SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY SIMULÁCIA HYBRIDNÝCH ARQ SCHÉM PRE LTE

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY SIMULÁCIA HYBRIDNÝCH ARQ SCHÉM PRE LTE BAKALÁRSKA PRÁCA EVIDENČNÉ ČÍSLO: FEI-5408-56373 máj 2011 Štefan Valkovič

SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY SIMULÁCIA HYBRIDNÝCH ARQ SCHÉM PRE LTE BAKALÁRSKA PRÁCA EVIDENČNÉ ČÍSLO: FEI-5408-56373 Študijný program: Číslo a názov študijného odboru: Školiace pracovisko: Vedúca záverečnej práce: telekomunikácie 5.2.15 telekomunikácie Ústav telekomunikácií Ing. Kvetoslava Kotuliaková, PhD. Bratislava 2011 Štefan Valkovič 2

3

Za cenné rady a podnetné myšlienky, pomoc pri získavaní odbornej literatúry a konzultácie pri riešení, ktoré mi pomohli pri písaní tejto práce patrí moje poďakovanie Ing. Kvetke Kotuliakovej, PhD. 4

Anotácia Názov práce: Simulácia hybridných ARQ schém pre LTE Kľúčové slová: LTE, IR HARQ, CQI, retransmisia, turbo kódovanie Projekt Partnerstva tretej generácie (3GPP) verzie 8, Long Term Evolution (LTE) je ďalším krokom smerom k 4G a all-ip sieťam. Ponúka výrazné zlepšenie oproti predchodcom ako UMTS/HSPA. Jedným z hlavných funkčných predpokladov na vytvorenie lepšieho systému je využitie hybridných ARQ, na fyzickej vrstve v LTE. Tento typ HARQ využíva prírastkovú redundanciu (IR), turbo kódovanie a mäkké kombinovanie. V tejto práci uvedieme a zhodnotíme výsledky simulácií H-ARQ so zvyšujúcou sa redundanciou (IR), pri ktorých je využitý AWGN kanál. Konkrétne sa zameriame na zisk odstupu signál-šum vďaka retransmisiám. 5

Annotation Title: Simulation of LTE hybrid ARQ schemes Keywords: LTE, IR HARQ, CQI, retransmission, turbo coding Third Generation Partnership Project, release 8, Long Term Evolution is a next step towards 4G and all-ip networks. It offers significant improvement compared to predecessors such as UMTS/HSPA. One of the key functions to develop a better system is usage of hybrid ARQ on physical level in LTE. This type of HARQ uses Incremental Redundancy, turbo coding and soft combining. In this thesis we introduce and evaluate results of simulations of H-ARQ with Incremental Redundancy, using AWGN channel. To be concrete, we focus on Signal-to-Noise Ratio gain caused by retransmissions. 6

Obsah Zoznam použitých skratiek... 8 1 Úvod... 11 2 Long Term Evolution... 12 2.1 Evolved Packet Core... 14 2.2 Rádiové rozhranie E-UTRAN... 14 2.2.1 Metódy prístupu... 16 2.2.1.1 OFDMA... 17 2.2.1.2 SC-FDMA... 17 2.2.2 MIMO... 17 2.2.3 FDD a TDD a ich rámcové štruktúry... 19 2.2.4 Typy prenosových kanálov... 20 2.2.5 Protokolová štruktúra medzi enb a UE... 20 3 Hybridné ARQ... 22 3.1 CRC... 22 3.2 ARQ... 22 3.3 FEC Dopredné metódy zabezpečenia prenosu... 23 3.4 HARQ... 24 4 LTE HARQ... 26 5 Simulačné prostredie a návrh simulćie... 30 5.1 LTE Link Level Simulator... 30 5.2 Návrh simulácie... 30 6 Výsledky simulácií... 31 7 Záver... 35 8 Použitá literatúra... 36 9 Príloha: Kanálová architektúra LTE... 38 7

Zoznam použitých skratiek 3GPP ACK ARQ CB CC CQI CRC 3rd Generation Partnership Project Projekt partnerstva tretej generácie Acknowledgement Potvrdenie Automatic Repeat request Automatická žiadosť o opakovanie Code Block Kódový blok, kódové slovo Chase Combining Chaseovo kombinovanie Channel Quality Indicator Indikátor kvality kanála Cyclic Redundancy Code Cyklický nadbytočný kód Cyclic Redundancy Check Kontrola cyklickej nadbytočnosti DL-SCH ECR enb EPC E-UTRAN FDD FEC HARQ HSDPA HSPA IP IR LTE MAC MCS MIMO Downlink Shared Channel Zostupný zdielaný kanál Effective Code Rate Efektívna kódová rýchlosť enode B vyvinutý Uzol B, euzol B Evolved Packet Core Vyvinuté paketové jadro Evolved UTRAN Vyvinutá UTRAN Frequency Division Duplex Frekvenčne delený duplex Forward Error Correction Dopredná oprava chýb Hybrid ARQ Hybridná ARQ High Speed Downlink Packet Access Vysokorýchlostný zostupný paketový prístup High Speed Packet Access Vysokorýchlostný paketový prístup Internet Protocol Incremental Redundancy Prírastková redundancia Long Term Evolution Medium Access Control Kontrola prístupu k médiu Modulation and Coding Schemes Modulačné a kódovacie schémy Multiple Input Multiple Output Viacnásobný vstup viacnásobný výstup 8

MME MU NAK OFDM OFDMA PDCP PD-SCH PDU PGW QAM QPSK RB RLC RNC ROHC RRC RSC SAE SC-FDMA SDMA SDU SGW SINR SISO SNR TB Mobility Management Entity Multi User Viac užívateľov Negative ACK Negatívne potvrdenie Orthogonal Frequency Division Multiplex Ortogonálny frekvenčne delený multiplex Orthogonal Frequency Division Multiple Access Ortogonálny frekvenčne delený viacnásobný prístup Packet Data Convergence Protocol Protokol konvergencie paketov Physical Downlink Shared Channel Fyzický zostupný zdielaný kanál Protocol Data Unit Protokolová dátová jednotka PDN Gateway Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Resource Block Zdrojový blok, zdrojové slovo Radio Link Control Radio Network Controller Kontrolór rádiovej siete Robust Header Compression Robustná kompresia hlavičky Radio Resource Control Kontrola rádiových zdrojov Recursive Systematic Convolutional Code Rekurzívny systematický konvolučný kód System Architecture Evolution Vyvinutá systémová architektúra Single Carrier FDMA Jednokanálový frekvenčne delený viacnásobný prístup Spatial Division Multiple Access Viacnásobný prístup v priestorovej oblasti Service Data Unit Servisná dátová jednotka Serving Gateway Obsluhujúca brána Signal to Interferance plus Noise Ratio Odstup signál rušenie plus šum Single Input Single Output Jeden vstup jeden výstup Signal to Noise Ratio Odstup signál-šum Transport Block Transportný blok, transportné slovo 9

TDD TTI UE UTRAN Time Division Duplex Časovo delený duplex Transmission Time Interval Časový interval prenosu User Equipment Užívateľské zariadenie UMTS Terrestrial Radio Access Network UMTS rádiová prístupová sieť 10

1 Úvod Kvôli zvýšenému využitie širokopásmových dátových služieb, ako online TV, online hranie a videokonferencie, vznikla požiadavka na vývin mobilného systému, ktorý by dokázal uspokojiť potreby súčasných zákazníkov. Skupina partnerstva tretej generácie vytvorila takýto systém pod obchodným názvom Long Term Evolution. Dokáže poskytnúť vysoké rýchlosti pri nízkom oneskorení, pokrytie krajiny je ďaleko rozsiahlejšie a náklady na bázové stanice sú oveľa menšie ako pri predchádzajúcej technológii HSDPA. Táto technológia je už vo viacerých krajinách fungujúcou a je pravdepodobne posledným medzikrokom smerom k štvrtej generácii mobilných systémov. Parametre, ktoré LTE poskytuje, by mali postačovať na služby v oblasti mobilných služieb do rokov 2017-2020. V rádiovom prostredí dochádza často k zašumeniu a odrazom signálu, preto je dôležité kontrolovať chybovosť, poprípade zabezpečiť čo možno najefektívnejšie bezchybný prenos. Nástrojom na riešenie tohto problému sú hybridné ARQ metódy. Typ HARQ schémy používanej v LTE dokáže už na linkovej úrovni efektívne opraviť chybu alebo si vyžiadať opakovaný prenos a nezaťažuje tým vyššie vrstvy, teda v konečnom dôsledku zvyšuje priepustnosť, ktorá je kľúčovým parametrom pre využívanie dátových služieb. V tejto práci sa zameriame na základné črty technológie LTE, ktorá je definovaná vo 8. vydaní špecifikácií skupiny 3GPP. Následne simuláciou zhodnotíme zisk, ktorý môžeme získať prostredníctvom použitia HARQ metódy. Štruktúra práce: V druhej kapitole sú vysvetlené základné špecifické črty technológie LTE. Tretia kapitola uvádza do problematiky hybridných ARQ metód, pričom vo štvrtej kapitole je podrobne vysvetlená schéma pre LTE V piatej a šiestej kapitole navrhneme simulácie a zhodnotíme výsledky, ktoré sme z nich získali. Siedma kapitola uzatvára prácu a opíšeme v nej pravdepodobný vývoj mobilných technológií v budúcnosti. 11

2 Long Term Evolution Skupina 3GPP začala svoju prácu na vývine nového systému v decembri roku 2004, kedy sa rozhodlo, že LTE, ako nástupca 3G vysokorýchlostného paketového prístupu (HSPA) bude vytvorený tak, aby mohol pracovať na sieti vytvorenej pre 3G systémy, konkrétne HSPA+, projektu 3GPP vydanie 7. Základné parametre tohto systému boli stanovené [1]: menšie náklady na bit viac služieb za nižšie ceny s väčším užívateľským komfortom flexibilita využitia frekvenčných pásiem zjednodušená architektúra menšia spotreba vysielačov podpora predchádzajúcich systémov Tieto parametre boli dosiahnuté na úrovni rýchlostí 100 Mb/s na zostupnom smere a 50 Mb/s na vzostupnom smere pre 20 MHz pásmo. Čo sa týka pasiem LTE poskytuje operátorom podľa potreby rozpätie 1,4 20 MHz. Čo sa týka množstva hovorov, LTE podporuje viac ako 200 aktívnych užívateľov v každej 5 MHz bunke [1]. V Tab. 1 je prehľad základných vlastností a funkcií Long Term Evolution. Tab. 2 zobrazuje konkrétne hodnoty prenosovej rýchlosti a podiel kontrolných a užitočných dát pre všetky definované frekvenčné pásma pri použití jednej antény na prenos. Celá architektúra siete Long Term Evolution je rozdelená na 3 časti: užívateľské zariadenie (UE) rádiové rozhranie Evolúcia pozemnej rádiovej prístupovej siete (E-UTRAN) chrbticová sieť Evolúcia paketovej siete (EPC) 12

Tab.1 Základné vlastnosti Long Term Evolution. Parameter Maximálna prenosová rýchlosť na zostupnom smere (64 QAM)[Mb/s] Maximálna prenosová rýchlosť na vzostupnom smere (SISO) [Mb/s] Dátový typ Frekvenčné spektrum [MHz] Duplexné schémy Mobilita Oneskorenie Metóda prístupu Modulácie Hodnota 100 (SISO), 172 (2x2 MIMO), 326 (4x4 MIMO) 50 (QPSK), 57 (16QAM), 86 (64QAM) prepínané IP pakety 1,4, 3, 5, 10, 15, 20 FDD a TDD 0-15 hm/h (pri optimálnych podmienkach) 15-120 km/h (pri najvyššom výkone) prechod do aktívneho módu - menej ako 100 ms malé pakety - menej ako 10 ms OFDMA (zostupný smer) SC-FDMA (vzostupný smer) QPSK, 16QAM, 64QAM Tab. 2 Hodnoty maximálnej prenosovej rýchlosti pre jednotlivé frekvenčné pásma pri použití jednej antény. Šírka pásma (MHz) 1,4 3 5 10 15 20 Efektívna šírka pásma (MHz) 1,08 2,7 4,5 9 13,5 18 Dáta (%) 76,5 87 87,9 88,6 88,8 89 Kontrola (%) 13,1 6 6 6 6 6 Maximálna priepustnosť cez PDSCH (Mb/s) 4,286 12,185 20,52 41,35 62,18 83 13

2.1 Evolved Packet Core Súčasne s vývojom LTE vyvinula skupina 3GPP aj systém sieťovej architektúry v oblasti chrbticovej siete s názvom Evolúcia systémovej architektúry (SAE). Dôvodom vytvorenia novej sieťovej architektúry je prenos väčšieho objemu dát pri nižšom oneskorení. Ďalším parametrom je prechod na tzv. all-ip sieť, teda sieť, kde sa budú aj dáta aj hlas prenášať ako IP pakety. Ďalším dôležitým prvkom je manažment siete a v tomto prípade sú na strane operátora len 2 uzly, ktoré musí obsluhovať a kontrolovať. Taktiež zabezpečuje prepojenie doteraz fungujúcich 3GPP (GPRS, UMTS atď.) a nie 3GPP (cdma2000, WiMAX) technológií v jednom uzle. Základným prvkom SAE je EPC, ktorá je pripojená na rádiovú sieť E-UTRAN. Samotná EPC sa skladá z týchto hlavných častí [2]: MME (Mobility Management Entity) hlavný kontrolný uzol pre LTE, SGW (Serving Gateway) zabezpečuje smerovanie a preposielanie užívateľských dát, mobilita LTE 3GPP siete, PGW (PDN Gateway) zabezpečuje konektivitu s ostatnými sieťami, pretože pôsobí ako brána k vonkajším sieťam, mobilita LTE - non-3gpp siete. Obr.2.1 Architektúra EPC. 2.2 Rádiové rozhranie E-UTRAN Rozhranie užívateľského zariadenia, mobilného telefónu, laptopu, a bázovej stanice sa nazýva E-UTRAN. Je vyvinutý z 3G UTRAN, kde boli Uzly B rozmiestnené okolo RNC. To malo za úlohu manažment rádiových zdrojov. V prípade SAE bolo treba zabezpečiť 14

menšie oneskorenie a to sa dosiahlo odstránením jedného sieťového prvku. Uzol B a RNC sa spojili do jedného a vytvoril sa tzv. vyvinutý uzol B (enb). Uzly enb sú spojené s chrbticovou sieťou rozhraním S1 a medzisebou rozhraniami X2. Týmto je dosiahnutý vyšší stupeň priamej interkonektivity a tiež je možné prepojiť viac hovorov, keďže najväčšie množstvo hovorov sa uskutoční v rámci jednej oblasti pokrytia. Taktiež pribudli viaceré funkcie, ktoré v predchádzajúcich systémoch boli na úrovni jadrovej siete, napr. vyvažovanie záťaže, kontrola povolení a kontrola rádiovej mobility. Vďaka týmto vlastnostiam a flexibilite bázových staníc je tiež očakávaná možnosť aktualizácie pre potreby bázových staníc 4G LTE-Advanced [3]. Obr. 2.2 Spojenie EPC a E-UTRAN cez rozhranie S1. Na dosiahnutie požadovaných parametrov sú využité najnovšie technologické trendy ako: Ortogonálny frekvenčne delený multiplex (OFDM) pri širokopásmovom využití poskytuje vysoký stupeň odolnosti proti odrazom a rušeniu (kap. 2.2.1). Viacnásobný vstup viacnásobný výstup (MIMO) metóda pre viacnásobné použitie antén. Použiteľné schémy sú 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4 (kap.2.2.2). Hybridné ARQ schémy zaistenie bezchybného prenosu už na fyzickej vrstve. Týmto sa zvyšuje výkonnosť systému tým, že sa nevyžaduje často retransmisia až v ďalšej časti prenosu (kap. 3). 15

2.2.1 Metódy prístupu Jedným z kľúčových prvkov LTE je použitie Ortogonálneho frekvenčne deleného multiplexu (OFDM) a jeho prístupových metód OFDMA a SC-FDMA. OFDM je typ viackanálovej modulačnej metódy, ktorá využíva veľké množstvo blízko rozmiestnených kanálov, modulovaných nízkou rýchlosťou. Vďaka rozmiestneniu signálov ortogonálne medzi sebou, nedochádza k vzájomnému rušeniu. Dosiahne sa to vytvorením týchto kanálov s veľkosťou rovnou symbolovej perióde. To znamená, že keď sú signály demodulované, v symbolovej perióde majú celý rad cyklov, ale ich prínos je 0. Inými slovami, nie je žiadny nevyžiadaný interferenčný prínos. Dáta na prenos sú rozdelené do všetkých kanálov a ak sú nejaké stratené kvôli viaccestným vplyvom, použitím metód na opravu chýb môžu byť dáta následne rekonštruované. Navyše prenos dát pri nízkej rýchlosti na všetkých kanáloch znamená, že vplyv medzisymbolovej interferencie a odrazov môže byť prekonaný. Toto je využiteľné najmä pri sieťach pracujúcich na jednej frekvencii, kde všetky vysielače môžu vysielať na rovnakom kanále. Základným parametrom OFDM v LTE je šírka pásma. V LTE je definovaných 6 frekvenčných spektier a platí, že čím širšie spektrum, tým väčšia kapacita kanála. Podkanály sú rozmiestnené 15 khz od seba. To dáva symbolovú rýchlosť 1/15 khz = 66,7µs na udržanie ortogonality. Každý podkanál je schopný preniesť dáta rýchlosťou 15 kilosymbolov za sekundu. Pre 20 MHz pásmo je teda symbolová rýchlosť 18 Ms/s a prenosová rýchlosť 108 Mb/s pre 64QAM moduláciu (1 symbol = 6 bitov). Tieto rýchlosti však sú len teoretické a nerátajú s kódovaním a kontrolnou hlavičkou, avšak zvýšenie rýchlosti je dosiahnuté inými technikami, napr. priestorovým multiplexovaním [4]. Pre prípad medzisymbolovej interferencie je do časovania vložená ochranná perióda medzi jednotlivé symboly. V tomto čase sú dáta tiež prijímané. Vďaka tejto dobe dokáže prijímač navzorkovať prijatý signál na optimálny čas a predchádza sa tým vytvoreniu medzisymbolovej interferencie spôsobenej odrazmi oneskorenými až do času trvania cyklickej predpony. V LTE je symbolová dĺžka nastavená na 66,7 µs a k tomu je prispôsobená aj dĺžka cyklickej predpony na 4,69 µs. Toto umožňuje systému prispôsobiť sa rôznym odrazeným cestám až do vzdialenosti 1,4 km. 16

2.2.1.1 OFDMA OFDM signál je zložený maximálne z 2048 rôznych podkanálov s rozstupom 15 khz. Hoci je pre mobilné telefóny povinná schopnosť prijímať všetkých 2048 podkanálov, bázová stanica musí podporovať len 72 podkanálov. Vďaka tomu sú mobilné telefóny schopné sa spojiť s hocakou bázovou stanicou. V OFDM signále je možné modulovať pri troch rýchlostiach QPSK (4QAM), 16QAM a 64QAM, t.j. 2, 4 a 6 bitov na symbol. Nižšie modulačné rýchlosti nevyžadujú taký veľký odstup signál-šum (SNR), ale ani neodosielajú dáta rýchlo. V prípade, že je dostatočne veľký SNR, použijú sa vyššie modulácie. Na zostupnom smere sú podkanály rozdelené do zdrojových blokov (RB). To umožňuje systému rozmiestniť dáta medzi štandardný počet podkanálov. 12 podkanálov tvorí jeden zdrojový blok bez ohľadu na šírku pásma. V časovom rámci to vytvára jeden časový slot. To znamená, že každé spektrum má rozdielny počet zdrojových blokov [4]. Tab. 3 Počet zdrojových blokov v daných frekvenčných pásmach. Pásmo [MHz] 1,4 3 5 10 15 20 Počet RB 6 15 25 50 75 100 2.2.1.2 SC-FDMA Na vzostupnom smere je metóda trocha iná. Je to najmä kvôli životnosti batérií. Pri metóde OFDMA je veľký odstup signálu maximum priemer. Preto je pri tomto prenose potrebné veľké množstvo energie. Na vzostupnom smere je využitá hybridná metóda prístupu Jednokanálový frekvenčne delený viacnásobný prístup (SC-FDMA). Je kombináciou nízkeho odstupu maximum - priemer používaného v jednokanálových systémoch a odolnosťou voči viaccestnému rušeniu a flexibilného prideľovania podkanálov využitých v OFDM [4]. 2.2.2 MIMO Metóda viacnásobného vstupu viacnásobného výstupu (MIMO) je ďalšia technológia, ktorá zlepšuje vlastnosti systému. Napriek zvýšenej zložitosti z hľadiska realizácie zvyšuje priepustnosť a spektrálnu efektivitu. 17

V dôsledku shannonovho zákona sú dve hlavné obmedzenia komunikačných kanálov a to viaccestné rušenie a obmedzenie dátovej priepustnosti. MIMO je spôsob, ako využiť viaccestný signál na zlepšenie priepustnosti na danom kanály v danom spektre medzi vysielačom a prijímačom. Využitím viacerých antén a komplexného spracovania digitálneho signálu, umožňuje systému nastaviť viac dátových tokov na rovnakom kanáli. Existujú tri typy MIMO módov: časová rôznorodosť dáta sú prenesené v rôznych časoch, napr. použitím rôznych časových slotov alebo rozdielneho kódovania kanála frekvenčná rôznorodosť pri použití rôznych frekvencií, napr. rôzne kanály alebo rôzne technológie priestorová rôznorodosť základ pre MIMO, t.j. antény v rôznych polohách na využitie rôznych rádiových ciest v prostredí Pre každú anténu je využitá rôzna cesta na prenos dát. Namiesto rušenia sú tieto cesty využité na zvýšenie SNR alebo zvýšenie kapacity linky. Obr. 2.3 Všeobecná schéma MIMO sytému. V LTE sú schémy na prenos na zostupnom a vzostupnom smere rôzne. Je to hlavne kvôli tomu, aby bola spotreba energie na mobilných zariadeniach v rozumných hodnotách. Na zostupnom smere je hlavnou schémou 2x2, teda využitie 2 antén na bázovej stanici a 2 antén na koncovom zariadení. Pri vzostupnom smere, teda z mobilného zariadenia smerom na bázovú stanicu je využitá schéma Multi-užívateľský viacnásobný vstup viacnásobný výstup (MU-MIMO). Keďže väčšina mobilných zariadení má kvôli veľkosti len 1 anténu, využíva sa prenos od viacerých užívateľov na rovnakom kanáli k anténam na bázovej 18

stanici. Rušenie nenastáva vďaka využitiu OFDM, teda kvôli navzájom kolmým pilotom. Táto metóda sa tiež nazýva Viacnásobný prístup v priestorovej oblasti (SDMA) [5]. 2.2.3 FDD a TDD a ich rámcové štruktúry LTE zadefinovalo oba typy duplexných spektier a to frekvenčne delený duplex (FDD) a časovo delený duplex (TDD). FDD, používajúce spárované spektrum, slúži na migráciu z 3G sietí, z ktorých väčšina využíva tento druh spektra. TTD LTE, používajúce nepárované spektrum, je prídavným typom, v LTE nazývaným TD-LTE. Slúži na prechod zo sietí využívajúcich TD-SCMA. Duplex sa využíva preto, aby bol zabezpečený prenos oboma smermi naraz. Preto sú pri duplexnom móde definované 2 typy smerov zostupný a vzostupný (Obr. 2.4) [6]. Z ost u p n ý sm er V zost u p n ý sm e r Bázová stanica enode B Užívateľské zariadenie Obr. 2.4 Smery duplexného prenosu medzi UE a BS. Pre každý typ prenosu je definovaná iná rámcová štruktúra, keďže pracujú s rozdielnymi systémami, ale v zásade majú oba dĺžku 10 ms a dĺžka podrámca je 1 ms. Rovnaká dĺžka podrámca je dôležitá najmä preto, že časový interval prenosu (TTI) je definovaný na 1 ms a teda prebehne za čas jedného podrámca alebo dvoch slotov (Obr. 2.5). LTE FDD rámcová štruktúra delí 10 ms rámec na 20 slotov s dĺžkou 0,5 ms. 2 sloty vytvárajú jeden podrámec s dobou trvania 1 ms. V štruktúre rámca pre TD-LTE je rozdelený rámec na 2 polrámce dĺžky 5 ms. Tie sa delia na 5 podrámcov s dobou 1 ms. Medzi nimi je aj tzv. špeciálny typ podrámca, ktorý má za úlohu synchronizáciu s ostatnými TD-SCDMA systémami. Na tento účel slúžia v TD-LTE podrámci tri nastaviteľné polia: 19

DwPTS dĺžka zostupného časového slotu pilota GP ochranná perióda UpPTS dĺžka vzostupného časového slotu pilota Obr. 2.5 LTE FDD (vľavo) a TD-LTE (vpravo) rámcová štruktúra. 2.2.4 Typy prenosových kanálov V dôsledku toho, že v rámci procesu prenosu dát sú na rôznych protokolvých vrstvách rôzne typy dát boli vytvorené 3 typy prenosových kanálov [3]: Fyzické kanály prenosové kanály nesúce užívateľské dáta a kontrolné správy. Transportné kanály kanály medzi fyzickou vrstvou a MAC/vyššími vrstvami nesúce informácie na prenos medzi nimi. Logické kanály poskytujú služby pre LTE MAC vrstvu. Taktiež sú rôzne kanály medzi vzostupným a zostupným smerom. Pri simuláciách je využitý Zostupný zdielaný kanál LTE (LTE DL-SCH). Všetky kanály, ich vlastnosti a štruktúra vrámci architektúry sú podrobnejšie popísané v Prílohe. 2.2.5 Protokolová štruktúra medzi enb a UE Komunikácia medzi užívateľským zariadením a bázovou stanicou prebieha vďaka protokolom, ktoré zabezpečujú prenos paketov. Na Obr. 2.6 je zobrazená protokolová architektúra LTE E-UTRAN [3]. Fyzická vrstva nesie informáciu z MAC kanálov cez rádiové rozhranie. Stará sa o linkové prispôsobenie, kontrolu stavu linky, vyhľadávanie začiatku prenosu a iné merania pre RRC vrstvu. 20

MAC podvrstva ponúka logické kanály RLC vrstve, ktoré multiplexuje pre fyzickú vrstvu cez transportné kanály. Taktiež tu prebieha HARQ oprava chýb, určovanie priority logických kanálov pre to isté UE a dynamické plánovanie medzi inými zariadeniami. Obr. 2.6 Protokolová architektúra rádiového rozhrania RLC podvrstva prenáša PDCP pakety v jednom z 3 módov prenosu podľa potreby spoľahlivosti prenosu. Podľa typu módu zabezpečuje ARQ opravu chýb, rozdelenie/zreťazenie paketov z vyššej vrstvy pre jedného prijímateľa a detekciu duplicitného prenosu. Módy na ktorých RLC pracuje sú: Transparentný mód (TM) SDU sa nesegmentuje, nekontroluje, iba sa preposiela Nepotvrdený režim (UM) z SDU sa vytvára PDU, ktoré sa segmentuje, pridáva sa hlavička Potvrdený režim (AM) z SDU sa vytvára PDU, ktoré sa segmentuje, pridáva sa hlavička. Naviac sa na RLC vrstve prijímacej strany kontrolujú správy a vyžaduje sa retransmisia pomocou ARQ metód. PDCP podvrstva zabezpečuje pre RRC vrstvu dopravenie dát so šifrovaním a ochranou integrity, pre IP vrstvu prenos IP paketov s kompresiou ROHC hlavičky, šifrovaním a podľa RLC módu doručenie v bloku. Tiež tu prebieha detekcia duplicitného prenosu a retransmisia vlastných SDU počas odovzdania. RRC podvrstva sa stará o broadcastové systémové informácie spojené s AS vrstvou a transport NAS správ. Naviac tu prebieha stránkovanie, vytvorenie a uvoľnenie RRC spojenia, spravovanie bezpečnosti, meranie UE a QoS. NAS je vrstvou na rozhraní. Je to protokol medzi UE a MME na sieťovej strane (mimo EUTRAN). Vykonáva autentifikáciu UE, kontrolu bezpečnosti a generuje časť stránkovacích správ. 21

3 Hybridné ARQ Pri procese prenosu dát na rádiovom mobilnom rozhraní dochádza k ovplyvňovaniu a meneniu signálu v dôsledku interferencie, tlmenia a šumu. Väčšina technológií je na takúto zmenu háklivá, preto sa snažíme predchádzať vytvoreniu takýchto situácií, resp. detekovať a opraviť chybné dáta s čo možno najväčšou efektivitou. Na kontrolu a opravu chybovosti boli vytvorené nasledovné metódy: ARQ Automatic Repeat request FEC Forward Error Correction CRC Cyclic Redundancy Codes Vzájomným prepojením predošlých sa vytvárajú tzv. hybridné ARQ schémy, ktoré dokážu efektívne a rýchlo detekovať a opraviť chyby vzniknuté pri prenose. 3.1 CRC Cyklické kódy s nadbytočnosťou (CRC) sú triedou silných cyklických kódov vhodných najmä na detekciu zhlukov chýb. V takomto kóde si v prvom rade určíme kódové slovo tak, že súvisiace polynómy sú násobkami určitého polynómu g(x), zvaného generujúci polynóm. Následne generujúci polynóm určí vlastnosti na kontrolu chýb CRC [7]. V LTE je využitý CRC 24 (kap. 4). 3.2 ARQ ARQ schémy sú metódami na riadenie chybovosti, pri ktorých vysielač od prijímača vyžaduje potvrdenie, či prijal dáta správne alebo má poslať dáta opätovne. Detekcia je zabezpečená jednoduchým CRC kódom. Vo všeobecnosti sa ARQ schémy rozdeľujú do 3 skupín: Stop & Wait Go-Back-N Selective Repeat 22

Stop & Wait Pri tejto najjednoduchšej ARQ schéme vysielač očakáva potvrdenie každého vyslaného rámca. Až po prijatí potvrdenia (ACK) vysiela ďalší rámec. V prípade, že vysielač dostane negatívnu odpoveď (NAK) alebo nedostane žiadnu odpoveď do uplynutia časovača, vysiela ten istý rámec až kým neprijme pozitívnu odpoveď ACK. Go-Back-N Pri tejto schéme vysielač vysiela nepretržite rámce za sebou. Čas na prijatie potvrdenia je určený buď počtom rámcov alebo časovačom. Každý rámec je označený sekvenčným číslom. Prijímač posiela späť ACK na každý rámec. Ak prijímač zistí stratu rámca podľa chýbajúceho čísla v postupnosti alebo prijme rámec chybne, odošle vysielaču NAK s daným sekvenčným číslom. Následne prijímač zahodí všetky rámce, ktoré prijal po zlom prenose. Vysielač sa na základe prijatého NAK vráti o N krokov dozadu, na sekvenčné číslo v NAK správe a prebieha opätovný prenos všetkých nasledujúcich rámcov. Selective Repeat Pri tejto schéme, na rozdiel od predchádzajúcej, sa správne prijaté bloky nezahadzujú, ale vysielač odosiela len rámce so sekvenčným číslom v NAK. Na strane prijímača je vyrovnávacia pamäť, v ktorej sa ukladá prijatá postupnosť. Keď prijímač prijme vyžiadaný rámec, vloží ho do pamäte na miesto, kam v postupnosti patrí. Táto schéma je najefektnejšia, avšak vyžaduje veľkú vyrovnávaciu pamäť, čo zvyšuje náklady na hardwarovú realizáciu. Rýdze ARQ metódy sa využívajú na RLC podvrstve. Ich využitie je ovplyvnené najmä použitím HARQ na vrstve MAC, ktorým sa predíde potrebným retransmisiám na vyšších vrstvách. 3.3 FEC Dopredné metódy zabezpečenia prenosu Medzi základné metódy na dopredné zabezpečenie prenosu patria konvolučné blokové kódy a z nich vyvinuté turbo kódy. Najjednoduchšie vysvetlenie kódovania je nasledovné. Kóder vyšle 3 podbloky bitov. Prvý sú užitočné dáta dĺžky m. Druhý sú paritné bity pre užitočné dáta s dĺžkou r/2, vypočítané pomocou Rekurzívneho systematického konvolučného kódu (RSC kódu). Tretím podblokom sú paritné dáta pre známe permutácie užitočných dát s dĺžkou tiež r/2 bitov a tiež zakódované RSC kódom. Kompletný blok má 23

teda m+r bitov s kódovou rýchlosťou s rýchlosťou 1/3 (kap. 4). [8]. V LTE sa využíva schéma turbo kódera 3.4 HARQ Na zabezpečenie bezchybného prenosu dát v mobilných sieťach sa využívajú hybridné ARQ metódy. Sú kombináciou ARQ, CRC a FEC. Rozdelujú sa na tri typy [9]. HARQ I V tejto základnej HARQ typu I, je pridané CRC a dáta sú kódované FEC kódom. V prijímaču je FEC kód dekódovaný a je skontrolovaná kvalita paketu CRC kontrolou. Ak sú v pakete chyby, vyžaduje sa retransmisia paketu (RLC PDU). Chybný paket je zahodený a pri retransmisii sa použije rovnaké kódovanie ako pri prvotnom prenose. HARQ II HARQ typu II je takzvaná ARQ schéma s prírastkovou redundanciou. To znamená, že RLC PDU, ktoré má byť opätovne vyslané sa nezahodí, ale skombinuje sa s redundantnou informáciou poskytnutou vysielačom na ďalšie dekódovanie. V HARQ typu II, retransmisie nie sú identické s prvotným prenosom. Znova prijatá časť nesie prídavnú rendundantnú informáciu na opravu chýb. Táto prídavná redundancia je kombinovaná s už prijatým paketom a retransmisia je dekódovateľná v kombinácii len s už skôr prijatými prenosmi. Tento typ HARQ si vyžaduje, aby sekvenčné čísla RLC-PDU boli signalizované s väčšou ochranou pred chybovosťou ako dátová časť RLC-PDU. Je to kvôli tomu, že viac verzií RLC-PDU môže byť potrebné skombinovať na fyzickej vrstve už pred samotným dekódovaním. HARQ III HARQ typu III patrí tiež medzi ARQ schémy s prírastkovou redundanciou, tak ako HARQ typu II. To znamená, že retransmisie týkajúce sa jedného RLC-PDU nie sú zahodené, ale ostávajú v prijímači pre kombinovanie s ďalšími informáciami pred dekódovaním. Rozdielom oproti typu II je, že jednotlivé prídavné informácie z retransmisie sú samodekódovateľné v prípade, že predchádzajúci prenos je poškodený, napr. kvôli interferencii. Tým pádom netreba použiť na dekódovanie dáta z predchádzajúceho 24

prenosu. Požiadavky na signalizáciu RLC-PDU a na fyzickú vrstvu sú rovnaké ako v type II. HARQ typu III sa delí na 2 podtypy: s viacerými redundančnými verziami v tomto type sú vytvorené rozdielne RLC- PDU. V každej verzii sú použité rozdielne dierovacie bity. Ak prvý prenos zlyhá, druhá verzia bitov je vyslaná. Ak treba, alebo to technológia vyžaduje, môže byť vyžiadaný prenos ďalších verzií alebo opakovaný prenos už prijatých verzií, a následne môžu byť dekódované po kombinovaní. s jednou redundančnou verziou využité je rovnaké FEC kódovanie pre každý prenos, podobne ako pri HARQ typu I, ale prijaté dáta sú uložené v prijímači a dekódovanie prebieha v kombinácii s predchádzajúcimi prenosmi. Prírastková redundancia je vo forme opakovania kódu. Mäkké kombinovanie Pri mäkkom kombinovaní prijatých paketov, prijatých v niekoľkých prenosoch HARQ, môžu byť použité v zásade dve stratégie kombinovania. Jedná sa o Chaseovo kombinovanie (CC), kde každý ďalší prenos je totožný s pôvodným prenosom, a prírastkovú redundanciu (IR), kde sa každý ďalší prenos skladá z nových redundančných bitov kanálového kodéra. V IR, namiesto opakovania poslaného kódovaného paketu, je posielaná nová informácia v každom nasledujúcom prenose paketu. Dekodér potom kombinuje všetky prenosy a dekóduje paket pri nižšej rýchlosti kódu [10]. Obr. 3.1 Chaseovo kombinovanie (vľavo) a kombinovanie prírastkovou redundanciou (vpravo) 4 prijatých prenosov. 25

4 LTE HARQ Proces kódovania a retransmisie v LTE prebieha na zostupnom zdielanom kanáli LTE (DL-SCH). Pozostáva z piatich častí (Obr. 4.1). Obr. 4.1 Proces kódovania kanála DL-SCH. Dáta a prídu do kódovacej jednotky vo forme maximálne 1 TB každý TTI (1 ms) a následne je k TB pripojené 24-bitové pole CRC, čím získame b (Obr.4.2). Keďže tento blok dát môže byť nekonečne veľký, takýto TB s CRC poľom je rozdelený na kódové bloky nepresahujúce veľkosť 6120 bitov[11]. K tým je pridané druhýkrát pole CRC vygenerované z danej postupnosti a vznikne výsledné 6144 bitové kódové slovo, c-bity. Obr. 4.2 Dvojúrovňové CRC kódovanie. Bity sú potom kódované turbo kódom, čím zśkame d r. Porovnávač rýchlostí LTE vsadí 1/3 turbo-kódované bloky na miesto pridelené plánovačom v RB mriežke procesom dierovania alebo opakovania a tým získame e r s efektívnou rýchlosťou kódu (ECR). Tá je definovaná v (1). Nakoniec, r CB bloky sú spojené a získame zakódované transportné bloky f [6]. 26

V závislosti na podmienkach kanála, môžu byť použité rôzne kódovacie schémy a modulácie pre každý zdrojový blok. V LTE sú možnými moduláciami QPSK, 16-QAM a 64-QAM [6]. ECR = c e r r.1024 (1) LTE definuje 29 rôznych modulačných a kódovacích schém (MCS) vhodných pre 15 rôznych krokov indikátora kvality kanála (CQI), ktorý je spätnou väzbou zo strany užívateľského zariadenia (UE). ECR pre LTE sú špecifikované v rozsahu od 78 po 948 [13]. V Tab. 4 sú uvedené CQI hodnoty s príslušnými modulačnými schémami a ECR. Tab.4. CQI tabuľka pre LTE. CQI index Modulácia Kódovacia rýchlosť x 1024 Spektrálna efektivita (bitov za symbol) 0 mimo rozsah 1 QPSK 78 0.15 2 QPSK 120 0.23 3 QPSK 193 0.38 4 QPSK 308 0.60 5 QPSK 449 0.88 6 QPSK 602 1.18 7 16QAM 378 1.48 8 16QAM 490 1.91 9 16QAM 616 2.47 10 64QAM 466 2.73 11 64QAM 567 3.32 12 64QAM 666 3.90 13 64QAM 772 4.52 14 64QAM 873 5.12 15 64QAM 948 5.55 27

Obr. 4.3 znázorňuje proces porovnávania rýchlostí pre e r < d r (ECR nárast). Porovnávač rýchlostí zohráva kľúčovú úlohu v H-ARQ, keďže je vytvorený práve na kontrolu procesu dierovania v závislosti od čísla retransmisie. Obr. 4.3 Porovnávanie rýchlostí. Bity v zakódovom bloku sú dierované alebo opakované na dosiahnutie požadovanej ECR. LTE využíva HARQ schému typu III. Navyše používa mäkké kombinovanie, v ktorom je daný prijatý paket kombinovaný s už skôr prijatými paketmi. Následne je dekódovaný výsledný silnejší FEC kód [10]. HARQ schéma využívaná v LTE je IR HARQ s 1/3 turbo kodérom ako FEC kóderom a CRC transportného bloku (TB) pre detekciu chýb. Keďže v tomto prípade prijímač získava len inak dierované verzie tých istých dát zakódovaných turbo kóderom, každá retransmisia je samodekódovateľná. Takáto HARQ schéma patrí do kategórie typu HARQ III. K tomu, aby IR pracovalo, HARQ musí byť schopná vytvoriť vhodné redundančné verzie z daného kódového bloku (CB) a zabrániť fatálnemu pretečeniu vyrovnávacej pamäte. Dosiahnuté je to prostredníctvom porovnávača rýchlosti, ktorý sa nachádza za kanálovým kóderom s pevnou rýchlosťou. LTE realizuje túto funkciu v jednom kroku na rozdiel od HSDPA, kde je to vykonané v dvojkrokovom procese [14]. Kým HSDPA umožňuje aj CC, aj IR H-ARQ, LTE umožňuje len IR. IR môže dodať veľký nárast výkonu pre vysoké kódovacie rýchlosti kanála a vysoké moduláčné požiadavky. Pre nízke MCS hodnoty, je zvýšenie výkonu linkovej úrovne pomocou IR menej významné, ale stále je výkonový zisk lepší ako pri CC [15]. HARQ prenosy sú indexované parametrom redundančnej verzie rv idx, ktorý hovorí prijímaču, či v súčasnosti odovzdaný TB je nový (0), alebo n-tého prenosu, a to až do výšky 3 (1,2 alebo 3). Pre danú veľkosť cieľovej TB veľkosti G, porovnávač rýchlosti 28

môže vyprodukovať 4 rôzne dierované verzie pôvodne kódovaného TB, v závislosti na hodnote rv idx (Obr. 4.4). Ostatné parametre, ktoré dolaďujú proces porovnávania rýchlosti sú poradie modulácie Q m, veľkosť vyrovnávacej pamäte na konci prijímača N IR a počet vrstiev použitých v kódovaní kanála N L [12]. Obr. 4.4 Vstupy a výstupy z porovnávača rýchlostí. Proces porovnávania rýchlosti, v závislosti na rv idx, pracuje výberom východiskového bodu v prekladanom CB znázornenom na Obr. 4.5 a potom zvolením G po sebe idúcich bitov. v (0) bity sú prekladané systematické bity z turbo kodéra, v (1) a v (2) sú prvé a druhé paritné bity. Tento proces podblokového prekladania je súčasťou procesu porovnávania rýchlosti, a zvlášť šíri systematické a paritné bity cez širšiu oblasť v CB. Schéma používaná v LTE je založená na prenose systematických a paritných bitov v rovnakom odoslanom TB. Obr. 4.5 Zakódované bity pred dierovaním/opakovaním v porovnávači rýchlostí. 29

5 Simulačné prostredie a návrh simulćie 5.1 LTE Link Level Simulator Na simulácie LTE na linkovej úrovni používame voľne dostupný simulátor LTE Link Level Simulator vyvinutý na Technickej univerzite vo Viedni [http://www.nt.tuwien.ac.at/about-us/staff/josep-colom-ikuno/lte-link-level-simulator/]. Na akademické účely je voľne použíteľný a licencia oprávňuje používateľa použiť nástroje v ňom, prípadne ich prenastaviť. Je vyvinutý v prostredí Mathworks Mathlab a poskytuje možnosti na komplexné simulácie linkovej úrovne. Kódovanie a dekódovanie je napísané v jazyku C. Na ich implementáciu je využitá MEX funkcia Matlabu. Simulátor poskytuje veľké množstvo premenných na simulovanie. Sú v ňom implementované viaceré LTE funkcie na fyzickej vrstve a ich variácie ako MIMO schémy, HARQ funkcionalita, viac UE, všetky CQI, všetky plánovacie algoritmy a rôzne kanálové modely. Taktiež dokáže využívať funkcie Paralel Toolbox-u, ktorý urýchluje počítanie zapojením viacerých procesov na každé jadro procesora užívateľského počítača. V [16] je podrobný popis simulátora. 5.2 Návrh simulácie Keďže naším cieľom bolo HARQ využitie v LTE, pri simuláciách sme sa zamerali na zisk SNR pri jednotlivých retransmisiách. Ako prenosový kanál sme si určili AWGN kanál, keďže veľké rozdiely v SNR zisku medzi jednotlivými kanálmi nemožno očakávať. Nepoužili sme žiadnu MIMO schému, ale jednoduchý prenos s použitím jednej antény na vstupe a jednej na výstupe (SISO). Na dôveryhodné výsledky aj na úrovni 10-3, sme si zvolili veľkosť simulácie na 10 000 podrámcov teda 10 000 TTI. Simulácie boli vykonané pre šírku pásma 1,4 MHz, keďže SNR sa nemení od šírky pásma, mení sa len počet RB. Simulácie sme vykonali pre všetkých 15 CQI hodnôt a pre všetky možné retransmisie. 30

6 Výsledky simulácií V prvom rade nás zaujímalo ako ovplyvňuje IR pomer bitov v jednotlivých retransmisiách. Na Obr. 6.1 je graf pomeru užitočných bitov ku všetkým bitom v kódovom bloku. Obr. 6.1 Pomer systematických bitov ku všetkým bitom v kódovom slove pre všetky prenosy a všetky hodnoty CQI. Táto simulácia HARQ ukázala, že turbo-kódový porovnávač rýchlostí v LTE bude aj v prípade extrémneho dierovania stále zapájať 13% paritných bitov pre rv idx = 0. Pre druhý, tretí a štvrtý prenos, sa tieto pomery zmenia na 83%, 100% a 66%. Oproti tomu je možné vidieť, že pri posledných troch CQI hodnotách a druhej retransmisi je zapojených 0% užitočných bitov. 31

Obr. 6.2 Bloková chybovosť v závislosti od SNR pre všetkých CQI hodnotách. Ďalší graf (Obr.6.2) zobrazuje typické vodopádové krivky pre blokovú chybovosť v závislosti od SNR. Jednotlivé prenosy pri CQI 1-15 majú priemernú vzdialenosť SNR od seba v priemere 2dB. V LTE je bloková chybovosť definovaná na úrovni menej ako 10 %. Táto hodnota je cieľom pre linkovú adaptáciu a blíži sa takmer k optimálnemu výkonu. V ďalšom grafe je zobrazený posun SNR v závislosti od retransmisie na úrovni BLER 10%. Na Obr. 6.3 je len graf pre CQI 7, ale simulácie pre ostatné CQI hodnoty boli tiež vykonané pre jednotlivé HARQ prenosy. Obr. 6.3 Bloková chybovosť v závislosti od SNR pre CQI 7 a všetky možné prenosy. 32

Zisk SNR bol zadefinovaný ako rozdiel medzi hodnotou SNR pri BLER 10% prvotného prenosu a n-tej retransmisie. Tieto hodnoty sme vykreslili do grafu (Obr. 6.4). Obr. 6.4 Graf závislosti zisku SNR od ECR pre všetky retransmisie s regresiou pre jednotlivé typy modulácii. Zisk SNR bol vyhodnotený podľa ECR, keďže výsledky poskytujú možnosť vyvodiť lineárnu závislosť zisku SNR od ECR, retransmisie a modulácie. Po vytvorení lineárnej regresie pre takto definované krivky sme dospeli k rovnici: SNR zisk ( rvidx ) = µ mod( rvidx ) ECR+ ε mod ( rv idx ) (2) 33

V nasledujúcej tabuľke sú hodnoty µ mod a ɛ mod závislé od indexu prenosu a modulácií špecifikovaných pre LTE. Tab. 5 Premenné z rovnice (2) v závislosti od modulácie a poradia retransmisie. Modulácia rv idx µ mod. 10-2 ɛ mod 1 0.0804 2.89 4-QAM 2 0.1628 4.57 3 0.2006 5.62 1 0.0420 1.17 16-QAM 2 0.8435 0.74 3 0.9464 1.15 1 0.8996-1.23 64-QAM 2 1.2288-0.71 3 1.2728 0.15 Vďaka týmto výsledkom je možné použiť rovnicu (5.2) na výpočet odstupu signálu od šumu a rušenia (SINR) na systémovej úrovni. SINR( i) = SINR + SNR ( i) zisk (3) Z výsledkov simulácií je vidno, že najväčšie zisky SNR sú pri vysokých modulačných stavoch. Pre CQI 15 je zlepšenie až na úrovni 12,75 db. 34

7 Záver Hybridné ARQ metódy sú jedným z kľúčových prvkov na zvýšenie kvality prenosu v novodobých mobilných systémoch. Schéma používaná v LTE je navrhnutá tak, že každá retransmisia sa dokáže sama dekódovať. V tejto práci sme na voľne dostupnom simulátore vyvinutom na Technickej Univerzite vo Viedni, odsimulovali prevádzku LTE na linkovej úrovni. Z výstupov simulácií sme objektívne vyhodnotili zisk odstupu signál - šum a vytvorili sme jednoduchú funkciu na výpočet zisku SNR v závislosti od poradia retransmisie, modulácie a efektívnej kódovej rýchlosti. Tieto výsledky sa dajú použiť na komplexný výpočet SINR pri simuláciách na systémovej úrovni, pri ktorých sa dosiaľ v žiadnom prevedení o zisku SNR vďaka retransmisiám neuvažovalo. Skupina 3GPP neustále pokračuje v práci na technológii LTE a chce dosiahnuť vysoké pokrytie siete použitím frekvencie 1800 MHz, ktorá je momentálne nosnou frekvenciou GSM. Taktiež sa zamýšľajú nad použitím frekvencií 700, 800 a 3600 MHz. Momentálne je prevádzka ešte v štádiu testovania, ale môžeme očakávať, že v najbližších piatich rokoch, by sa technológia LTE mala dostať aj na Slovensko. Taktiež sa pracuje na vylepšení LTE, aby mal parametre 4G siete. Tento projekt má názov LTE-Advanced. Táto technológia sľubuje prenosovú rýchlosť až 1 Gb/s. Taktiež by mala medzi svoje funkčné rozsahy pásiem pridať šírku pásma 100 MHz teda až späťnásobiť najväčšiu šírku pásma pre LTE. Pri tejto technológii bude určite potrebné zabezpečiť bezchybný prenos použitím HARQ. Smer vývoja mobilných sietí je už stanovený a v blízkej budúcnosti budú koncový zákazníci schopný pozerať online filmy v HD kvalite na svojom PDA zariadení cez mobilný širokopásmový internet bez evidentného zásahu rušenia a šumu prostredia. 35

8 Použitá literatúra [1] 3GPP.org: LTE. Aktualizované 2011. Dostupné na internete: <http://www.3gpp.org/lte>. [2] 3GPP TR 23.882 V8.0: 2009, SAE Report on Technical Options and Conclusions. [3] 3GPP TS 36.300 V8.13: 2010, E-UTRA and E-UTRAN Overal description. [4] Radio-Electronics: Cellular Telecoms: LTE OFDM, OFDMA and SC-FDMA. Dostupné na internete: < http://www.radio-electronics.com/ >. [5] Radio-Electronics: Cellular Telecoms: LTE MIMO. Dostupné na internete: <http://www.radio-electronics.com/ >. [6] 3GPP TS 36.211 V8.9: 2010, E-UTRA Physical channels and modulation. [7] Ramabadran, T.V. - Gaitonde, S.S.: A tutorial on CRC computations. In Micro IEEE, vol.8, č.4, August 1988, s. 62-75. [8] Berrou, C.: The ten-year-old turbo codes are entering into service. In Communications Magazine, IEEE, vol.41, č.8, August 2003, s. 110-116. [9] 3GPP TR 25.835 V1.0: 2000, Report on Hybrid ARQ Type II/III. [10] Malkamaki, E. - Mathew, D. - Hamalainen, S.:Performance of hybrid ARQ techniques for WCDMA high data rates. In Vehicular Technology Conference, 2001. VTC Jar 2001. IEEE VTS 53rd, 2001. [11] Cheng, Jung-Fu - Koorapaty, H.: Error Detection Reliability of LTE CRC Coding. In Vehicular Technology Conference, 2008. VTC Jeseň 2008. IEEE 68th, 21-24 Sept. 2008, s.1-5. [12] 3GPP TS 36.212 V8.8: 2009-12, E-UTRA Multiplexing and channel coding. [13] 3GPP TS 36.213 V8.8: 2009-09, E-UTRA Physical layer procedures. [14] Dottling, M. - Michel, J. - Raaf, B.: Hybrid ARQ and adaptive modulation and coding schemes for high speed downlink packet Access.In Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2002. The 13th IEEE International Symposium on Sept. 2002. [15] Frenger, P. - Parkvall, S. - Dahlman, S.:Performance comparison of HARQ with chase combining and incremental redundancy for HSDPA. In Vehicular Technology Conference, 2001. VTC Jeseň 2001. IEEE VTS 54th, 2001. 36

[16] Mehlfuehler, C. Wrulich, M. Ikuno, J.C. Bosanska D. Rupp, M.: Simulating the Long Term Evolution Physical Layer. In Proc. of the 17th European Signal Processing Conference (EUSIPCO 2009), Glasgow, Škótsko, August 2009. 37

9 Príloha: Kanálová architektúra LTE Obr. 9.1 Kanálová architektúra LTE. Existujú 3 typy kanálov podľa typu dát aké nesú. Fyzické a transportné sa následne delia na zostupné a vzostupné. Logické kanály sa delia na kontrolné a prevádzkové. Káždý kanál má svoju špecifickú funkciu. V nasledujúcom vysvetlíme základné funkcie jednotlivých kanálov. Fyzické kanály LTE Zostupný smer PBCH Physical Broadcast Channel nesie systémovú informáciu pre UE požadujúce prístup do siete PDSCH Physical Downlink Shared Channel unicast a stránkovacie funkcie PMCH Physical Multicast Channel systémové informácie pre multicast PDCCH Physical Downlink Control Channel informácie plánovania PHICH Physical Hybrid ARQ Indicator Channel informácie o HARQ statuse Vzostupný smer PRACH Physical Random Access Channel funkcie náhodného prístupu PUSCH Physical Uplink Shared Channel zostupná strana PDSCH PUCCH Physical Uplink Control Channel HARQ potvrdenia 38

Transportné kanály LTE Zostupný smer PCH Paging Channel rozvádza PCCH na transportnej vrstve BCH Broadcast Channel mapovaný na BCCH DL-SCH Downlink Shared Channel hlavný kanál zostupnej dátovej prevádzky, prenáša informácie z väčšiny logických kanálov MCH Multicast Channel prenos MCCH informácie na nastavenie multicastu Vzostupný smer RACH Random Access Channel požiadavky náhodného prístup UL-SCH Uplink Shared Channel hlavný kanál vzostupnej dátovej prevádzky, využívajú ho všetky vzostupné logické kanály Logické kanály LTE Kontrolné kanály PCCH - Paging Control Channel stránkovacie informácie pri hľadaní prvku na sieti BCCH Broadcast Control Channel poskytuje systémové informácie všetkým mobilným zariadeniam pripojeným k enb CCCH Common Control Channel informácie k náhodnému prístupu, napr. nastavovanie spojenia DCCH Dedicated Control Channel nesie kontrolné informácie užívateľa, napr. kontrolné činnosti ako kontrola napájania MCCH Multicast Control Channel informácie na multicastový príjem Prevádzkové kanály DTCH Dedicated Traffic Channel prenos užívateľských dát MTCH Multicast Traffic Channel prenos multicastových dát 39