Interfejs Radiowy LTE

1. Rola interfejsu radiowego LTE

Interfejs radiowy, znany również jako interfejs powietrzny, to łącze między urządzeniem mobilnym (Urządzeniem Użytkownika lub UE) a stacją bazową sieci komórkowej (eNodeB w LTE). Sieć rdzeniowa zajmuje się trasowaniem połączeń i danych, natomiast interfejs radiowy przenosi dane przez fale radiowe przy zmiennych warunkach propagacji, zakłóceniach i obciążeniu komórki.

Projekt interfejsu radiowego LTE różnił się od rozwiązań stosowanych w 3G. Zamiast transportu głosu w osobnym kanale system wykorzystuje transmisję pakietową, a usługi głosowe mogą być realizowane przez IMS. W łączu w dół (downlink) zastosowano OFDMA, a w łączu w górę (uplink) SC-FDMA. Te wybory łączą obsługę wielu użytkowników, odporność na wielodrogowość i ograniczenie wymagań energetycznych urządzenia.

2. Główne Wyzwania Komunikacji Bezprzewodowej

Projekt interfejsu radiowego LTE wynika z kilku problemów wspólnych dla systemów bezprzewodowych. Sygnał dociera przez medium współdzielone, a jego parametry zmieniają się wraz z odległością, przeszkodami i ruchem użytkownika.

Współdzielone Medium i Zakłócenia:W przeciwieństwie do prywatnego kabla, spektrum radiowe jest zasobem publicznym, współdzielonym przez niezliczonych użytkowników i urządzenia. Sieć musi mieć metodę umożliwiającą wielu użytkownikom jednoczesną komunikację bez wzajemnego zakłócania swoich sygnałów. Jest to problem "wielodostępu".
Zaniki Wielodrogowe: W rzeczywistym środowisku fale radiowe nie podróżują prostą linią od wieży do telefonu. Odbijają się od budynków, wzgórz, samochodów i innych przeszkód. W rezultacie odbiornik otrzymuje wiele kopii tego samego sygnału, z których każda dociera w nieco innym czasie i fazie. Te kopie mogą interferować ze sobą, czasem sumując się konstruktywnie (wzmacniając sygnał), a czasem destruktywnie (osłabiając lub znosząc sygnał), co jest zjawiskiem znanym jako zaniki wielodrogowe. Może to również powodować problem zwany , gdzie "duch" jednego symbolu rozmywa się na następny.
Ograniczone Widmo i Efektywność Widmowa: Spektrum radiowe jest ograniczonym i regulowanym zasobem. Technika transmisji powinna więc przesyłać możliwie dużo bitów na sekundę w każdym hercu pasma. Tę miarę opisuje .
Wydajność Energetyczna i Żywotność Baterii: Stacja bazowa może być podłączona do sieci energetycznej, ale smartfon użytkownika działa na baterii. Technologia transmisyjna musi być zaprojektowana tak, aby była energooszczędna, szczególnie dla transmisji w górę, z urządzenia do stacji bazowej, aby ograniczyć zużycie baterii.

3. OFDMA w łączu w dół LTE

to łącze komunikacyjne od stacji bazowej (eNodeB) do urządzenia użytkownika (UE). W tym kierunku przepływu danych LTE stosuje ortogonalny wielodostęp z podziałem częstotliwości (OFDMA), który pozwala przydzielać zasoby w dziedzinie częstotliwości.

Zrozumienie Podstaw: Od OFDM do OFDMA

OFDMA wykorzystuje koncepcję OFDM (Ortogonalnego Multipleksowania z Podziałem Częstotliwości). Szerokie pasmo dzieli się na wiele wąskich podnośnych, dzięki czemu zakłócenie ograniczone do jednej częstotliwości nie musi uszkodzić całego strumienia danych.

Dostępne pasmo można wyobrazić sobie jako szeroką autostradę, a dane jako przewożony ładunek. Jeden szybki pojazd oznaczałby pojedynczą nośną, więc zakłócenie w jej częstotliwości mogłoby zagrozić całej transmisji. OFDM rozdziela ładunek na wiele równoległych, węższych strumieni, które jadą własnymi podnośnymi.

W OFDM główny strumień danych dzieli się na równoległe strumienie, a każdy z nich jest przesyłany na własnej, wąskiej częstotliwości nośnej, zwanej podnośną. Nominalny kanał LTE o szerokości 20 MHz ma 100 bloków zasobów, więc przy standardowym odstępie 15 kHz mieści do 1200 zajętych podnośnych. Pasm ochronnych oraz podnośnych referencyjnych i sterujących nie należy utożsamiać z podnośnymi przenoszącymi dane użytkownika w każdym symbolu.

Termin "ortogonalny" oznacza, że odstępy między podnośnymi dobiera się tak, aby w chwili demodulacji składowe innych podnośnych wzajemnie się znosiły. Ich widma mogą się nakładać, a odbiornik rozdziela symbole bez wzajemnego zakłócania przy zachowaniu synchronizacji.

OFDMA rozszerza tę koncepcję o wielodostęp. eNodeB przydziela różne grupy podnośnych wielu użytkownikom w tej samej chwili. Przykładowo telefon może otrzymać podnośne od 1 do 48 do transmisji wideo, a inne urządzenie podnośne od 49 do 72 do pobierania strony. Harmonogram zależy od zapotrzebowania i warunków radiowych. W LTE może być aktualizowany w kolejnych podramkach, których czas wynosi 1 ms.

Właściwości OFDMA w łączu w dół

Odporność na Zaniki Wielodrogowe: Podział strumienia na wolniejsze strumienie wydłuża symbol na każdej podnośnej. W LTE dodatkową ochronę przed opóźnionymi kopiami zapewnia prefiks cykliczny. W efekcie odbiornik jest mniej wrażliwy na Interferencję Międzysymbolową (ISI), szczególnie w środowisku miejskim z wieloma odbiciami.
Uproszczona Korekcja w Odbiorniku: W wąskim paśmie pojedynczej podnośnej odpowiedź kanału można przybliżyć stałą. Odbiornik estymuje tę odpowiedź i koryguje każdą podnośną osobno, zamiast stosować złożony korektor dla całego szerokopasmowego sygnału.
Elastyczna Alokacja Zasobów: eNodeB mierzy jakość kanału dla użytkowników na różnych częstotliwościach. Harmonogram może wtedy przydzielać zasoby tam, gdzie warunki transmisji są korzystne. Planowanie z uwzględnieniem kanału (channel-aware scheduling) zwiększa przepustowość komórki przy danym widmie.
Skalowalność z Pasmem: LTE określa szerokości kanału od $1.4$ MHz do $20$ MHz, w tym 3, 5, 10 i 15 MHz. Szerszy kanał udostępnia więcej zasobów, które eNodeB może rozdzielić między użytkowników, zwiększając pojemność komórki przy pozostałych warunkach bez zmian.

W typowej numerologii LTE odstęp podnośnych wynosi $15$ kHz. Dwanaście sąsiednich podnośnych tworzy blok zasobów o szerokości $180$ kHz, a scheduler przydziela takie bloki w kolejnych podramkach. Informacje o przydziale i modulacji są przekazywane w kanale sterującym, więc UE może odtworzyć mapowanie danych dla swojej podramki.

Kanał LTE o szerokości 20 MHz zawiera więc 100 bloków zasobów przy typowej numerologii z odstępem podnośnych 15 kHz. Scheduler wybiera te bloki razem ze schematem modulacji i kodowania dla każdego przedziału transmisji.

Każdy blok zasobów obejmuje jeden slot w dziedzinie czasu.

Prefiks cykliczny jest kopią końca symbolu dołączoną przed jego początkiem. Jeżeli jego długość obejmuje dominujące opóźnienia kanału, echa nie niszczą ortogonalności w użytecznej części symbolu. Dłuższy prefiks zmniejsza jednak część czasu przeznaczoną na dane, dlatego LTE przewiduje konfiguracje normalną i rozszerzoną.

4. SC-FDMA i ograniczenie mocy w łączu w górę

to łącze komunikacyjne z telefonu do stacji bazowej. OFDMA ma w tym kierunku wyższy współczynnik PAPR, dlatego LTE zastosowało SC-FDMA, które ogranicza wymagania stawiane wzmacniaczowi mocy urządzenia.

Problem Współczynnika Mocy Szczytowej do Średniej (PAPR)

W sygnale OFDM przebiegi wielu podnośnych są sumowane w dziedzinie czasu. W niektórych chwilach ich fazy zwiększają amplitudę sygnału, dlatego moc chwilowa może być dużo większa od mocy średniej. Stosunek tych wartości określa Współczynnik Mocy Szczytowej do Średniej (PAPR).

Wysoki PAPR wymaga od wzmacniacza pracy w zakresie liniowym i pozostawienia zapasu mocy poniżej punktu nasycenia. Stacja bazowa ma zwykle większy budżet energetyczny, natomiast nadajnik telefonu jest ograniczony baterią. W łączu w górę ograniczenie PAPR pomaga więc utrzymać sprawność wzmacniacza przy wymaganej mocy nadawania.

SC-FDMA: Energooszczędne Rozwiązanie

Aby ograniczyć PAPR, LTE używa w łączu w górę powiązanej technologii Wielodostępu z Podziałem Częstotliwości i Jedną Nośną (SC-FDMA). DFT-spreading zachowuje pracę w dziedzinie częstotliwości i przydział zasobów, a jednocześnie obniża PAPR względem OFDMA.

Kluczowa różnica w SC-FDMA polega na dodatkowym kroku przetwarzania na początku. Zanim rozpocznie się główny proces modulacji OFDM, symbole danych przechodzą przez . Ten krok DFT "rozkłada" informację z każdego symbolu na wszystkie podnośne, które będą używane do transmisji. Po tym rozproszeniu sygnał jest mapowany na ciągły blok podnośnych i przetwarzany jak normalny sygnał OFDMA.

W LTE stosuje się lokalne mapowanie DFT-s-OFDM. Wynik transformacji trafia do sąsiednich podnośnych wybranego bloku zasobów. W tej konfiguracji sygnał zachowuje strukturę przydziału częstotliwości, ale nie jest sumą niezależnych strumieni rozrzuconych po całym paśmie. Nadajnik UE może więc ograniczyć szczyty mocy bez rezygnacji z harmonogramowania zasobów.

Rozproszenie DFT sprawia, że przebieg ma właściwości sygnału jednonośnego i niższy PAPR niż OFDMA. Wzmacniacz mocy telefonu może pracować bliżej punktu nasycenia, co poprawia jego sprawność. eNodeB odbiera sygnał po operacjach podobnych do stosowanych w OFDMA, dlatego zachowany zostaje przydział zasobów w dziedzinie częstotliwości oraz odporność na wielodrogowość.

5. Metody dupleksu w LTE

Aby komunikacja była funkcjonalna, dane muszą móc płynąć w obu kierunkach (w dół i w górę) jednocześnie. Metoda używana do oddzielania transmisji w dół i w górę nazywa się dupleksem. LTE wspiera dwie różne metody dupleksu, co daje operatorom elastyczność w zależności od posiadanych licencji na widmo.

FDD (Frequency Division Duplex)

W FDD operator używa dwóch oddzielnych, sparowanych pasm częstotliwości radiowych. Jedno pasmo jest przeznaczone do transmisji w dół, a drugie do transmisji w górę. Odstęp ochronny ogranicza zakłócenia między kierunkami. Ten wariant wymaga dostępności sparowanego widma, a jego zastosowanie zależy od planu częstotliwości i regulacji.

Zaleta: Umożliwia ciągłe planowanie obu kierunków w oddzielnych, sparowanych pasmach, bez oczekiwania na zmianę kierunku. Wynikowe opóźnienie nadal zależy od harmonogramowania, przetwarzania i propagacji.
Wada: Wymaga od operatorów posiadania licencji na sparowane bloki widma, co może być nieefektywne, jeśli ruch jest wysoce asymetryczny (np. dużo pobierania, bardzo mało wysyłania).

TDD (Time Division Duplex)

W TDD do transmisji w górę i w dół używane jest jedno pasmo częstotliwości. System przydziela kolejne podramki obu kierunkom, rozdzielając je okresami ochronnymi. Konfiguracja TDD określa proporcję podramek łącza w dół i w górę, a cykl powtarza się w kolejnych ramkach radiowych.

Zaleta: Jest elastyczny. Operator może skonfigurować różną liczbę podramek łącza w dół i w górę dla przewidywanego wzorca ruchu, co jest przydatne przy ruchu asymetrycznym. Nowa konfiguracja jest sygnalizowana przez sieć i nie zmienia się dowolnie w każdej podramce. TDD nie wymaga też sparowanego widma.
Wada: Wymaga ścisłej synchronizacji między sąsiednimi stacjami bazowymi, aby ograniczyć zakłócenia między kierunkami. Okresy ochronne i oczekiwanie na podramkę właściwego kierunku mogą zwiększać opóźnienie.

W FDD oba kierunki mają zasoby w tym samym czasie, lecz w różnych zakresach częstotliwości. W TDD kierunki współdzielą zakres i muszą korzystać z uzgodnionej konfiguracji podramek. Sąsiednie komórki zwykle synchronizuje się tak, aby ich przejścia między kierunkami nie powodowały silnych zakłóceń.

6. Podsumowanie i wnioski

Interfejs radiowy LTE łączy transmisję pakietową, przydział zasobów w dziedzinie częstotliwości i mechanizmy ograniczające wpływ kanału radiowego. Rozdzielenie technologii dla łącza w dół i w górę pozwala uwzględnić zarówno przepustowość stacji bazowej, jak i ograniczenia energetyczne urządzenia.

Kluczowe wnioski to:

OFDMA dla Łącza w Dół: Umożliwia przydzielanie bloków zasobów wielu użytkownikom, a prefiks cykliczny i wąskie podnośne ułatwiają pracę w kanale wielodrogowym. Stacja eNodeB może planować transmisję dla wielu urządzeń w tej samej podramce.
SC-FDMA dla Łącza w Górę: DFT-spreading zachowuje przydział zasobów w dziedzinie częstotliwości, a niższy PAPR ułatwia pracę wzmacniacza mocy w urządzeniu zasilanym z baterii.
Elastyczny Dupleks: Wsparcie zarówno dla FDD, jak i TDD pozwala operatorom na wydajne wdrażanie sieci LTE w oparciu o ich specyficzne alokacje widma i potrzeby ruchowe.

Te mechanizmy umożliwiły LTE świadczenie mobilnych usług szerokopasmowych w kanałach FDD i TDD. Rozwiązania warstwy radiowej LTE stały się też punktem odniesienia przy projektowaniu kolejnych systemów 3GPP, w tym 5G NR.