LTE Advanced

1. IMT-Advanced i LTE-Advanced

Droga do czwartej generacji (4G) komunikacji mobilnej była kształtowana przez Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU) oraz jego ramy IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced). Ramy te określiły cele badawcze sięgające 1 Gigabita na sekundę (Gbps) dla użytkowników o małej mobilności i 100 Megabitów na sekundę (Mbps) dla użytkowników o dużej mobilności. Cele nadały rozwojowi 4G mierzalny kierunek, ale nie definiowały jednego rozwiązania radiowego.

Kiedy uruchomiono pierwsze wydania LTE oparte na 3GPP Releases 8 i 9, przyniosły znacznie wyższe prędkości i mniejsze opóźnienia niż 3G. Nie spełniały jednak wszystkich celów IMT-Advanced. Operatorzy i dostawcy często oznaczali te wdrożenia jako 4G, natomiast w rozróżnieniu standardów pozostawały wydaniami LTE przed LTE-Advanced.

LTE-Advanced odpowiadało na tę różnicę. Począwszy od 3GPP Release 10 i w kolejnych wydaniach, dodano technologie mające spełnić wymagania IMT-Advanced, w tym Agregację Nośnych, ulepszone techniki wieloantenowe i Koordynowaną Transmisję Wielopunktową (CoMP). ITU zaakceptowało LTE-Advanced jako technologię IMT-Advanced. Była to ewolucja LTE, dzięki której operatorzy mogli wprowadzać zgodne modernizacje oprogramowania i sprzętu bez jednoczesnej wymiany wszystkich stacji LTE.

2. Agregacja nośnych (CA)

Agregacja nośnych (Carrier Aggregation) jest jednym z głównych mechanizmów LTE-Advanced. Łączy rozproszone zasoby widma, które operator otrzymał w osobnych blokach częstotliwości. Sieć może użyć konfiguracji wewnątrz-pasmowej ciągłej, wewnątrz-pasmowej nieciągłej lub między-pasmowej nieciągłej, gdy kombinacja pasm i możliwości UE są zdefiniowane.

Problem z Widmem Radiowym

Widmo radiowe jest ograniczonym zasobem współdzielonym przez komunikację bezprzewodową. Operatorzy uzyskują prawa do określonych pasm, a ich zasoby często są podzielone na bloki oddalone od siebie częstotliwościowo. Przykładowy operator może mieć blok 10 MHz w paśmie 800 MHz i kolejny blok 20 MHz w paśmie 2,1 GHz. W LTE Release 8/9 urządzenie użytkownika zwykle planowało ruch na jednej nośnej, więc jego szczytowa przepływność była ograniczona szerokością tego kanału.

Rozwiązanie: Agregacja Nośnych

Agregacja Nośnych rozwiązuje ten problem, pozwalając zgodnemu urządzeniu korzystać z wielu nośnych składowych w jednej skonfigurowanej grupie komórek. Scheduler traktuje ich zasoby jak szerszą możliwość transmisji, także wtedy, gdy nośne są rozdzielone częstotliwościowo.

Każdy z tych bloków częstotliwości nazywany jest Nośną Składową (Component Carrier - CC). LTE-Advanced Release 10 pozwala na agregację do pięciu Nośnych Składowych, a każda CC może mieć szerokość do 20 MHz. Szerokości CC określone dla Release 10 to 1,4, 3, 5, 10, 15 lub 20 MHz. Łącze w górę i łącze w dół mogą używać różnej liczby nośnych składowych, zależnie od możliwości UE. Teoretyczna suma wynosi więc $5 \times 20 = 100$ MHz, lecz użyteczna przepływność zależy także od kategorii UE, modulacji, liczby warstw MIMO i warunków radiowych. Wartość 100 MHz oznacza sumę szerokości CC, nie gwarantowaną przepływność aplikacji.

Typy Agregacji Nośnych

Technologia wspiera trzy podstawowe scenariusze łączenia nośnych:

W konfiguracji CA jedna nośna jest wyznaczona jako Główna Nośna Składowa (PCC) lub Główna Komórka (PCell). PCell przenosi główną sygnalizację sterującą i pozostaje skonfigurowana jako kotwica, gdy UE jest połączone. Pozostałe nośne nazywane są Dodatkowymi Nośnymi Składowymi (SCC) lub Dodatkowymi Komórkami (SCells), które można aktywować albo zwalniać wraz ze zmianą ruchu i warunków radiowych.

3. MIMO w LTE-Advanced

MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) było już częścią pierwotnego standardu LTE. Wykorzystuje wiele portów antenowych i warstw przestrzennych po stronie stacji bazowej oraz UE. LTE-Advanced zwiększyło liczbę obsługiwanych warstw i dodało kolejne sposoby koordynowania transmisji.

Dwa zastosowania MIMO

Technologia MIMO zapewnia dwie główne korzyści:

• Multipleksowanie przestrzenne (dla przepływności): Pozwala nadajnikowi na jednoczesne wysyłanie wielu niezależnych strumieni danych w tym samym kanale częstotliwości, przy czym każdy strumień wychodzi z innej anteny. Odbiornik z wieloma antenami potrafi odróżnić te strumienie dzięki nieco różnym ścieżkom, którymi podążają. To bezpośrednio zwiększa szczytową przepływność. System 2x2 MIMO (2 anteny nadawcze, 2 odbiorcze) może podwoić przepływność danych, a system 4x4 MIMO może ją czterokrotnie zwiększyć w porównaniu z systemem jednoantenowym.
• Zróżnicowanie nadawcze (dla niezawodności): W złych warunkach sygnałowych, zamiast wysyłać różne dane, nadajnik wysyła ten sam strumień danych z wielu anten. Każda kopia podróżuje inną ścieżką, więc jest mniej prawdopodobne, że wszystkie kopie zostaną jednocześnie dotknięte głębokim zanikiem. Odbiornik może następnie połączyć te kopie, aby odtworzyć oryginalne dane w sposób bardziej niezawodny. Nie zwiększa to szczytowej przepływności, lecz ogranicza wpływ zaniku na połączenie.

Rozszerzenia MIMO w LTE-Advanced

LTE-Advanced rozszerzyło oryginalne ramy MIMO przede wszystkim przez zwiększenie liczby obsługiwanych warstw przestrzennych i poprawę ich koordynacji.

• Do 8 warstw w łączu w dół: LTE-Advanced w odpowiednich trybach transmisji obsługuje do ośmiu warstw przestrzennych w łączu w dół. Release 10 obsługuje także do ośmiu anten nadawczych w transmisji w dół, lecz liczba warstw przestrzennych nadal zależy od trybu transmisji i możliwości UE. UE i jego układ antenowy muszą wspierać wymagane porty oraz warunki kanału. Liczba warstw opisuje możliwości systemu, natomiast osiągalna przepływność zależy od UE i kanału.
• Do 4 warstw w łączu w górę: LTE-Advanced dodało możliwości multipleksowania przestrzennego w łączu w górę, sięgające czterech warstw w obsługiwanych konfiguracjach. Rzeczywisty zysk zależy od torów nadawczych UE, ograniczeń mocy i jakości kanału.
• Multi-User MIMO (MU-MIMO): Ta technika wykorzystuje wiele anten stacji bazowej do jednoczesnego przesyłania strumieni danych do różnych użytkowników w tych samych zasobach czasowych i częstotliwościowych. eNodeB tworzy wiązki skierowane na każdego konkretnego użytkownika, ograniczając interferencje między nimi. Może to zwiększać ogólną pojemność i wydajność komórki, gdy użytkowników można rozdzielić przestrzennie.

Osiem warstw w kompaktowym smartfonie trudno zrealizować ze względu na sprzężenia anten, pobór mocy i estymację kanału. Szersze ramy MIMO są przydatne w stacjonarnych punktach dostępu i hotspotach, a te same zasady przetwarzania przestrzennego rozwinięto później w Massive MIMO dla 5G.

4. Koordynowana transmisja wielopunktowa (CoMP)

Jednym z problemów w sieci komórkowej jest wydajność na skraju komórki. Urządzenie znajdujące się daleko od obsługującej stacji bazowej odbiera słabszy sygnał. Jednocześnie sygnał z sąsiedniej stacji bazowej może powodować silne zakłócenia. Ta kombinacja ogranicza przepływność i jakość połączenia na granicach komórek.

Koordynowana Transmisja Wielopunktowa (CoMP), standaryzowana dla prac LTE-Advanced w późniejszych wydaniach, takich jak Release 11, odpowiada na ten problem przez koordynowanie transmisji z kilku punktów. Celem jest traktowanie sąsiednich komórek jako współpracujących zasobów radiowych zamiast traktować je wyłącznie jako źródła niekontrolowanych zakłóceń.

Schematy Transmisji CoMP

Ta współpraca może być realizowana na kilka sposobów:

• Koordynowane Planowanie / Koordynowane Kształtowanie Wiązki (CS/CB):

  W tym schemacie sąsiednie stacje bazowe wymieniają się informacjami o warunkach radiowych użytkownika na skraju komórki. Główna komórka (ta, z którą użytkownik jest połączony) nadal przesyła wszystkie dane. Jednak sąsiednia komórka, świadoma sytuacji użytkownika, będzie koordynować swoje transmisje. Może zdecydować się nie nadawać do swoich użytkowników na tych samych zasobach radiowych, aby uniknąć powodowania zakłóceń, lub może aktywnie kształtować swoje wiązki antenowe, aby skierować swój sygnał z dala od współpracującego użytkownika.

• Wspólne Przetwarzanie (JP - Joint Processing):

  W tym wariancie wiele stacji bazowych współpracuje w celu jednoczesnego przesyłania danych do lub odbierania danych od jednego użytkownika.

  • JP w łączu w dół: Wiele eNodeB przesyła te same dane użytkownika do użytkownika na skraju komórki w tym samym czasie. Z perspektywy użytkownika sygnał z sąsiedniej stacji może wtedy współtworzyć użyteczny sygnał. Urządzenie otrzymuje silniejszy sygnał, co może poprawić odbiór na skraju komórki.
  • JP w łączu w górę: Wiele eNodeB jednocześnie odbiera sygnał przesyłany z telefonu użytkownika. Dane odebrane w każdym eNodeB są następnie łączone i przetwarzane wspólnie, co pozwala sieci na znacznie bardziej niezawodne odzyskanie sygnału, niż mogłaby to zrobić pojedyncza stacja bazowa.

Implementacja CoMP, zwłaszcza Wspólnego Przetwarzania, jest technologicznie wymagająca. Wymaga łączy transportowych o małym opóźnieniu i dużej przepustowości między koordynującymi lokalizacjami radiowymi. Mogą to być światłowodowe łącza dosyłowe (backhaul) lub inne łącza o odpowiednich parametrach. Transport i synchronizacja zwiększają koszt szerokiego wdrożenia, chociaż zasady koordynacji pojawiają się także w późniejszych rozwiązaniach 5G.

5. Pozostałe funkcje LTE-Advanced

Poza agregacją nośnych, MIMO i CoMP LTE-Advanced wprowadziło ulepszenia zwiększające wydajność i zasięg sieci. Węzły Przekaźnikowe rozszerzają istniejącą komórkę bez przewodowego łącza dosyłowego, a eICIC koordynuje makrokomórki i małe komórki korzystające z tego samego widma. Obie funkcje odpowiadają na ograniczenia wdrożeniowe, których sama agregacja nośnych i MIMO nie rozwiązują.