH, где размещают пакеты (блоки) трафика, вызовы абонентов (пейджинг), ответы eNB на запросы мобильных терминалов на доступ к сети, а также блоки системной информации SIB (System Information Blocks).

Рис. 11. Распределение канального ресурса в субкадре вниз

В субкадрах 0 и 5, кроме указанных каналов, передают 2 синхронизирующих сигнала: первичный PSS (Primary Synchronization Signal) и вторичный SSS (Secondary Synchronization Signal), а в нулевом субкадре еще канал передачи системной информации PBCH (Physical Broadcast Channel) (рис. 12) [9]. Синхронизирующие сигналы используются абонентскими терминалами для обнаружения сети LTE и синхронизации с ней. Что касается канала PBCH, то в нем передают всего несколько параметров. Основную часть системной информации оператор размещает в системных блоках (SIB).

Рис. 12. Распределение канального ресурса в субкадре 0 при частотном дуплексе

Содержание основных блоков системной информации [10]:

SIB1 – повторяют каждые 80 мс (8 кадров), передают идентификатор сети, код зоны слежения, идентификатор соты, статус соты, позиционирование остальных SIB,

SIB2 – содержит информацию о конфигурации радио ресурса: разнос частот вверх и вниз, запрет на определенные виды услуг, номера субкадров для передачи мультимедийного вещания, полоса (число РБ) при передаче вверх,

SIB3 – общая информация, относящаяся к реселекции сот, включая межсистемные переходы,

SIB4 – список соседних сот с их специфическими параметрами, необходимыми для выполнения процедуры реселекции сот без смены частоты,

SIB5 – информация, необходимая для реселекции сот внутри E-UTRA со сменой рабочей частоты,

SIB6-8 – содержит информацию, необходимую для межсетевых переключений UE на UMTS (SIB6), GERAN (SIB7), CDMA2000 (SIB8),

SIB9 – содержит идентификатор фемтосоты Home eNB Identifier (HeNBID),

SIB10-11 – передача первичных и вторичных предупреждений о землетрясениях и цунами,

SIB12– передача срочных коммерческих сообщений,

SIB13 – информация о передаче каналов управления мультимедийного вещания.

Технологии в сетях

LTE

Нисходящий канал

В нисходящем и восходящем каналах применение технологии OFDM различно. В нисходящем канале эта технология используется не только для передачи сигнала, но и для организации множественного доступа (OFDMA) – т.е. для мультиплексирования абонентских каналов.

Помимо физического структурного блока в LTE вводится еще понятие логического структурного блока. По числу ресурсных элементов они эквивалентны, однако возможно два варианта отображения ресурсных элементов логического блока в физический – один в один или распределенно. В последнем случае элементы логического ресурсного блока оказываются распределенными по всей доступной ресурсной сетке.

В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый ресурсный блок добавляются специальные опорные и синхронизирующие сигналы. Опорные сигналы могут быть трех видов – опорный сигнал, характеризующий ячейку (Cell-specific), сигнал, связанный с конкретным абонентским устройством, и сигнал для специального широковещательного мультимедийного сервиса MBSFN. Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи (поскольку приемнику известно его месторасположение и исходная форма). На основе этих измерений можно определить реакцию канала для остальных поднесущих, и с помощью интерполяции восстановить их исходную форму.

Опорный сell-specific-сигнал должен присутствовать в каждом субкадре нисходящего канала (кроме случаев MBSFN-передачи). Форма сигнала определяется на основе псевдослучайной последовательности Голда (вариант m-последовательности), при инициализации которой используется идентификационный номер ячейки БС (Cell ID). Такой опорный сигнал равномерно распределен по ресурсным элементам (рис.13). Так, при стандартной длине префикса он транслируется в 0-м и 4-м OFDM-символе, при расширенном СР – в 0-м и 3-м OFDM-символе. В частотной области опорные сигналы передаются через каждые шесть поднесущих, причем смещение определяется идентификатором ячейки, взятым по модулю 6.

Рис. 13 Расположение опорного сигнала (сell-specific) в нисходящем канале ресурсной сетки LTE в случае работы с одной антенной

Для того, чтобы осуществлять передачу и прием данных мобильная станция (UE, User Equipment) должна быть синхронизирована с базовой станцией (eNodeB). Для этого базовая станция передает 2 специальных синхронизирующих сигнала: Primary Synchronization Signal (PSS) и Secondary Synchronization Signal (SSS).

Синхронизирующие сигналы также однозначно определяют Cell ID. В LTE принята иерархическая структура идентификации ячейки, как и в предшествующей ей технологии WCDMA. Предполагается, что на физическом уровне доступно 504 Сell ID. Они разбиты на 168 ID-групп, по три идентификатора в каждой. Номер группы N₁ (0–167) и номер идентификатора в ней N₂ (0–2) однозначно определяют ID ячейки.

Primary Synchronization Signal (PSS)

PSS сигнал нужен для синхронизации по TTI, слотам и OFDM-символам, а также для вычисления физического идентификатора соты (Physical Layer Cell Identity, PCI). В качестве PSS используются три взаимно-ортогональные ZC-последовательности (Zadoff-Chu), на основе идентификатора N₂ от 0 до 2. Передача PSS сигнала осуществляется в 0 и 10 слотах каждого кадра (нулевой и пятый TTI, таким образом PSS передается два раза за 10 мс) и для этой передачи используются 62-е центральные поднесущие в последнем OFDM-символе слота (7-ой символ от начала кадра, см. рисунок 14). При передаче PSS используется QPSK модуляция.

Secondary Synchronization Signal (SSS)

SSS сигнал передается в предпоследних OFDM-символах слотов 0 и 10 на центральных 62-х поднесущих. Принимая сигнал SSS, мобильная станция может определить группу идентификатора соты – N₁, которая может принимать значения от 0 до 167. После этого мобильная станция вычисляет идентификатор соты (который нужен для определения места пилотных сигналов) следующим образом:

N_cell= 3×N₁+N₂.

Таким образом всего может быть 504 различных идентификатора соты.

Прием SSS сигнала позволяет достичь синхронизации по кадрам между базовой станцией и мобильной. Такой тип синхронизации достигается за счет того, что в слотах 0 и 10 передаются различные последовательности SSS.

На рисунке 14 приводится пример расположения синхронизирующих последовательностей в кадре (PSS – зеленая, SSS – желтая).

Кроме 62-х поднесущих, на которых осуществляется передача синхронизирующих последовательностей, по 5-ть поднесущих "снизу" и "сверху" от них не используются для передачи. Таким образом можно сказать, что передача синхронизирующих последовательностей занимает 1.08 МГц (72 поднесущие умножить на 15 кГц). Количество ресурсов, которое отводится под передачу синхронизирующих последовательностей не зависит от используемой полосы канала. Таким образом, накладные расходы (overhead) на передачу синхронизирующих сигналов могут составлять от 2.9% при полосе канала в 1.4 МГц, до 0.2% при 20 МГц (при 7-ми OFDM-символах в слоте).

В радио кадре типа 2 для передачи первичного синхросигнала используется третий OFDM-символ субкадров 1 и 6. Вторичный синхросигнал генерируется на основе номера ID-группы N₁. Он передается в слотах 0 и 10 радиокадра типа 1 (пятый OFDM-символ при стандартном СР) и в слотах 1 и 11 радиокадра типа 2 (шестой OFDM-символ при стандартном СР).

Рис. 14. Пример расположения синхронизирующих последовательностей

Формирование сигнала в нисходящем канале достаточно стандартно для современных систем цифровой передачи информации (рис.15). Оно включает процедуры канального кодирования, скремблирования, формирования модуляционных символов, их распределение по антенным портам и ресурсным элементам и синтез OFDM-символов. Канальное кодирование подразумевает вычисление контрольных сумм (CRC-24) для блоков данных, поступающих с МАС-уровня. Затем блоки с контрольными суммами обрабатываются посредством кодера со скоростью кодирования 1/3. В LTE предусмотрено применение либо сверточного кода, либо турбокода. Кодированная последовательность после перемежения (интерливинга) поступает в скремблер (для входной последовательности {x(i)} выполняется процедура вида d_scr(i) = x(i) + c(i), где c(i) – определенная скремблирующая последовательность). Затем формируются комплексные модуляционные символы (QPSK, 16- и 64-QAM) и распределяются по ресурсным элементам. Далее происходит синтез OFDM-символов, их последовательность поступает в модулятор, формирующий выходной ВЧ-сигнал в заданном частотном диапазоне. На стороне приема все процедуры выполняются в обратном порядке.

Рис. 15 Схема формирования сигнала в нисходящем канале

Применение OFDM в сочетании с циклическим префиксом делает связь устойчивой к временной дисперсии параметров радиоканала, в результате на приемной стороне становится не нужным сложный эквалайзер. Это очень полезно для организации нисходящего канала, поскольку упрощается обработка сигнала приемником, что снижает стоимость терминального устройства и потребляемую им мощность. Параметры нисходящего канала связи приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры канала передачи между БС и АУ

Синтез сигнала OFDM имеет смысл рассмотреть более подробно, так как этот вопрос в отечественных публикациях рассматривается весьма поверхностно, что не позволяет сформировать целостную картину происходящих при этом физических процессов.

Рис. 16 Структура слота сигнала OFDM

Синтез OFDM сигнала показан на рис. 15. Прежде всего следует отметить, что сформированные модуляционные символы представляют собой не реальные модуляционные сигналы, а комплексные числа, в которых вещественная часть представляет амплитуду сигнала, а мнимая – фазу. Сформированные модуляционные символы сначала распределяются по слоям (антенным портам), а внутри слоя по ресурсным элементам, входящим в состав слота (рис.16) для всех выделенных ресурсных блоков (для всех выделенных поднесущих).

На вход блока N-точечного ОБПФ подаются OFDM сигналы, состоящий из модуляционных символов (комплексных чисел), предназначенных для всех N выделенных поднесущих, то есть отсчеты сигнала в частотной области. В результате ОБПФ на выходе получают отсчеты OFDM сигнала во временной области. Копируя часть временных отсчетов с конца OFDM сигнала в его начало добавляют так называемый циклический префикс для защиты от влияния интерференции. Однако, добавление циклического префикса, который уменьшает влияние канального затухания (link fading) и межсимвольную интерференцию (inter symbol interference), увеличивает полосу пропускания.

Поочередно подавая на вход блока N-точечного ОБПФ все OFDM символы и добавляя циклический префикс получают на входе модулятора отсчеты сигнала во временной области, предназначенного для передачи. В модуляторе производится преобразование цифровых отсчетов сигнала в сигнал в аналоговой форме (цифро-аналоговое преобразование), после чего производится его перенос на заданную частоту и усиление до требуемой мощности. В итоге в эфир излучается аналоговый сигнал близкий к шумоподобному на заданной частоте, а не сигнал с множеством поднесущих.

В соответствии с [7, п. 6.12] в LTE OFDM сигнал формируется в соответствии с формулой:

для где и

. Переменная

приравнивается 2048 для разноса поднесущих Δ

=15 кГц, 4096 для Δ

=7,5 кГц, 24576 для Δ

=1,25 кГц.

Символы OFDM в слоте должны передаваться в порядке возрастания l, начиная с l=0, где символ OFDM l>0 начинается со времени в слоте.

Восходящий канал

Основной недостаток технологии OFDMА – высокое соотношение пиковой и средней мощности сигнала (PAR). Это связано с тем, что во временной области спектр OFDM-сигнала становится аналогичным гауссову шуму, характеризующемуся высоким PAR. Кроме того, сама по себе технология OFDMА, с учетом необходимости минимизировать шаг между поднесущими и сокращать относительную длительность СР, предъявляет очень высокие требования к формированию композитного сигнала. Мало того, что частотные рассогласования между передатчиком и приемником и фазовый шум в принимаемом сигнале могут привести к межсимвольной интерференции на отдельных поднесущих (т.е. к интерференции между сигналами различных абонентских каналов). При малом шаге между поднесущими к аналогичным последствиям может привести и эффект Доплера, что очень актуально для систем сотовой связи, предполагающих высокую мобильность абонентов. В связи с этим для восходящего канала LTE была предложена новая технология – SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access).

Принципиальное ее отличие: если в OFDMA на каждой поднесущей одновременно передается свой модуляционный символ, то в SC-FDMA поднесущие модулируются одновременно и одинаково, но модуляционные символы короче. То есть в OFDMA символы передаются параллельно, а в SC-FDMA – последовательно. Такое решение обеспечивает меньшее отношение максимального и среднего уровней мощности по сравнению с использованием обычной модуляции OFDM, в результате чего повышается энергоэффективность абонентских устройств и упрощается их конструкция (существенно снижаются требования к точности частотных параметров передатчиков).