Marko Lihter, Saša Ledinščak, Goran Lacmanović, Paško Runjić

MIMO kod LTE i LTE-Advanced

Predmet: Mobilni internet

Uvod

MIMO

LTE

LTE-Advanced

Sadržaj

Uvod LTE se razvija kao novi globalno prihvaćeni 3GPP

(eng. Third Generation Partnership Project) standard za evoluiranu UTRAN (eng. UMTS Terrestrial Radio Access Network) mrežu (E-UTRAN) uz istodobnu podršku u evoluiranoj jezgrenoj mreži (EPC – eng. Evolved Packet Core) proizašloj iz 3GPP studije evolucije arhitekture sustava (SAE – eng. System Architecture Evolution)

Ključne tehnologije kojima se omogućuje postizanje visokih brzina prijenosa uključuju radijsko sučelje temeljeno na OFDM (eng. Orthogonal Frequency Division Multiplexing) pristupu, upotrebu više-antenskih rješenja (MIMO – eng. Multiple Input, Multiple Output) te fleksibilnost upotrebe frekvencijskog spektra.

MIMO Zasniva se na uporabi više antena na odašiljačkoj

i na prijamnoj strani sustava Korištenje višestrukih antena poboljšava obilježja

radijskog prijenosa zbog prostornog multipleksiranja i diverziti postupka

Tokovi podataka se istodobno odašilju na različitim antenama što povećava brzinu prijenosa (kapacitet sustava)

Preduvjet za to je da nema korelacije između odgovarajućih staza širenja

najbolje funkcionira u uvjetima višestrukog širenja uz visoki odnos signal/šum (nema optičke vidljivosti između odašiljača i prijamnika, urbani okoliš)

Ako je različit broj prijamnih i odašiljačkih antena, onda uz prostorno multipleksiranje postoji i prostorni diverziti

MIMO Razlaganje MIMO sustava može se proširiti i na način

da se u odašiljački i prijamni dio uključi više baznih postaja (eNB) i više korisničkih uređaja (UE), pa se definiraju sljedeći sustavi:

jednokorisnički MIMO (SU-MIMO, Single-User MIMO) višekorisnički MIMO (MU-MIMO, Multi-User MIMO) kooperativni MIMO (Co-MIMO, Cooperative MIMO)

MIMO SU-MIMO se može upotrijebiti u silaznoj i u

uzlaznoj vezi, a glavna svrha mu je povećanje brzine prijenosa prema/od jednog korisnika

Zahvaljujući tome dolazi do ukupnog povećanja kapaciteta u ćeliji

MU-MIMO koji se koristi samo u uzlaznoj vezi Veća udaljenost između korisnika povećava

nekoreliranost između staza u odnosu na SU-MIMO

Korisnička oprema mora sadržavati samo jedan odašiljački niz, pri čemu kapacitet ćelije raste

kooperativnog MIMO uključuje međusobnu vezu između više baznih postaja koje komuniciraju s barem jednim istim korisnikom

CO-MIMO-a u silaznoj vezi najveći dobitak ostvaruje se na rubu ćelije

LTE Glavni zahtjevi:

značajno povećanje vršnih brzina prijenosa; vršna brzina prijenosa od 100 Mbit/s u silaznoj vezi i 50 Mbit/s u uzlaznoj vezi unutar kanala širine 20 MHz uz 2 prijamne antene i 1 odašiljačku antenu na korisničkoj opremi (temeljna konfiguracija); vršne brzine prijenosa treba linearno skalirati s dodijeljenom širinom kanala

povećanje brzine prijenosa na rubovima ćelija uz zadržavanje lokacija postojećih baznih postaja

značajno povećanje spektralne učinkovitosti mogućnost za kašnjenje u radijskoj pristupnoj mreži

ispod 10ms skalirajuća širina pojasa (5; 10; 15; 20 MHz) te izbor

između FDD ili TDD moda rada razumna kompleksnost sustava i korisničke opreme,

razumni troškovi i potrošnja energije kompatibilnost unatrag je poželjna, ali ne pod cijenu

ostvarivih performansi mreža treba biti optimizirana za male brzine korisnika, ali

treba podržavati i velike brzine

LTE Prijenos podataka kod LTE temelji se na postupku OFDMA

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) u silaznoj vezi i SC-FDMA (Single-Carrier Frequency Division Multiple Access) u uzlaznoj vezi. Ako se usporedi CDMA (osnova UMTS tehnologije) i OFDMA (osnova LTE tehnologije) zaključuje se da OFDMA ima mnogo prednosti:

može se prilagoditi na različite širine kanala otporan je na višestazno širenje jednostavnija je izrada ekvalizatora u prijamniku lakše se primjenjuje MIMO

Ipak OFDMA ima i neke nedostatke: osjetljivost na Dopplerov pomak (pomak frekvencije) osjetljivost na fazni šum velike su razlike između vršnih i srednjih snaga

signala (PAPR, Peak to Average Power Ratio)

LTE

LTE podržava u silaznoj vezi tri inačice višestrukog korištenja antena:

MISO ili odašiljački diverziti SIMO ili prijamni diverziti MIMO (prostorno multipleksiranje)

modulacijski postupci za prijenos korisničkih podataka: QPSK, 16-QAM i 64-QAM

Maksimalna definirana konfiguracija MIMO sustava je 8×8

Frekvencijski pojas rada: 1800,1900 MHz

LTE-Advanced Evolucija LTE sustava Glavni ciljevi razvijanja ovog sustava: kontinuiran razvoj i unapređenje LTE radio

tehnologija i arhitekture kompatibilnost s LTE-Advanced i LTE

sustavima; ideja je da LTE-Advanced sustav radi s LTE sustavom, ali i obrnuto

propis po kojem je korištenje LTE – Advanced sustava dozvoljeno u onim dijelovima svijeta gdje je moguće postići spektar kanala iznad 20 MHz

veća brzina prijenosa podataka

LTE-Advanced Glavni zahtjevi: brzina prijenosa - brzina prema korisniku od 1

Gbit/s i 500 Mbit/s brzina od korisnika prema sustavu pri maloj mobilnosti te brzina prema korisniku od 100 Mbit/s pri velikoj mobilnosti

trostruka spektralna učinkovitost u odnosu na LTE puno manja latentnost, vrijeme od 50 ms potrebno

je za stvaranje konekcije, a 5 ms za prijenos podataka

dvostruko veći broj korisnika po ćeliji u odnosu na LTE

jednaka mobilnost kao i kod LTE sustava kompatibilnost s LTE i 3GPP sustavima

LTE-Advanced

Frekvencijsko

područje B UHF S S/C C

Širina područja

[ MHz ] 450-470 698-862 2300-2400 3400-4200 4400-4499

LTE-Advanced u svojem radu koristi širinu frekvencijskog pojasa od 20MHz kao LTE do 100MHz

Kako je frekvencijski područje normirano bilo je potrebno normirati nova radna frekvencijska područja kako bi se osigurala veća širina frekvencijskog pojasa

LTE-Advanced Potpuno iskorištenje širine frekvencijskog pojasa

od 100 MHz, a istovremena komaptibilnost sa LTE tehnologijom predložena je agregacija nosioca

Sastoji se od grupe u kojoj je nekoliko nosioca LTE, tako da uređaji koji koriste LTE-Advanced su u mogućnosti koristiti cijeli frekvencijski pojas, dopuštajući istovremeno LTE uređajima koristiti frekvencijski pojas kao zasebne nosioce

Kako operateri uvijek neće moći kontinuirano koristiti cijeli frekvencijski pojas predložena je i nekontinuirana agregacija nosioca

U tom slučaju nosioci koji će biti agregirani mogu biti ne kontinuirani u istom frekvencijskom pojasu ili u drugom kanalu

LTE-Advanced Opcija korištenja više od jednog kanala postavlja

pitanje koliko i koje kanale bi se koristilo da bi se zadovoljili različita ograničenja i zahtjevi

U kanalima na nižim frekvencijama bolje je pokrivanje korisnika, veća mobilnost ali i manji kapacitet kanala dok kod viših frekvencija vrijedi obrat

U obzir se moraju uzeti i višestruka podrška kanala, minimalna i maksimalna udaljenost između nosioca kao i minimalni i maksimalni broj frekvencijskih područja koja mogu agregirati

Kod MIMO tehnike koristi se napredno pretkodiranje. To je nova kombinacija formiranja korisnika sa prostornim multipleksiranjem i prostornim diverzitijem koja se moze koristiti za jednokorisničko ili višekorisničko formiranje

LTE-Advanced koncept naprednog predkodiranja pri kojem su

formirana dva korisnika pomoću multipleksa i diverzita

Ideja ovog koncepta je povećati broj prijenosnih slojeva ili redosljedom diverzita te povećati performanse kanala kako bi se kompenzirala kompleksnost kanala

Jednokorisničko ili višekorisničko formiranje može se kombinirati sa multipleksom i diverzitom simultano da se poveća područje pokrivanja i istodobno poveća kapacitet

LTE-Advanced Problem moze nastati zbog interferencije kanala pametni antenski nizovi – bazne stanice su

opremljene sa više antenskih nizova podjeljenih valnih duljina dok su antenski elementi unutar niza podjeljeni samo za pola valne duljine; Pretpostavljeno je da su mobilne stanice opremljene sa vise antena. U tom slučaju viša je spektralna učinkovitost kao i performane BER-a. Mana je potreba za velikim brojem antena kod bazne stanice.

unakrsna polarizacija antene – antena moze biti unakrsno polarizirana ako moze odasiljati elektromagnetski val u ortogonalnim modovima. Dvije odvojene antene mogu se zamjeniti sa jednim unakrsnim polariziranim elementom emitirajući 2 MIMO kanala. Kod brzog fedinga ovaj nacin doprinosi poboljšanju multipleskiranja. Višestruke antene bi trebale biti udaljene samo na pola valne duljine i tada se moze formirati

USPOREDBA

Parametar Veza Konfiguracija antena

LTE LTE -

Advanced

Brzina prijenosa Silazna 8 x 8 300 Mbit/s 1 Gbit/s

Uzlazna 4 x 4 75 Mbit/s 500 Mbit/s

Spektralna učinkovitost Silazna 8 x 8 15 bit/s/Hz 30 bit/s/Hz

Uzlazna 4 x 4 3,75 bit/s/Hz 15 bit/s/Hz

Kapacitet

[ bit/s/Hz/ćeliji ]

Silazna 2 x 2 1,69 2,4

Silazna 4 x 2 1,87 2,6

Silazna 4 x 4 2,67 3,7

Uzlazna 1 x 2 0,74 1,2

Uzlazna 2 x 4 1,24 2

Propusnost ćelije po korisniku

[ bit/s/Hz/ćeliji/korisnik ]

Silazna 2 x 2 0,05 0,07

Silazna 4 x 2 0,06 0,09

Silazna 4 x 4 0,08 0,12

Uzlazna 1 x 2 0,024 0,04

Uzlazna 2 x 4 0,042 0,07

Kašnjenje 10ms 5-10ms

Tehnika uzlazne veze SC-FDMA DFT-S-OFDMA