15 Мобильная связь 4-го поколения

Глава 15





Рис. 15.7. Структура сети LTE


Каждая базовая станция сама осуществляет выбор одного или нескольких узлов управления мобильностью ММЕ (см. рис. 15.6).
В LTE логически разделены сети передачи служебной информа­ции, в частности сигнализации, и полезной информации пользова­телей.
На рис. 15.7 изображена структура сети LTE, на которой соеди­нения для передачи данных пользователей изображены сплошными толстыми линиями, а линии для передачи служебной информации тон­кими сплошными линиями. Пунктирными линиями обозначены воз­можные соединения для передачи служебной информации на другие узлы управления мобильностью ММЕ и на узел PCRF
Информация для пользователей и от пользователей поступает на шлюзы S-GW и P-GW.
S-GW (Serving Gateway) — обслуживающий шлюз служит для маршрутизации пакетов данных (с учётом требуемых качественных показателей в соответствии с индикатором качества QCI), буфериза­ции пакетов для мобильных станций, находящихся в состоянии Idle Mode, управление доступом к услугам и тарификация осуществляют­ся согласно политикам PCRF
P-GW (Packet Gateway) — пакетный шлюз используется для ком­мутации пакетов к внешним IP-сетям. Для коммутации необходим IP-адрес абонента. Если у абонента есть статический IP-адрес, то используется этот адрес. Если такого адреса нет, то на время соеди­нения мобильной станции выделяется динамический IP-адрес. Этот адрес по запросу шлюза P-GW выделяет DFICP-сервер (Dynamic Host Configuration Protocol — протокол динамической конфигурации хос­тов).

Мобильная связь 4-го поколения

135





Рис. 15.8. Структура сети GSM/UMTS/LTE


На рис. 15.8 показана структура сети GSM/UMTS/LTE, ядром которой является ЕРС. Здесь:
HSS (Home Subscriber Server) — опорный сервер данных («до­машних» абонентов). HSS — это аналог базы данных HLR в сетях GSM/UMTS;
PCRF (Policy and Charging Resource Function) — узел функций политик сети и правил тарификации;
IMS (IP Multimedia Subsystem) — IP-мультимедиа подсистема;
WLAN (Wireless Local Area Network) — беспроводная локальная сеть.
Замечание 1. Конструктивно оба шлюза S-GW и P-GW и даже сервисный узел SGSN (см. рис. 15.8) часто совмещают. В случае роуминга шлюзы S-GW и P-GW могут быть в разных сетях: S-GW в визитной сети, а шлюз P-GW — в домашней сети. В принципе мобильная станция может одновременно обслуживаться несколькими шлюзами S-GW и P-GW для передачи разных пакетов данных.
Замечание 2. Шлюз P-GW часто называют PDN-GW (Packet Data Network Gateway) — шлюз сети с пакетной передачей данных.
При взаимодействии сетей разных поколений используются ин­терфейсы S3 и S4 для связи между S-GW и SGSN, SGSN и ММЕ соответственно. Через эти интерфейсы происходит обмен сигнальной информацией при передаче обслуживания абонента UE в сети UTRAN или GERAN. Такая процедура также называется хэндовером. Одна­ко даже при переходе в сеть 2G/3G доступ в сеть Интернет всегда осуществляется через шлюз PGW.

136

Глава 15


Необходимость перехода в сеть 2G/3G может быть связана с ухуд­шением зоны покрытия или перегрузок в сети LTE. Переход может быть связан и с худшей помеховой обстановкой в частотном диапа­зоне сети LTE

5. 
   Метод доступа OFDMA
   

Как мы уже указывали выше, системы 4-го поколения характери­зуются высокоскоростной передачей данных. При этом основной про­блемой является межсимвольная интерференция, возникающая при многолучевом распространении сигналов. Объясним это на таком примере: пусть мы хотим обеспечить скорость передачи по радиока­налу В = 100 Мбит/с. Если при передаче используется одна несущая, то длительность импульсов равна Т_и = 10^-8 с.
Если время задержки прихода второго (или последующих) луча примерно равно длительности импульса, то эти сигналы накладыва­ются на следующий импульс первого (прямого) луча (см. рис. 3.2). В этом случае возникают ошибки, и если их много, то избыточное кодирование не сможет помочь. Посчитаем разность хода лучей при времени задержки, равной Т_и:
S = сТ_и = 3 • 10⁸ м/с • 1СП⁸ с = 3 м,
где с = 3 • 10⁸ м/с — скорость распространения сигнала по радиока­налу. Понятно, что такая разность в ходе сигнала возникает практи­чески всюду. Чтобы избавиться от межсимвольной интерференции, необходимо увеличить длительность сигнала в сотни, а то в тысячи раз. Тогда интерференция будет заметна при разностях хода в 300 м и в 3000 м соответственно. Но при такой разнице в ходе сигнала второй луч будет иметь намного меньшую мешающую мощность (см. фор­мулу (1.1)). Таким образом, увеличение длительности символа зна­чительно снижает межсимвольную интерференцию переотраженных сигналов, что обеспечивает приём сигнала даже в отсутствии прямой видимости между мобильной и базовой станциями. Так как увеличе­ние длительности импульса приводит к соответствующему уменьше­нию скорости передачи сигнала, что неприемлемо, то возникла идея в расщеплении (распараллеливании) передаваемого сигнала на N от­дельных низкоскоростных потоков с большой длительностью переда­ваемых символов. Для этого применяют метод OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) — мультиплексирование с ортогональ­ным частотным разделением каналов. В OFDM полоса частот под­разделяется на множество частотных поднесущих, как показано на рис. 15.9.
В методе мультиплексирования OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access — множественный доступ с ортогональным

Мобильная связь 4-го поколения

137





частотным разделением каналов) входящий поток данных делится на несколько параллельных подпотоков с более низкой скоростью пере­дачи (что приводит к увеличению длительности символа), а каждый подпоток модулируется и передается на своей ортогональной поднесу­щей. Подпотоки представляют собой данные от одного или несколь­ких абонентов. Таким образом, OFDM А представляет собой метод многостанционного доступа наподобие TDMA, FDMA и CDMA (см. главу 4).
Ортогональность поднесущих позволяет на приёме выделить каж­дую поднесущую из суммарного сигнала даже в случае частичного пе­рекрытия полос их спектров. Условием ортогональности поднесущих является равенство
А/ = Л - /г-1 = 1 /Т_и.
То есть за время длительности передаваемого сигнала Т_и должно укладываться целое число периодов разностной частоты А/ Для син­хронизации частот всех поднесущих в OFDM вводится специальный синхронизирующий сигнал.
Ортогональность поднесущих означает, что когда амплитуда од­ной из поднесущих имеет имеет максимум, то амплитуды всех осталь­ных поднесущих равны нулю (рис. 15.10, для наглядности на рисунке изображены только четыре поднесущих).
Сдвиги частот поднесущих и неточности временной синхрониза­ции в LTE приводят к снижению отношения сигнал/шум и, соответст­венно, к ошибкам в приёме сигнала. Поэтому синхронизация должна быть высокоточной. Для синхронизации используется тактирование с длительностью временной единицы
T_s = 1/(15000 • 2048) с « 3 • 10~⁸ с.
Для повышения устойчивости сигнала к разбросу задержки в каж­дой поднесущей вводится защитный интервал Т_д (за счёт уменьшения длительности символа OFDM) (рис. 15.11). Fla рис. 15.11 не изобра­жены «хвосты» от лучей предыдущего символа, которые попадают в защитный интервал.

138

Глава 15





Рис. 15.10. OFDM: Амплитуда одной из несущих имеет максимум, в то время как
амплитуда остальных несущих равна нулю