Krótki przewodnik po LTE

LTE to skrót od Long Term Evolution , rozpoczęty jako projekt w 2004 roku przez organizację telekomunikacyjną znaną jako Third Generation Partnership Project (3GPP). SAE (System Architecture Evolution) jest odpowiednikiem ewolucji ewolucji rdzeniowej sieci pakietowej GPRS / 3G. Termin LTE jest zwykle używany do określenia zarówno LTE, jak i SAE.

LTE wyewoluowało z wcześniejszego systemu 3GPP znanego jako Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), który z kolei wyewoluował z Globalnego Systemu Komunikacji Mobilnej (GSM). Nawet powiązane specyfikacje były formalnie znane jako rozwinięty naziemny dostęp radiowy UMTS (E-UTRA) i rozwinięta naziemna sieć dostępu radiowego UMTS (E-UTRAN). Pierwsza wersja LTE została udokumentowana w wydaniu 8 specyfikacji 3GPP.

Szybki wzrost wykorzystania danych mobilnych i pojawienie się nowych aplikacji, takich jak MMOG (Multimedia Online Gaming), telewizja mobilna, Web 2.0, treści przesyłane strumieniowo zmotywowało projekt partnerski trzeciej generacji (3GPP) do pracy nad długoterminową ewolucją (LTE) na drodze do telefonów komórkowych czwartej generacji.

Głównym celem LTE jest zapewnienie wysokiej szybkości transmisji danych, małych opóźnień i technologii dostępu radiowego zoptymalizowanej pod kątem pakietów, wspierającej wdrażanie elastycznych pasm. Jednocześnie architektura sieci została zaprojektowana z myślą o obsłudze ruchu z komutacją pakietów z bezproblemową mobilnością i doskonałą jakością usług.

Ewolucja LTE

Rok	Zdarzenie
Marzec 2000	Wersja 99 - UMTS / WCDMA
Marzec 2002	Rel 5 - HSDPA
Mar 2005	Rel 6 - HSUPA
Rok 2007	Rel 7 - DL MIMO, IMS (IP Multimedia Subsystem)
Listopad 2004	Rozpoczęto prace nad specyfikacją LTE
Styczeń 2008	Specyfikacja sfinalizowana i zatwierdzona w wersji 8
2010	Ukierunkowane pierwsze wdrożenie

Fakty o LTE

LTE jest następcą technologii nie tylko UMTS, ale także CDMA 2000.
LTE jest ważne, ponieważ przyniesie nawet 50-krotną poprawę wydajności i znacznie lepszą wydajność widmową w sieciach komórkowych.
Wprowadzono LTE, aby uzyskać wyższe szybkości transmisji danych, szczytowe łącze w dół 300 Mb / s i szczytowe łącze w górę 75 Mb / s. W przypadku nośnika 20 MHz szybkości transmisji danych powyżej 300 Mb / s można osiągnąć przy bardzo dobrych warunkach sygnału.
LTE to idealna technologia do obsługi wysokich prędkości transmisji danych w usługach takich jak Voice over IP (VOIP), strumieniowanie multimediów, wideokonferencje, a nawet szybki modem komórkowy.
LTE wykorzystuje tryb dupleksu z podziałem czasu (TDD) i dupleksu z podziałem częstotliwości (FDD). W FDD transmisja łącza w górę i w dół wykorzystywała różne częstotliwości, podczas gdy w trybie TDD zarówno łącze w górę, jak i łącze w dół wykorzystują tę samą nośną i są rozdzielone w czasie.
LTE obsługuje elastyczne szerokości pasma nośnej od 1,4 MHz do 20 MHz, a także FDD i TDD. LTE zaprojektowane ze skalowalną szerokością pasma nośnej od 1,4 MHz do 20 MHz, której przepustowość jest używana, zależy od pasma częstotliwości i ilości widma dostępnego u operatora sieci.
Wszystkie urządzenia LTE muszą obsługiwać (MIMO) transmisje Multiple Input Multiple Output, co pozwala stacji bazowej na jednoczesną transmisję kilku strumieni danych na tej samej nośnej.
Wszystkie interfejsy między węzłami sieci w LTE są teraz oparte na protokole IP, w tym połączenie typu backhaul z radiowymi stacjami bazowymi. Jest to duże uproszczenie w porównaniu z wcześniejszymi technologiami, które początkowo były oparte na łączach E1 / T1, ATM i Frame Relay, przy czym większość z nich była wąskopasmowa i droga.
Mechanizm jakości usług (QoS) został ustandaryzowany na wszystkich interfejsach, aby zapewnić, że wymóg wywołań głosowych o stałym opóźnieniu i szerokości pasma może być nadal spełniony po osiągnięciu limitów wydajności.
Współpracuje z systemami GSM / EDGE / UMTS wykorzystując istniejące widmo 2G i 3G oraz nowe widmo. Obsługuje przekazywanie i roaming do istniejących sieci komórkowych.

Zalety LTE

High throughput:Wysokie szybkości transmisji danych można osiągnąć zarówno w łączu w dół, jak i w łączu w górę. To powoduje dużą przepustowość.
Low latency: Czas wymagany do połączenia się z siecią wynosi kilkaset milisekund, a stany oszczędzania energii można teraz wprowadzać i wychodzić z nich bardzo szybko.
FDD and TDD in the same platform: Dupleks z podziałem częstotliwości (FDD) i dupleks z podziałem czasu (TDD), oba schematy mogą być używane na tej samej platformie.
Superior end-user experience:Zoptymalizowana sygnalizacja dla ustanowienia połączenia i innych interfejsów radiowych oraz procedur zarządzania mobilnością jeszcze bardziej poprawiła wrażenia użytkownika. Zmniejszone opóźnienie (do 10 ms) dla lepszego doświadczenia użytkownika.
Seamless Connection: LTE będzie również obsługiwać bezproblemowe połączenie z istniejącymi sieciami, takimi jak GSM, CDMA i WCDMA.
Plug and play:Użytkownik nie musi ręcznie instalować sterowników dla urządzenia. Zamiast tego system automatycznie rozpoznaje urządzenie, w razie potrzeby ładuje nowe sterowniki sprzętu i rozpoczyna pracę z nowo podłączonym urządzeniem.
Simple architecture: Ze względu na prostą architekturę niskie koszty operacyjne (OPEX).

LTE - QoS

Architektura LTE obsługuje hard QoS,z kompleksową jakością usług i gwarantowaną przepływnością (GBR) dla nośników radiowych. Podobnie jak Ethernet i Internet mają różne typy QoS, na przykład różne poziomy QoS mogą być stosowane do ruchu LTE dla różnych aplikacji. Ponieważ LTE MAC jest w pełni zaplanowany, QoS jest naturalne.

Nośniki Evolved Packet System (EPS) zapewniają bezpośrednią korespondencję z nośnikami radiowymi RLC i zapewniają obsługę szablonów przepływu ruchu (TFT). Istnieją cztery rodzaje nośników EPS:

GBR Bearer zasoby przydzielone na stałe w ramach kontroli dostępu
Non-GBR Bearer brak kontroli wstępu
Dedicated Bearer związane z określonym TFT (GBR lub nie-GBR)
Default Bearer Non GBR, catch-all dla nieprzypisanego ruchu

W tej sekcji podsumujemy podstawowe parametry LTE:

Parametry	Opis
Zakres częstotliwości	Pasma UMTS FDD i pasma TDD zdefiniowane w 36.101 (v860) Tabela 5.5.1, podane poniżej
Dupleksowanie	FDD, TDD, półdupleks FDD
Kodowanie kanałów	Kod Turbo
Mobilność	350 km / h
Szerokość pasma kanału (MHz)	1.4 3 5 10 15 20
Konfiguracja przepustowości transmisji NRB: (1 blok zasobów = 180 kHz w 1 ms TTI)	6 15 25 50 75 100
Schematy modulacji	UL: QPSK, 16QAM, 64QAM (opcjonalnie) DL: QPSK, 16QAM, 64QAM
Schematy wielokrotnego dostępu	UL: SC-FDMA (wielokrotny dostęp z podziałem częstotliwości z pojedynczą nośną) obsługuje 50 Mb / s + (pasmo 20 MHz) DL: OFDM (wielokrotny dostęp z ortogonalnym podziałem częstotliwości) obsługuje 100 Mb / s + (pasmo 20 MHz)
Technologia wielu anten	UL: MIMO do współpracy wielu użytkowników DL: TxAA, multipleksowanie przestrzenne, CDD, macierz max 4x4
Szczytowa prędkość transmisji danych w LTE	UL: 75 Mb / s (przepustowość 20 MHz) DL: 150 Mb / s (kategoria UE 4, 2x2 MIMO, przepustowość 20 MHz) DL: 300 Mb / s (kategoria UE 5, 4x4 MIMO, przepustowość 20 MHz)
MIMO (Wiele wejść, wiele wyjść)	UL: 1 x 2, 1 x 4 DL: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4
Pokrycie	5 - 100 km z lekką degradacją po 30 km
QoS	E2E QOS umożliwiający priorytetyzację różnych klas usług
Czas oczekiwania	Opóźnienie użytkownika końcowego <10 ms

Pasma operacyjne E-UTRA

Poniżej znajduje się tabela pasm operacyjnych E-UTRA zaczerpnięta z specyfikacji LTE 36.101 (v860) Tabela 5.5.1:

Architektura sieci wysokiego poziomu LTE składa się z trzech głównych komponentów:

Sprzęt użytkownika (UE).
Rozwinięta naziemna sieć dostępu radiowego UMTS (E-UTRAN).
Evolved Packet Core (EPC).

Rozwinięty rdzeń pakietowy komunikuje się z sieciami danych pakietowych w świecie zewnętrznym, takimi jak Internet, prywatne sieci korporacyjne lub podsystem multimedialny IP. Interfejsy między różnymi częściami systemu są oznaczone Uu, S1 i SGi, jak pokazano poniżej:

Sprzęt użytkownika (UE)

Architektura wewnętrzna sprzętu użytkownika dla LTE jest identyczna z architekturą używaną przez UMTS i GSM, które w rzeczywistości są urządzeniami mobilnymi (ME). Sprzęt mobilny składał się z następujących ważnych modułów:

Mobile Termination (MT) : Obsługuje wszystkie funkcje komunikacyjne.
Terminal Equipment (TE) : To kończy strumienie danych.
Universal Integrated Circuit Card (UICC): Jest to również znane jako karta SIM do urządzeń LTE. Uruchamia aplikację znaną jako Universal Subscriber Identity Module (USIM).

ZA USIMprzechowuje dane użytkownika bardzo podobne do karty SIM 3G. To zachowuje informacje o numerze telefonu użytkownika, tożsamości sieci domowej, kluczach bezpieczeństwa itp.

E-UTRAN (sieć dostępowa)

Architekturę rozwiniętej naziemnej sieci dostępu radiowego UMTS (E-UTRAN) zilustrowano poniżej.

E-UTRAN obsługuje komunikację radiową między telefonem komórkowym a rozwiniętym rdzeniem pakietowym i ma tylko jeden komponent, rozwinięte stacje bazowe, zwane eNodeB lub eNB. Każdy eNB jest stacją bazową, która kontroluje telefony komórkowe w jednej lub większej liczbie komórek. Stacja bazowa, która komunikuje się z telefonem komórkowym, jest znana jako jej obsługujący eNB.

LTE Mobile komunikuje się jednocześnie z tylko jedną stacją bazową i jedną komórką, a eNB obsługuje dwie główne funkcje:

ENB wysyła i odbiera transmisje radiowe do wszystkich telefonów komórkowych za pomocą analogowych i cyfrowych funkcji przetwarzania sygnałów interfejsu radiowego LTE.
ENB kontroluje niskopoziomowe działanie wszystkich swoich telefonów komórkowych, wysyłając im komunikaty sygnalizacyjne, takie jak polecenia przekazania.

Każdy eNB łączy się z EPC za pomocą interfejsu S1 i może być również połączony z pobliskimi stacjami bazowymi za pomocą interfejsu X2, który jest używany głównie do sygnalizacji i przesyłania pakietów podczas przekazywania.

Domowy eNB (HeNB) to stacja bazowa, która została zakupiona przez użytkownika w celu zapewnienia zasięgu femtocell w domu. Domowy eNB należy do zamkniętej grupy abonentów (CSG) i może być dostępny tylko dla telefonów komórkowych z USIM, który również należy do zamkniętej grupy abonentów.

The Evolved Packet Core (EPC) (The core network)

Architektura Evolved Packet Core (EPC) została zilustrowana poniżej. Istnieje kilka innych elementów, które nie zostały pokazane na schemacie, aby zachować prostotę. Są to takie elementy, jak system ostrzegania przed trzęsieniami ziemi i tsunami (ETWS), rejestr tożsamości sprzętu (EIR) oraz funkcja zasad kontroli i ładowania (PCRF).

Poniżej znajduje się krótki opis każdego z komponentów przedstawionych w powyższej architekturze:

Komponent Home Subscriber Server (HSS) został przeniesiony z UMTS i GSM i jest centralną bazą danych zawierającą informacje o wszystkich abonentach operatora sieci.
Brama sieci danych pakietowych (PDN) (P-GW) komunikuje się ze światem zewnętrznym, tj. sieci danych pakietowych PDN, wykorzystujące interfejs SGi. Każda sieć danych pakietowych jest identyfikowana przez nazwę punktu dostępu (APN). Brama PDN pełni taką samą rolę jak węzeł obsługujący GPRS (GGSN) i obsługujący węzeł obsługujący GPRS (SGSN) z UMTS i GSM.
Brama obsługująca (S-GW) działa jako router i przekazuje dane między stacją bazową a bramą PDN.
Jednostka zarządzania mobilnością (MME) kontroluje działanie telefonu komórkowego na wysokim poziomie za pomocą komunikatów sygnalizacyjnych i serwera abonentów macierzystych (HSS).
Funkcja Policy Control and Charging Rules Function (PCRF) jest komponentem, który nie jest pokazany na powyższym schemacie, ale jest odpowiedzialny za podejmowanie decyzji w zakresie kontroli polityki, a także za kontrolowanie funkcji pobierania opłat opartych na przepływach w funkcji egzekwowania polityki kontroli ( PCEF), który znajduje się w P-GW.

Funkcjonalny podział między E-UTRAN i EPC

Poniższy diagram przedstawia podział funkcjonalny między E-UTRAN i EPC dla sieci LTE:

2G / 3G w porównaniu z LTE

Poniższa tabela zawiera porównanie różnych ważnych protokołów elementów sieci i sygnalizacji używanych w 2G / 3G i LTE.

2G / 3G	LTE
GERAN i UTRAN	E-UTRAN
SGSN / PDSN-FA	S-GW
GGSN / PDSN-HA	PDN-GW
HLR / AAA	HSS
VLR	MME
SS7-MAP / ANSI-41 / RADIUS	Średnica
ŚrednicaGTPc-v0 i v1	GTPc-v2
MIP	PMIP

Sieć obsługiwana przez jednego operatora w jednym kraju jest znana jako publiczna lądowa sieć komórkowa (PLMN), a gdy subskrybowany użytkownik korzysta z PLMN swojego operatora, mówi się o nim Home-PLMN, ale roaming umożliwia użytkownikom poruszanie się poza ich siecią macierzystą i korzystanie z zasobów z sieci innego operatora. Ta inna sieć nazywa się Visited-PLMN.

Użytkownik roamingowy jest podłączony do E-UTRAN, MME i S-GW odwiedzanej sieci LTE. Jednak LTE / SAE pozwala na użycie P-GW odwiedzanej lub domowej sieci, jak pokazano poniżej:

P-GW sieci domowej pozwala użytkownikowi na dostęp do usług operatora macierzystego nawet w sieci odwiedzanej. P-GW w odwiedzanej sieci pozwala na „lokalne przełamanie” do Internetu w odwiedzanej sieci.

Interfejs między obsługującymi i bramkami PDN jest znany jako S5 / S8. Ma to dwie nieco różne implementacje, a mianowicie S5, jeśli dwa urządzenia znajdują się w tej samej sieci, i S8, jeśli znajdują się w różnych sieciach. W przypadku telefonów komórkowych, które nie korzystają z roamingu, bramy obsługujące i PDN można zintegrować w jednym urządzeniu, dzięki czemu interfejs S5 / S8 całkowicie zniknie.

Ładowanie w roamingu LTE

Złożoność nowych mechanizmów opłat wymaganych do obsługi roamingu 4G jest znacznie większa niż w środowisku 3G. Kilka słów na temat zarówno przedpłaconych, jak i z dołu, opłat za roaming LTE podano poniżej:

Prepaid Charging- Standard CAMEL, który umożliwia usługi prepaid w 3G, nie jest obsługiwany w LTE; dlatego informacje o klientach opłaconych z góry muszą być kierowane z powrotem do sieci domowej, a nie przez lokalną odwiedzaną sieć. W rezultacie operatorzy muszą polegać na nowych przepływach księgowych, aby uzyskać dostęp do przedpłaconych danych klientów, na przykład za pośrednictwem swoich bramek P w środowiskach IMS i innych niż IMS lub za pośrednictwem CSCF w środowisku IMS.
Postpaid Charging- Opłacane opłaty za transmisję danych działają tak samo w LTE jak w 3G, używając wersji TAP 3.11 lub 3.12. W przypadku lokalnego podziału usług IMS wymagany jest TAP 3.12.

Operatorzy nie mają takiego samego wglądu w działania abonenta, jak w scenariuszach routingu domowego w przypadku scenariuszy lokalnych wybić, ponieważ sesje danych abonenta są utrzymywane w odwiedzanej sieci; w związku z tym, aby operator macierzysty mógł przechwytywać w czasie rzeczywistym informacje o klientach przedpłaconych i abonamentowych, musi ustanowić interfejs Diameter między systemami ładowania a bramką P sieci odwiedzanej.

W przypadku lokalnego przełamania scenariusza usług ims odwiedzana sieć tworzy rekordy szczegółów połączeń (CDR) z bramek S, jednak te CDR nie zawierają wszystkich informacji wymaganych do utworzenia sesji mobilnej TAP 3.12 lub przesyłania wiadomości zapis zdarzenia dotyczący korzystania z usługi. W rezultacie operatorzy muszą skorelować główne CDR sieci danych z CDR IMS, aby utworzyć rekordy TAP.

Obszar sieci LTE jest podzielony na trzy różne typy obszarów geograficznych, które opisano poniżej:

SN	Obszar i opis
1	The MME pool areas Jest to obszar, przez który telefon komórkowy może się poruszać bez zmiany obsługującego MME. Każdy obszar puli MME jest kontrolowany przez co najmniej jeden MME w sieci.
2	The S-GW service areas Jest to obszar obsługiwany przez jedną lub więcej bram obsługujących S-GW, przez które telefon komórkowy może się poruszać bez zmiany bramy obsługującej.
3	The Tracking areas Obszary puli MME i obszary usługowe S-GW są wykonane z mniejszych, nienakładających się jednostek zwanych obszarami śledzenia (TA). Są podobne do lokalizacji i obszarów trasowania z UMTS i GSM i będą wykorzystywane do śledzenia lokalizacji telefonów komórkowych w trybie gotowości.

Zatem sieć LTE będzie składać się z wielu obszarów puli MME, wielu obszarów usługowych S-GW i wielu obszarów śledzenia.

Identyfikatory sieci

Sama sieć zostanie zidentyfikowana za pomocą identyfikacji publicznej sieci telefonii komórkowej (PLMN-ID), która będzie miała trzycyfrowy kod kraju mobilnego (MCC) oraz dwu- lub trzycyfrowy kod sieci komórkowej (MNC). Na przykład mobilny kod kraju dla Wielkiej Brytanii to 234, podczas gdy brytyjska sieć Vodafone używa kodu sieci komórkowej 15.

Identyfikatory MME

Każdy MME ma trzy główne tożsamości. Kod MME (MMEC) jednoznacznie identyfikuje MME we wszystkich obszarach puli. Grupa MME ma przypisaną tożsamość grupy MME (MMEGI), która wraz z MMEC tworzy identyfikator MME (MMEI). MMEI jednoznacznie identyfikuje MME w określonej sieci.

Jeśli połączymy PLMN-ID z MMEI, otrzymamy globalnie unikalny identyfikator MME (GUMMEI), który identyfikuje MME w dowolnym miejscu na świecie:

Identyfikatory obszarów śledzenia

Każdy obszar śledzenia ma dwie główne tożsamości. Kod obszaru śledzenia (TAC) identyfikuje obszar śledzenia w ramach określonej sieci i jeśli połączymy go z identyfikatorem PLMN, otrzymamy globalnie unikalną tożsamość obszaru śledzenia (TAI).

Identyfikatory komórek

Każda komórka w sieci ma trzy typy tożsamości. Tożsamość komórki E-UTRAN (ECI) identyfikuje komórkę w określonej sieci, podczas gdy globalny identyfikator komórki E-UTRAN (ECGI) identyfikuje komórkę w dowolnym miejscu na świecie.

Fizyczna tożsamość komórki, która jest liczbą od 0 do 503 i odróżnia komórkę od jej bezpośrednich sąsiadów.

Identyfikator urządzenia mobilnego

Międzynarodowy identyfikator mobilnego sprzętu (IMEI) jest unikalną tożsamością dla sprzętu mobilnego, a międzynarodowy numer identyfikacyjny abonenta mobilnego (IMSI) jest unikalną tożsamością dla UICC i USIM.

Tymczasowy identyfikator abonenta sieci komórkowej M (M-TMSI) identyfikuje telefon komórkowy w obsługującym mu MME. Dodanie kodu MME do M-TMSI skutkuje tymczasową tożsamością abonenta sieci komórkowej S (S-TMSI), która identyfikuje telefon komórkowy w obszarze puli MME.

Na koniec dodanie tożsamości grupy MME i tożsamości PLMN za pomocą S-TMSI daje w wyniku Globalnie Unikalną Tymczasową Tożsamość (GUTI).

Architekturę protokołu radiowego dla LTE można podzielić na control plane architektura i user plane architektura, jak pokazano poniżej:

Po stronie płaszczyzny użytkownika aplikacja tworzy pakiety danych, które są przetwarzane przez protokoły, takie jak TCP, UDP i IP, podczas gdy w płaszczyźnie sterowania protokół kontroli zasobów radiowych (RRC) zapisuje komunikaty sygnalizacyjne, które są wymieniane między stacją bazową a mobilny. W obu przypadkach informacje są przetwarzane przez protokół zbieżności danych pakietowych (PDCP), protokół sterowania łączem radiowym (RLC) i protokół kontroli dostępu do nośnika (MAC), zanim zostaną przekazane do warstwy fizycznej w celu transmisji.

Płaszczyzna użytkownika

Stos protokołu płaszczyzny użytkownika między e-Node B i UE składa się z następujących podwarstw:

PDCP (protokół konwergencji danych pakietowych)
RLC (sterowanie łączem radiowym)
Kontrola dostępu do nośnika (MAC)

Na płaszczyźnie użytkownika pakiety w sieci rdzeniowej (EPC) są kapsułkowane w określonym protokole EPC i tunelowane między P-GW i eNodeB. W zależności od interfejsu używane są różne protokoły tunelowania. Protokół tunelowania GPRS (GTP) jest używany na interfejsie S1 między eNodeB i S-GW oraz na interfejsie S5 / S8 między S-GW i P-GW.

Pakiety odebrane przez warstwę nazywane są jednostkami danych usługowych (SDU), podczas gdy pakiet wyjściowy warstwy jest określany przez jednostkę danych protokołu (PDU), a pakiety IP na płaszczyźnie użytkownika przepływają z warstwy górnej do dolnej.

Sterowanie samolotem

Płaszczyzna sterowania zawiera dodatkowo warstwę sterowania zasobami radiowymi (RRC), która jest odpowiedzialna za konfigurowanie niższych warstw.

Płaszczyzna sterowania obsługuje funkcje radiowe, które zależą od stanu sprzętu użytkownika, który obejmuje dwa stany: bezczynny lub połączony.

Tryb	Opis
Bezczynny	Sprzęt użytkownika obozuje w komórce po procesie selekcji lub ponownego wyboru komórki, w którym uwzględniane są takie czynniki, jak jakość łącza radiowego, stan komórki i technologia dostępu radiowego. UE monitoruje również kanał przywoławczy w celu wykrywania połączeń przychodzących i uzyskiwania informacji o systemie. W tym trybie protokoły płaszczyzny sterowania obejmują procedury wyboru i ponownego wyboru komórek.
Połączony	UE dostarcza do E-UTRAN jakość kanału łącza w dół i informacje o sąsiedniej komórce, aby umożliwić E-UTRAN wybranie najbardziej odpowiedniej komórki dla UE. W tym przypadku protokół płaszczyzny sterowania obejmuje protokół sterowania łączem radiowym (RRC).

Stos protokołów dla płaszczyzny sterowania między UE a MME jest pokazany poniżej. Szary obszar stosu wskazuje protokoły warstwy dostępu (AS). Niższe warstwy wykonują te same funkcje, co w przypadku płaszczyzny użytkownika, z wyjątkiem tego, że nie ma funkcji kompresji nagłówka dla płaszczyzny sterowania.

Przyjrzyjmy się bliżej wszystkim warstwom dostępnym w stosie protokołów E-UTRAN, które widzieliśmy w poprzednim rozdziale. Poniżej znajduje się bardziej rozbudowany schemat stosu protokołów E-UTRAN:

Warstwa fizyczna (warstwa 1)

Warstwa fizyczna przenosi wszystkie informacje z kanałów transportowych MAC przez interfejs radiowy. Zajmuje się adaptacją łącza (AMC), kontrolą mocy, wyszukiwaniem komórek (w celu wstępnej synchronizacji i przekazywania) oraz innymi pomiarami (w systemie LTE i między systemami) dla warstwy RRC.

Warstwa dostępu do medium (MAC)

Warstwa MAC jest odpowiedzialna za mapowanie między kanałami logicznymi i kanałami transportowymi, multipleksowanie SDU MAC z jednego lub różnych kanałów logicznych na bloki transportowe (TB), które mają być dostarczone do warstwy fizycznej w kanałach transportowych, de multipleksowanie SDU MAC z jednego lub różnych logicznych kanały z bloków transportowych (TB) dostarczanych z warstwy fizycznej na kanałach transportowych, Raportowanie informacji o harmonogramie, Korekcja błędów przez HARQ, Obsługa priorytetów między UE za pomocą dynamicznego planowania, Obsługa priorytetów między kanałami logicznymi jednego UE, Priorytetyzacja kanałów logicznych.

Sterowanie łączem radiowym (RLC)

RLC działa w 3 trybach pracy: tryb przezroczysty (TM), tryb niepotwierdzony (UM) i tryb potwierdzony (AM).

Warstwa RLC jest odpowiedzialna za przesyłanie jednostek PDU wyższej warstwy, korekcję błędów przez ARQ (tylko w przypadku przesyłania danych AM), konkatenację, segmentację i ponowny montaż jednostek RLC SDU (tylko w przypadku przesyłania danych UM i AM).

RLC jest również odpowiedzialny za ponowną segmentację jednostek PDU danych RLC (tylko w przypadku przesyłania danych AM), zmianę kolejności jednostek PDU danych RLC (tylko w przypadku przesyłania danych UM i AM), wykrywanie duplikatów (tylko w przypadku przesyłania danych UM i AM), odrzucanie RLC SDU (Tylko dla przesyłania danych UM i AM), przywrócenie RLC i wykrywanie błędów protokołu (Tylko dla przesyłania danych AM).

Kontrola zasobów radiowych (RRC)

Główne usługi i funkcje podwarstwy RRC obejmują rozgłaszanie informacji systemowych związanych z warstwą bez dostępu (NAS), rozgłaszanie informacji systemowych związanych z warstwą dostępu (AS), przywoływanie, ustanawianie, utrzymywanie i zwalnianie połączenia RRC między UE i E-UTRAN, funkcje bezpieczeństwa, w tym zarządzanie kluczami, ustanawianie, konfigurowanie, utrzymywanie i udostępnianie nośników radiowych typu punkt-punkt.

Kontrola zbieżności danych pakietowych (PDCP)

Warstwa PDCP jest odpowiedzialna za kompresję nagłówka i dekompresję danych IP, przesyłanie danych (płaszczyzna użytkownika lub płaszczyzna kontrolna), utrzymanie numerów sekwencji PDCP (SN), dostarczanie w sekwencji PDU górnej warstwy przy przywracaniu niższych warstw, duplikat eliminacja SDU niższych warstw przy przywracaniu niższych warstw dla nośników radiowych mapowanych na RLC AM, szyfrowanie i odszyfrowywanie danych samolotu użytkownika i danych płaszczyzny sterowania, ochrona integralności i weryfikacja integralności danych płaszczyzny sterowania, odrzucanie na podstawie timera, usuwanie duplikatów, PDCP jest używany dla SRB i DRB odwzorowanych na kanałach logicznych typu DCCH i DTCH.

Protokoły Non Access Stratum (NAS)

Protokoły warstwy bez dostępu (NAS) tworzą najwyższą warstwę płaszczyzny sterowania między sprzętem użytkownika (UE) a MME.

Protokoły NAS obsługują mobilność UE i procedury zarządzania sesjami w celu ustanowienia i utrzymania łączności IP między UE a PDN GW.

Poniżej znajduje się logiczny schemat warstw protokołu E-UTRAN z przedstawieniem przepływu danych przez różne warstwy:

Pakiety odebrane przez warstwę nazywane są jednostkami danych usługowych (SDU), podczas gdy pakiet wyjściowy warstwy jest określany przez jednostkę danych protokołu (PDU). Zobaczmy przepływ danych od góry do dołu:

Warstwa IP przesyła PDCP SDU (pakiety IP) do warstwy PDCP. Warstwa PDCP wykonuje kompresję nagłówka i dodaje nagłówek PDCP do tych SDU PDCP. Warstwa PDCP przesyła PDCP PDU (RLC SDU) do warstwy RLC.

PDCP Header Compression: PDCP usuwa nagłówek IP (minimum 20 bajtów) z PDU i dodaje token o wielkości 1-4 bajtów. Zapewnia to ogromne oszczędności w ilości nagłówka, który w przeciwnym razie musiałby przejść przez powietrze.
Warstwa RLC dokonuje segmentacji tych SDUS, aby utworzyć jednostki RLC PDU. RLC dodaje nagłówek w oparciu o tryb pracy RLC. RLC przesyła te jednostki RLC PDU (MAC SDU) do warstwy MAC.

RLC Segmentation: Jeśli jednostka RLC SDU jest duża lub dostępna szybkość transmisji danych radiowych jest niska (co powoduje powstawanie małych bloków transportowych), jednostka RLC SDU może zostać podzielona na kilka jednostek RLC PDU. Jeśli jednostka RLC SDU jest mała lub dostępna szybkość transmisji danych radiowych jest wysoka, kilka jednostek RLC SDU może być zapakowanych w jedną jednostkę PDU.
Warstwa MAC dodaje nagłówek i wypełnia, aby dopasować ten MAC SDU w TTI. Warstwa MAC przesyła MAC PDU do warstwy fizycznej w celu przesłania go do kanałów fizycznych.
Kanał fizyczny przesyła te dane do szczelin podramki.

Informacje przepływające między różnymi protokołami są znane jako kanały i sygnały. LTE wykorzystuje kilka różnych typów kanałów logicznych, transportowych i fizycznych, które różnią się rodzajem przenoszonych informacji oraz sposobem ich przetwarzania.

Logical Channels : Definiować whattype informacji jest przesyłanych bezprzewodowo, np. kanały ruchu, kanały sterowania, rozgłaszanie systemowe itp. Komunikaty danych i sygnalizacji są przesyłane kanałami logicznymi między protokołami RLC i MAC.
Transport Channels : Definiować howiscoś przesyłanego drogą radiową, np. co koduje, opcje przeplatania używane do przesyłania danych. Dane i komunikaty sygnalizacyjne są przenoszone w kanałach transportowych między MAC a warstwą fizyczną.
Physical Channels : Definiować whereiscoś przesłanego bezprzewodowo, np. pierwsze N symboli w ramce DL. Dane i komunikaty sygnalizacyjne są przenoszone kanałami fizycznymi między różnymi poziomami warstwy fizycznej.

Kanały logiczne

Kanały logiczne definiują rodzaj przesyłanych danych. Kanały te definiują usługi przesyłania danych oferowane przez warstwę MAC. Komunikaty danych i sygnalizacyjne są przenoszone w kanałach logicznych między protokołami RLC i MAC.

Kanały logiczne można podzielić na kanały sterujące i kanały ruchu. Kanał sterowania może być kanałem wspólnym lub kanałem dedykowanym. Kanał wspólny oznacza wspólny dla wszystkich użytkowników w komórce (punkt do wielu punktów), podczas gdy kanały dedykowane oznaczają, że kanały mogą być używane tylko przez jednego użytkownika (punkt do punktu).

Kanały logiczne rozróżnia się na podstawie przenoszonych przez nie informacji i można je klasyfikować na dwa sposoby. Po pierwsze, logiczne kanały ruchu przenoszą dane na płaszczyźnie użytkownika, podczas gdy logiczne kanały sterujące przenoszą komunikaty sygnalizacyjne na płaszczyźnie sterowania. Poniższa tabela zawiera listę kanałów logicznych używanych przez LTE:

Nazwa kanału	Akronim	Kanał sterowania	Kanał ruchu
Kanał sterowania transmisją	BCCH	X
Kanał kontroli stronicowania	PCCH	X
Wspólny kanał sterowania	CCCH	X
Dedykowany kanał sterowania	DCCH	X
Kanał sterowania multiemisją	MCCH	X
Dedykowany kanał ruchu	DTCH		X
Kanał ruchu multiemisji	MTCH		X

Kanały transportowe

Kanały transportowe określają, w jaki sposób iz jakimi cechami dane są przesyłane przez warstwę fizyczną. Dane i komunikaty sygnalizacyjne są przenoszone w kanałach transportowych między MAC a warstwą fizyczną.

Kanały transportowe są rozróżniane na podstawie sposobów, w jakie manipuluje nimi procesor kanału transportowego. Poniższa tabela zawiera listę kanałów transportowych używanych przez LTE:

Nazwa kanału	Akronim	Downlink	Uplink
Kanał nadawczy	BCH	X
Kanał współdzielony w dół	DL-SCH	X
Kanał przywoławczy	PCH	X
Kanał multiemisji	MCH	X
Uplink Shared Channel	UL-SCH		X
Kanał o dostępie swobodnym	RACH		X

Kanały fizyczne

Dane i komunikaty sygnalizacyjne są przenoszone kanałami fizycznymi między różnymi poziomami warstwy fizycznej i odpowiednio są podzielone na dwie części:

Fizyczne kanały danych
Kanały kontroli fizycznej

Fizyczne kanały danych

Fizyczne kanały danych rozróżnia się sposobem, w jaki manipuluje nimi procesor kanału fizycznego, oraz sposobem, w jaki są one odwzorowywane na symbole i podnośne wykorzystywane przez multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDMA). Poniższa tabela zawiera listę plikówphysical data channels które są używane przez LTE:

Nazwa kanału	Akronim	Downlink	Uplink
Fizyczny kanał współdzielony w dół	PDSCH	X
Fizyczny kanał nadawczy	PBCH	X
Fizyczny kanał multiemisji	PMCH	X
Współdzielony kanał fizycznego łącza w górę	PUSCH		X
Fizyczny kanał dostępu swobodnego	PRACH		X

Plik transport channelprocesor tworzy kilka typów informacji sterujących, aby wspierać działanie warstwy fizycznej na niskim poziomie. Są one wymienione w poniższej tabeli:

Nazwa pola	Akronim	Downlink	Uplink
Informacje kontrolne łącza w dół	DCI	X
Wskaźnik formatu sterowania	CFI	X
Hybrydowy wskaźnik ARQ	CZEŚĆ	X
Informacje o sterowaniu łączem w górę	UCI		X

Kanały kontroli fizycznej

Procesor kanału transportowego tworzy również informacje sterujące, które obsługują niskopoziomowe działanie warstwy fizycznej i wysyła te informacje do procesora kanału fizycznego w postaci fizycznych kanałów sterujących.

Informacje docierają do procesora kanału transportowego w odbiorniku, ale są całkowicie niewidoczne dla wyższych warstw. Podobnie, procesor kanału fizycznego wytwarza sygnały fizyczne, które obsługują najniższe poziomy systemu.

Kanały kontroli fizycznej są wymienione w poniższej tabeli:

Nazwa kanału	Akronim	Downlink	Uplink
Kanał wskaźnika formatu kontroli fizycznej	PCFICH	X
Fizyczny hybrydowy kanał wskaźnika ARQ	PHICH	X
Fizyczny kanał kontrolny łącza w dół	PDCCH	X
Fizyczny kanał sterowania przekaźnika w dół	R-PDCCH	X
Fizyczny kanał sterowania łączem w górę	PUCCH		X

Stacja bazowa przesyła również dwa inne sygnały fizyczne, które pomagają telefonowi komórkowemu w pozyskaniu stacji bazowej po jej pierwszym włączeniu. Są one znane jako główny sygnał synchronizacji (PSS) i wtórny sygnał synchronizacji (SSS).

Aby przezwyciężyć wpływ problemu zanikania wielu ścieżek dostępnego w UMTS, LTE wykorzystuje ortogonalne zwielokrotnienie z podziałem częstotliwości (OFDM) dla łącza w dół - to znaczy od stacji bazowej do terminala w celu przesyłania danych w wielu wąskopasmowych karierach po 180 kHz każda. rozprzestrzeniania jednego sygnału w całym paśmie kariery 5 MHz, tj. OFDM wykorzystuje dużą liczbę wąskich podnośnych do transmisji wielu nośnych do przenoszenia danych.

Multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości (OFDM) jest schematem multipleksowania z podziałem częstotliwości (FDM) stosowanym jako metoda modulacji cyfrowej z wieloma nośnymi.

OFDM spełnia wymagania LTE dotyczące elastyczności widma i umożliwia opłacalne rozwiązania dla bardzo szerokich operatorów z wysokimi szczytowymi szybkościami. Podstawowy zasób fizyczny łącza w dół LTE można postrzegać jako siatkę czasowo-częstotliwościową, jak pokazano na poniższym rysunku:

Symbole OFDM są pogrupowane w bloki zasobów. Bloki zasobów mają całkowity rozmiar 180 kHz w dziedzinie częstotliwości i 0,5 ms w dziedzinie czasu. Każdy 1ms przedział czasu transmisji (TTI) składa się z dwóch szczelin (Tslot).

Każdemu użytkownikowi przydzielana jest pewna liczba tzw. Bloków zasobów w siatce time.frequency. Im więcej bloków zasobów otrzyma użytkownik i im wyższa modulacja zastosowana w elementach zasobów, tym wyższa przepływność. To, które bloki zasobów i ile użytkownik otrzymuje w danym momencie, zależy od zaawansowanych mechanizmów planowania w wymiarze częstotliwości i czasu.

Mechanizmy planowania w LTE są podobne do tych stosowanych w HSPA i zapewniają optymalną wydajność dla różnych usług w różnych środowiskach radiowych.

Zalety OFDM

Podstawową zaletą OFDM w porównaniu ze schematami z pojedynczą nośną jest jego zdolność do radzenia sobie w trudnych warunkach w kanale (na przykład tłumienie wysokich częstotliwości w długim drucie miedzianym, zakłócenia wąskopasmowe i selektywne zanikanie częstotliwości z powodu wielodrożności) bez skomplikowanych filtrów wyrównawczych.
Korekcja kanału jest uproszczona, ponieważ OFDM można postrzegać jako wykorzystujący wiele wolno modulowanych sygnałów wąskopasmowych, a nie jeden szybko modulowany sygnał szerokopasmowy.
Niska szybkość transmisji symboli sprawia, że stosowanie przedziału ochronnego między symbolami jest przystępne, umożliwiając wyeliminowanie interferencji między symbolami (ISI).
Mechanizm ten ułatwia również projektowanie sieci jednoczęstotliwościowych (SFN), w których kilka sąsiednich nadajników wysyła ten sam sygnał jednocześnie na tej samej częstotliwości, ponieważ sygnały z wielu odległych nadajników można łączyć konstrukcyjnie, a nie zakłócać, jak to zwykle ma miejsce w tradycyjnym system z jednym nośnikiem.

Wady OFDM

Wysoki stosunek wartości szczytowej do średniej
Wrażliwy na przesunięcie częstotliwości, a więc również na przesunięcie Dopplera

Technologia SC-FDMA

LTE wykorzystuje wstępnie zakodowaną wersję OFDM o nazwie wielokrotny dostęp z podziałem częstotliwości z pojedynczą nośną (SC-FDMA) w łączu nadawczym. Ma to na celu skompensowanie wady normalnego OFDM, który ma bardzo wysoki stosunek mocy szczytowej do średniej (PAPR).

Wysoki PAPR wymaga drogich i nieefektywnych wzmacniaczy mocy o wysokich wymaganiach co do liniowości, co zwiększa koszt terminala i szybciej wyczerpuje baterię.

SC-FDMA rozwiązuje ten problem poprzez grupowanie razem bloków zasobów w taki sposób, aby zmniejszyć potrzebę liniowości, a więc i pobór mocy we wzmacniaczu mocy. Niski PAPR poprawia również pokrycie i wydajność na krawędzi komórki.

Semestr	Opis
3GPP	Projekt partnerski trzeciej generacji
3GPP2	Projekt partnerski trzeciej generacji 2
ARIB	Stowarzyszenie Przemysłu i Biznesu Radiowego
ATIS	Sojusz na rzecz rozwiązań dla przemysłu telekomunikacyjnego
AWS	Zaawansowane usługi bezprzewodowe
CAPEX	Wydatki inwestycyjne
CCSA	Chińskie Stowarzyszenie Standardów Komunikacyjnych
CDMA	Code Division Multiple Access
CDMA2000	Code Division Multiple Access 2000
ZIMNICA	Cyfrowa transmisja dźwięku
DSL	Cyfrowa linia abonencka
DVB	Cyfrowa transmisja wideo
eHSPA	ewoluował szybki dostęp do pakietów
ETSI	Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych
FDD	Duplex z podziałem częstotliwości
FWT	Naprawiono terminal bezprzewodowy
GSM	Globalny system komunikacji mobilnej
HSPA	Szybki dostęp do pakietów
HSS	Serwer abonenta domowego
IEEE	Instytut Inżynierii Elektrycznej i Elektroniki
IPTV	Telewizja internetowa
LTE	Długoterminowa ewolucja
MBMS	Multimedialna usługa rozsyłania grupowego
MIMO	Wiele wejść, wiele wyjść
MME	Jednostka zarządzania mobilnością
NGMN	Sieci komórkowe nowej generacji
OFDM	Multipleksowanie z ortogonalnym podziałem częstotliwości
OPEX	Wydatki operacyjne
PAPR	Stosunek mocy szczytowej do średniej
PCI	Połączenie komponentów peryferyjnych
PCRF	Funkcja zasad polityki i opłat
PDSN	Węzeł obsługi danych pakietowych
PS	Packet Switched
QoS	Jakość usługi
BIEGŁ	Sieć dostępu radiowego
SAE	Ewolucja architektury systemu
SC-FDMA	Wielodostęp z podziałem częstotliwości z pojedynczą nośną
SGSN	Węzeł obsługujący GPRS
TDD	Duplex z podziałem czasu
TTA	Stowarzyszenie Technologii Telekomunikacyjnych
TTC	Komitet Technologii Telekomunikacyjnych
TTI	Przedział czasu transmisji
UTRA	Uniwersalny dostęp do radia naziemnego
UTRAN	Uniwersalna naziemna sieć radiowa
WCDMA	Szerokopasmowy dostęp z podziałem kodowym
WLAN	Bezprzewodowa Sieć Lokalna