LTE Advanced Pro | Teleinf Edu

1. LTE-Advanced Pro w rodzinie LTE

Rozwój LTE trwał po wprowadzeniu LTE-Advanced. Wraz z dojrzewaniem mobilnego internetu szerokopasmowego operatorzy potrzebowali większej pojemności oraz profili radiowych dla urządzeń innych niż smartfony. 3GPP (3rd Generation Partnership Project) kontynuował prace nad LTE w Release 13 i kolejnych wydaniach. Nazwa LTE-Advanced Pro odnosi się przede wszystkim do rozszerzeń z Release 13 i 14, a późniejsze wydania rozwijały funkcje radiowe, rozwiązania IoT i komunikację pojazdów równolegle z pracami nad 5G.

LTE-Advanced Pro rozszerza rodzinę radiową LTE i LTE-Advanced poza zwykły szerokopasmowy dostęp smartfonów. Łączy szerszą agregację nośnych, modulację wyższego rzędu, profile IoT o niskim zużyciu energii oraz bezpośrednią komunikację pojazdów. Funkcje te odpowiadają wymaganiom usług, które później stały się centralne w opisach 5G: ulepszonego mobilnego internetu szerokopasmowego (eMBB), masowej komunikacji maszynowej (mMTC) oraz komunikacji o wysokiej niezawodności i małym opóźnieniu (URLLC). Rozszerzenia pozostają częścią LTE i dostosowują system do tych klas ruchu.

2. Agregacja nośnych i modulacja w LTE-Advanced Pro

LTE-Advanced Pro wprowadziło nowe kategorie usług, a jednocześnie zwiększyło szczytowe prędkości mobilnego internetu szerokopasmowego, gdy pozwalały na to urządzenie, widmo i warunki radiowe. Głównymi mechanizmami były szersza agregacja nośnych i wydajniejsza modulacja, bez zmiany rodziny interfejsu radiowego LTE.

Rozszerzona agregacja nośnych

Agregacja nośnych jest jednym z mechanizmów LTE-Advanced, a LTE-Advanced Pro rozszerzyło jej zakres.

Do 32 Nośnych Składowych: W Release 13 rozszerzono sygnalizację agregacji nośnych z ukierunkowania Release 10 na pięć nośnych do konfiguracji obejmujących do 32 nośnych składowych. UE nadal zgłasza własne możliwości, dlatego nie jest to obietnica odbioru 32 nośnych przez każdy telefon. Rozwiązanie pozwala łączyć bardziej rozproszone zasoby widma i zwiększać dostępną szerokość pasma, gdy wspierają to urządzenie i wdrożenie.
Dostęp Wspomagany Licencją (LAA) i LTE-U: LTE-U było wcześniejszym, rozwijanym przez operatorów podejściem do wykorzystania widma nielicencjonowanego, natomiast standaryzowany określono jako mechanizm agregacji nośnych LTE. LAA utrzymuje główne połączenie i sygnalizację sterującą w licencjonowanej nośnej, a następnie dodaje nośną w nielicencjonowanym paśmie 5 GHz. Mechanizm nasłuchiwania przed transmisją i pozostałe reguły współistnienia mają umożliwiać sprawiedliwe dzielenie pasma z Wi-Fi. Release 14 rozszerzyło LAA o łącze w górę, więc nośna nielicencjonowana nie służyła już wyłącznie zwiększaniu przepływności w dół.
Agregacja FDD i TDD: Agregacja LTE obsługuje nośne w dupleksie z podziałem częstotliwości (FDD) i w dupleksie z podziałem czasu (TDD). Kolejne wydania rozszerzały kombinacje i sygnalizację możliwości, co ułatwiło operatorom wspólne wykorzystanie różnych zasobów widma, jeśli dana kombinacja była określona dla UE.

Modulacja wyższego rzędu: 256-QAM

W celu dalszego zwiększenia efektywności widmowej ewolucja LTE-Advanced wprowadziła 256-QAM (kwadraturową modulację amplitudy) w łączu w dół w Release 12, a w Release 14 dodała obsługę łącza w górę dla określonych kategorii UE. Modulacja jest wybierana wtedy, gdy zgłoszona jakość kanału uzasadnia jej większą efektywność widmową.

dla 256-QAM ma 256 odrębnych punktów. Ponieważ $2^8 = 256$ , każdy symbol może zakodować 8 bitów informacji. Stanowi to wzrost o 33% w porównaniu z 6 bitami na symbol oferowanymi przez 64-QAM. Punkty są jednak położone bliżej siebie, dlatego odbiornik potrzebuje wyższego stosunku sygnału do sumy zakłóceń i szumu. Gdy interferencje, zaniki lub mobilność obniżają jakość kanału, scheduler przełącza się na bardziej odporną modulację. Bezpośrednia widoczność między urządzeniem a stacją nie jest wymagana, chociaż 256-QAM częściej działa blisko stacji lub w innym miejscu z silnym i czystym sygnałem.

3. Profile IoT w LTE-Advanced Pro

Jednym z ważnych wkładów LTE-Advanced Pro było wprowadzenie profili radiowych dla . Zwykłe UE LTE mogło być zbyt drogie i energochłonne dla czujnika wysyłającego kilka bajtów dziennie. Dlatego w Release 13 określono dwie uzupełniające się rodziny komórkowego IoT, NB-IoT i LTE-M, a późniejsze wydania dodały ulepszenia mobilności, zasięgu i ciągłości usług.

NB-IoT (Narrowband-IoT)

NB-IoT to technologia LPWA (Low Power Wide Area) przeznaczona do masowej komunikacji maszynowej (mMTC). Jest dostosowana do bardzo prostych urządzeń, które przesyłają niewielkie ilości danych rzadko.

Długi czas pracy na baterii: NB-IoT jest projektowane z myślą o długiej pracy baterii, a dla określonych scenariuszy ruchu i zasięgu podaje się wartości do 10 lat. Tryb oszczędzania energii (PSM) i rozszerzony nieciągły odbiór (eDRX) pozwalają urządzeniu spać między rzadkimi transmisjami.
Zwiększony zasięg: NB-IoT wykorzystuje kanał 200 kHz, odpowiadający jednemu blokowi zasobów fizycznych. Wąskopasmowa praca i powtórzenia związane ze zwiększeniem zasięgu mogą poprawić odbiór w trudnych warunkach wewnątrz budynków lub pod ziemią, lecz osiągnięty zasięg zależy od wdrożenia.
Obsługa dużej liczby urządzeń: Profil o małej złożoności przeznaczono dla dużych populacji urządzeń współdzielących komórkę. O praktycznej liczbie decydują przydzielone zasoby, charakter ruchu i tryb zwiększania zasięgu. Nie ma jednej stałej liczby terminali.
Mała złożoność modułu: Prostota modułu radiowego ogranicza wymagania sprzętowe.
Przykłady Zastosowań: Inteligentne liczniki (wody, gazu, prądu), czujniki w inteligentnym rolnictwie, aplikacje smart city (np. czujniki parkowania, inteligentne kosze na śmieci).

LTE-M (znane również jako eMTC)

LTE-M (Long Term Evolution for Machines) to technologia LPWA zaprojektowana dla szerszego profilu usług przy zachowaniu pracy o małym poborze energii.

Wyższa Prędkość Danych: W porównaniu z NB-IoT LTE-M oferuje szerszy profil o większej przepływności, a około 1 Mb/s jest używane jako wartość reprezentatywna. Taki profil sprawdza się przy danych telemetrycznych i aktualizacjach oprogramowania układowego, zależnie od kategorii UE i warunków radiowych.
Wsparcie dla Mobilności: LTE-M zaprojektowano dla urządzeń, które mogą się poruszać, i obsługuje procedury przełączeń. NB-IoT początkowo skupiało się na prostszych wdrożeniach stacjonarnych, a kolejne wydania dodały mu mobilność i ciągłość usług.
Wsparcie dla Głosu (VoLTE): LTE-M może obsługiwać usługi głosowe, takie jak VoLTE, gdy wymagany profil jest zaimplementowany w sieci i urządzeniu. Umożliwia to na przykład osobiste alarmy medyczne lub windy podłączone do sieci.
Przykłady Zastosowań: Śledzenie aktywów, zarządzanie flotą, urządzenia noszone (smartwatche), alarmy bezpieczeństwa, terminale płatnicze.

4. D2D i C-V2X

LTE-Advanced Pro rozszerzyło prace LTE nad komunikacją sidelink w kierunku pojazdów. W Release 14 dodano ramy C-V2X dla komunikatów bezpieczeństwa i informacji o ruchu, natomiast wcześniejsze prace nad bezpośrednią komunikacją użytkowników były częścią Usług Bliskości LTE.

Komunikacja Urządzenie-do-Urządzenia (D2D) i Usługi Bliskości (ProSe)

Podstawą tych rozwiązań jest komunikacja Urządzenie-do-Urządzenia (D2D), określona w Usługach Bliskości LTE (ProSe). Dwa urządzenia użytkowników mogą komunikować się bezpośrednio, bez prowadzenia każdego pakietu przez eNodeB. Sieć może konfigurować i nadzorować zasoby, a uprawnione tryby bezpieczeństwa publicznego mogą korzystać z komunikacji bezpośredniej także wtedy, gdy zasięg sieci jest niedostępny.

Komórkowe V2X (C-V2X)

Na bazie D2D Release 14 wprowadziło dla LTE komórkowe V2X (Vehicle-to-Everything). Pojazdy mogą wymieniać informacje wrażliwe na czas bezpośrednio lub przez sieć, wspierając bezpieczeństwo drogowe i sprawność ruchu. Funkcje te dostarczają łączności dla systemów wspomagających automatyzację jazdy, lecz same nie realizują autonomicznego prowadzenia.

V2V (Pojazd-do-Pojazdu):Samochody mogą bezpośrednio rozgłaszać swoją pozycję, prędkość i status do innych pobliskich samochodów. Umożliwia to aplikacje takie jak ostrzeganie przed kolizją czołową, asystenta zmiany pasa ruchu i możliwości "widzenia przezroczystego", gdzie samochód może ostrzegać innych o przeszkodzie, którą widzi z przodu.
V2I (Pojazd-do-Infrastruktury): Pojazdy komunikują się z infrastrukturą przydrożną, taką jak sygnalizacja świetlna czy znaki cyfrowe. Może to dostarczać kierowcom ostrzeżeń o nadchodzących zagrożeniach lub optymalizować przepływ ruchu poprzez dostosowywanie czasów sygnałów.
V2P (Pojazd-do-Pieszego): Pojazdy mogą komunikować się z narażonymi użytkownikami dróg, takimi jak piesi i rowerzyści, na przykład za pośrednictwem ich smartfonów, w celu zapobiegania wypadkom.
V2N (Pojazd-do-Sieci): Tradycyjne połączenie komórkowe, które zapewnia pojazdom usługi takie jak aktualizacje ruchu w czasie rzeczywistym, nawigację i infotainment.

Interfejsem bezpośredniej komunikacji V2V i V2I w C-V2X jest PC5, czyli interfejs sidelink LTE wywodzący się z prac nad D2D. Jego opóźnienie i niezawodność zależą od skonfigurowanych zasobów radiowych oraz warunków kanału, dlatego profil jest przeznaczony dla wrażliwych czasowo komunikatów bezpieczeństwa.