Fakultet elektrotehnike Komunikacije 2011/12

Univerzitet u Tuzli

SEMINARSKI RAD IZ MOBILNIH KOMUNIKACIJA TEMA: Od GSM do LTE mree

Amir Mujki, III-30/07 Sadraj: TD-LTE zrano povezivanje..................................................................................................................1

Rasporeivanje............................................................................................................................1 Downlink rasporeivanje............................................................................................................1 Dinamiko rasporeivanje...........................................................................................................2 Polustalno rasporeivanje...........................................................................................................4 Uplink rasporeivanje.................................................................................................................5 Pretraivanje elija.....................................................................................................................5 Spajanje i aktivacija default-nog nosioca...................................................................................7 Poetno uspostavljanje veze........................................................................................................7 Stvaranje sesije............................................................................................................................9 Uspostavljanje konteksta u radio mrei......................................................................................9 Primopredajni Scenariji............................................................................................................10 X2 Primopredaja.......................................................................................................................10 Primopredaja S1........................................................................................................................12

OD GSM DO LTE MREE TD-LTE zrano povezivanje (Air interface) - Veina poetnih LTE distribucija u svijetu koriste FDD (frequency division duplexing), to znai da se podaci alju i primaju simultano na dva odvojena kanala. Ovo je koriteno npr. u Kini. Pored toga to se koristi jedan kanal za uplink i downlink prijenos, veina parametara za zrano povezivanje su identini FDD implementaciji. Ipak, neke razlike postoje koje su opisane u nastavku. Zbog toga to TD-LTE koristi samo jedan kanal, potreban je prijenosni port (otvor) kada se prebacuje iz predajnog u prijemni mod. Ovo se takoer odnosi i na zatitni period i njegova duina je odreena vremenom koje je potrebno da se prebaci operacijski mod iz primopredajne jedinice i maksimalne vremenske prednosti koja se moe desiti unutar elije. Vremenska prednost utie na zatitni period, jer to je mobilni ureaj udaljeniji od centra elije, to ranije mora poeti svoju prijenos kako bi bili sinhronizovani prenosi ureaja koji su blie centru elije. Zatitni period mora biti dovoljno dug kako bi obezbjedio tako rane transmisije povezane s mobilnim ureajima koji su blie centru elije. Ovaj period moe biti dug do 10 OFDM simbolskih trajanja. U urbanim okolinama sa radijusom elije 2 km ili manje, jedna OFDM simbolska duina je obino dovoljna i samo malo kapaciteta se iskoristi. Dva intervala prebacivanja izmeu predaje i prijema su definirani kao 5 milisekundi i 10 milisekundi. Ovo odgovara 5 do 10 podokvira, respektivno. TDD konfiguracije 3, na primjer, dodjeljuje 3 podokvira uplink-u i est podokvira downlink-u. Deseti podokvir je specijalan kako prvi slui za downlink prijenos prethodnog okvira, srednji se koristi za zatitni period i onaj koji je zadnji se koristi za uplink prijenos sljedeeg okvira (frame-a). Na ovaj nain, vremensko trajanje od 10 milisekundi radio okvira, koji se sastoji od 10 podokvira, je ostalo isto kao kod FDD-a, neovisno od toga koliko je OFDM simbola koriteno za zatitni period. Scheduling (Rasporeivanje) - Prijenos podataka kod LTE u oba i uplink i downlink smjeru je kontolisano mreom. Ovo je slino drugim tehnologijama kao to su GSM i UMTS. U ovim sistemima, neke ili sve kontrole raspodjele su locirane u centralizovanim mrenim komponentama kao to su PCU ili RNC. U LTE mrei, raspodjela je u potpunosti kontrolisana od strane eNode-Bs(vor bazne stanice). Neke od prednosti mreno-bazirane raspodjele su: Mrea moe reagovati na promjenu radio uslova svakog korisnika i optimizirati cjelokupni protok podataka. Mrea moe osigurati QoS (kvalitet uslge) za svakog korisnika. Situacije u kojim dolazi do preoptereenja se mogu taker rijeavati Downlink Scheduling (downlink rasporeivanje) U downlink smjeru, vor bazne stanice koji vri rasporeivanje je odgovoran za prosljeivanje podataka koje prima sa mree, za sve korisnike, preko zranog interfejsa. U praksi, jedan logiki defaultni nocilac je obino dodjeljen mobilnom ureaju, preko kojeg se prenose podaci. Kako bi osigurali QoS (kvalitet servisa) za aplikacije kao to je VoIP preko IMS, takoer je mogue dodijeliti vie od jednog logikog nosioca mobilnom ureaju. Onda VoIP korisiti za protok podataka dodjeljeni nosilac za koji je zahtjevani opseg i malo vrijeme varijacije izmeu dva paketa osigurano od strane mree.

Dynamic Scheduling (dinamiko rasporeivanje) 1

-

Rasporeivanje je jednostavan zadatak ako postoji samo jedan korisnik i ako ima malo podataka koji ekaju u baferu za transmisiju kako bi se poslali zranim interfejsom. Kada eNode-B (vor bazne stanice) usluuje nekoliko korisnika, ili nekoliko nosilaca da bi bili precizniji, i kada je koliina podataka u downlink baferu vea i koja se moe poslati u podokvirovima, tada scheduler mora odluiti koji korisnici i nosioci dobivaju dozvolu za zadatak sljedeeg podokvira i koliko se kapaciteta dodjeljuje svakom. Ako odreeni propusni opseg, kanjenje i treperenje su dodjeljeni nosiocu za odreenog korisnika onda scheduler mora pitati da li se to ve jednom dogodilo. Onda podaci datog nosioca dobivaju privilegije nad podacima koji dolaze sa mree za druge nosioce za istog ili neke druge korisnike. U praksi, ipak, takvi atributi kvaliteta usluge nisu iroko upotrebljeni i odatle veina nosioca imaju isti prioritet u radio interfejsu. Za nositelje s istim prioritetom, drugi faktori utiu na odluku scheduler-a: kada dozvoliti korisniku prenos i koliko mu dodjeliti resursnih blokova u svakom podokviru. Ako se svaki nosilac s istim prioritetom tretira jednako, onda e se jedan dio kapaciteta u zranom interfejsu biti upropaten. Sa ovim pristupom, mobilnim ureajima koji su trenutno ili trajno iskusili loe radio uslove, na primjer, na rubu elije, se mora dodati neproporcionalan broj resursnih blokova zbog loe modulacije i potrebne kodne eme. Scheduling u downlink smjeru za korisnike radi na sljedei nain: Za svaki podkvir vor bazne stanice odluuje broj korisnika koje eli rasporeivati i broj resursnih blokova koji se dodjeljuju svakom korisniku. Na ovaj nain se onda odreuje broj simbola na vremenskoj osi u svakom podokviru za podruje kontrole. Ukupan broj dostupnih simbola na vremenskoj osi je 2x17=14 ako je koriten kratki ciklini prefiks. Ovisno o konfiguraciji sistema i broja korisnika za rasporeivanje, jedan do etiri simbola se koriste kroz kompletan opeg nosioca za kontrolno podruje. Broj simbola moe biti fiksan ili se moe mijenjati po zahtjevu. vor bazne stanice obavjetava mobilni ureaj o veliini kontrolnog podruja preko PCFICH poruke, koja je ustvari odailjenje sa veoma robusnom modulacijom i kodnom emom. Dva bita koja opisuju kontrolno podruje su zatiena sa kodom 1/16, a kao rezultat je 32 bit-ni izlaz. QPSK modulacija se koristi kako bi se mapirali izlazni biti u 16 simbola u kolonu za simbole za svaki podokvir. Kako je mobilni ureaj svjestan veliine kontrolnog podruja, onda ureaj moe izraunati gdje se nalaze podruja za traenje. Prostori za traenje su uvedeni kako bi reducirali optereenje mobilnog ureaja kod uitavanja i kako bi se sauvao kapacitet baterije. U mobilnom ureaju (UE) specifina podruja za traenje su podjeljena ovisno od mobilnog ureaja ili u uobiajenim prostorima za traenje koja moraju biti analizirana od strane svih mobilnih ureaja za odailjanje poruka, mobitel dekodira sve PDCCH poruke. Sve poruke imaju provjeru u kojima je i identitet mobitela implicitno ugraen. Ako mobitel moe tano potvrditi provjeru, onda zna da je poruka za njega. Inae se poruka odbacuje. Duina PDCCH poruke je varijabilna i ovisi od sadraja. Za lake dekodiranje, broj fisknih duina PDCCH poruka je unaprijed definisan. Poruka je sastavljena na sljedei nain: Na najniem sloju, etiri simbola na frekvenciskoj osi su grupisana u grupu resursnih elemenata ili REG (Resource Element Group). Devet ovakvih REG-ova formiraju CCE. Oni su dalje integrisani u sastavu PDCCH poruke, koja se moe sastojati od 1,2,1 ili 8 CCE-ova. PDCCH poruka koja se sastoji od dva CCE-a, na primjer, sadri 18 REG-ova i 18x 4 = 72 simbola. Drugim rijeima, okupiraju se 72 nosioca (za svaki simbol po jedan nosioc). Sa QPSK modulacijom, poruka ima duinu od 144 bita. Najvea PDCCH poruka sa osam CCEova ima duinu od 576 bita. PDCCH poruke se mogu koristiti za vie stvari i njihova duina odreuje nekoliko tipova poruka. U standardu, tip poruke se odnosi na Downlink Control Information odnosno format downlink kontrolne informacije(DCI). Tabela 1(slika 1.) pokazuje 10 razliitih tipova poruka ili DCI formata koji su definisani. Ako poruka opisuje downlink dodjelu za mobilni ureaj na downlink djeljenom kanalu, onda se poruka sastoji od sljedeih informacija: 2

tipa resursne alokacije komande za kontrolu energije PUCCH; HARQ informacije (bit novog podatka, verzija redundancije); modulacija i kodna ema; broj slojeva razmaka za MIMO operaciju; informacije za kodiranje unaprijed (kako pripremiti podatke za transmisiju). vor bazne stanice (eNode-B) ima nekoliko naina da alocira resurs: Tip 0 resursnih alokacija daje mapu bita svih grupa kojima su dodjljeni resursnih blokovi. Za 10-MHz-ne kanale, veliina grupe je tri RB-a. Za 50 resursnih blokova 10 MHz-nog kanala, bitska mapa ima duinu od 17 bita. Za 20 MHz-ne nosioce, koristi se grupa veliine etiri resursna bloka i 100 resursnih blokova su adresirani sa bitskom mapom od 25 bita. Tip 1 resursne alokacije takoer koriste bitsku mapu, ali umjesto dodjeljivanja cijelih grupa mobilnom ureaju sa '1' u bitskoj mapi, samo jedan od resursnih blokova iz grupe se dodjeljuje. Na ovaj nain, resursna dodjela se moe proiriti preko cijelog propusnog opsega i onda se u potpunosti moe koristiti frekventna raznovrsnost. Tip 2 resursne alokacije daje poetnu taku u frekventnoj domeni i broj alociranih resursa. Resursi mogu biti ili kontinualni ili raireni preko cijelog kanala. Zakljuno, alokacija downlink resursa od strane mobilnog ureaja radi na nain kako je prikazano na slici 2. Na poetku svakog podokvira, mobilni ureaj prvo ita PCFICH poruku kako bi detektovao broj kolona podokvira koje su rezervisane za kontrolno podruje u koje se PDCCH poruke alju. Na osnovu ID-a, ureaj onda izraunava prostor za traenje u kojem moe traiti dodjeljene poruke. Ako onda dekodira ova podruja kako bi vidio da moe nai poruke za koje moe izraunati uspjeno CRC provjeru, koja implicitno sadri ID ureaja. Ako se downlink dodjeljena poruka pronae, tip resursne alokacije onda odluuje kako se informacija predaje (bitska mapa ili poetna taka sa duinom). Sa ovom informacijom, mobilni ureaj moe ii dalje i pokuati da dekodira sva podruja podokvira u kojima se prenose podaci. Ovisno o trenutnoj aktivnosti i koliine podataka koji pristiu za korisnika sa mree, moda nee biti potrebno da se podaci rasporeuju za korisnika u svakom podokviru. U takvim sluajevima, takoer nije potrebno za mobilni ureaj da trai dozvolu za potencijalnu raspodjelu u svakom podokviru. Kako bi se reducirala apsorpcija energije mobilnog ureaja, mrea moe konfigurisati periode nekontinualnog prijema (DRX) tokom kojih kontrolni kanal ne mora biti posmatran.

Slika 1. Tip poruka downlink kontrolnog kanala (DCI formati)

3

Slika 2. Pregled downlink prijema podataka.

Semipersistent Scheduling(Polustalno rasporeivanje) Dok je dinamiko rasporeivanje sjajno za stalni promet, razrijeeno i stalno zauzee pri prijenosu podataka kao to je web surfanje, video protok i e-mail, manje je prikladan za stvarne vremenske protone aplikacije kao to su govorni pozivi. Ovdje, podaci se alju u kratkim brzim signalima u regularnim intervalima. Ako je datarate protoka veoma nizak, kao to je sluaj za govorne pozive, pretrpanost dinamikog rasporeivanja poruka je toliko visoka isto kao da je mali podatak poslan za svaku poruku koja se rasporeuje. Rjeenje za ovo je polustalno rasporeivanje. Umjesto da se rasporeuje svaka uplink i downlink transmisija, definisan je transmisijski ablon umjesto pojedinanih transmisijskih mogunosti. Ovo znaajno reducira optereenost rasporeivanja dodjele zadataka. Tokom tihi perioda, beini kodeci za glas zaustavljaju prijenos glasovnih podataka i samo alju informacije koje opisuju tihe podatke sa mnogo duim intervalima vremena izmeu. Tokom ovih tihi intervala trajno rasporeivanje moe biti iskljueno. Dakle, dozvole su polustalne. U uplink pravcu, ema sa polustalnim dozvolama je implicitno otkazana ako nema podataka za poslati za mreno-konfigurisani broj praznih uplink transmisijskih mogunosti. U downlik pravcu, polustalno rasporeivanje je otkazano sa RRC porukom. U praksi, na strani mrenog operatera je da odlui kada da koristi koji tip rasporeivanja. Izazov za mreu sa polustalnim rasporeivanjem je da detektuju kad se moe koristiti. Za mrene operacijski orijentisane VoIP usluge kao to su glas preko dugoronog rijeenja koristei generiku pristupnu mreu ili Generic Access Network (VoLGA) ili IMS, govorna usluga moe zahtjevati od LTE mree da uspostavi logiki posveen nosioc za protok podataka. Svi IP paketi koji su se susretali sa odreenim kriterijima kao to su izvorine i destinacijske IP adrese ili odreenim UDP brojevima portova se onda uvijek alju preko zranog interfejsa u ovom obezbjeenom nosiocu za koji je odreeni opseg, kanjenje i prioritet odreen od strane mree. U zranom interfejsu, paketi koji se alju preko ovog obezbjeenog nosioca se onda mogu rasporeivati koristei polutrajne dozvole. Svi drugi podaci prema i od ureaja e nastaviti koristiti default-ni nosioc za koji eNode-B koristi dinamiko rasporeivanje. Internetbazirane govorne usluge kao to su Skype, ipak, nemaju znaaja da djeluju sa LTE mreama u svrhu QoS-a odnosno kvaliteta usluga. Za ovakve usluge, IP transportni kanal je transparentan i VoIP paketi koriste isti default-ni nosilac zajedno sa IP paketima prema i od svih drugih konektovanih servisa na mobilnom ureaju. Potencijalno rijeenje za budunost je da se optimizira upotreba dozvola kod rasporeivanja moe biti da mrea skenira mreni protok i prilagouje se upotrebi razliitih tipova metoda rasporeivanja prema potrebi.

Uplink Scheduling (uplink rasporeivanje) - Kako bi se dobila dozvola za PUSCH poruku, mobilni ureaj mora poslati zahtjev za dozvolu voru bazne stanice. Ako nema fizike konekcije sa vorom bazne stanice, mobitel mora prvo 4

uspostaviti ponovo vezu. Ovo se radi na nain kako je opisano ranije slanjem RRC poruke konekcijskog zahtjeva na nasumini pristupni kanal. Mrea onda uspostavlja kanal i dodjeljuje resurse za PUSCH kako bi mobilni ureaj mogao odailjati signale i korisnike podatke u uplink smjeru. Dozvola za uplink resurse se izvodi preko PDCCH poruke u kontrolnoj sekciji svakog podokvira. Dok je mobilni ureaj u aktivnoj komunikaciji sa mreom i ima dodjeljene resurse na uplink djeljenom kanalu, on ukljuuje izvjetaj statusa bafera u zaglavlju svakog paketa. Ova informacija se onda koristi od strane vora bazne stanice kako bi se dodjelili uplink resursi u narednim podokvirima. Ako je konekcija aktivna ali mobilni ureaj trenutno nema resurse na uplink djeljenom kanalu, mora poslati svoje zahtjeve za propusnim opsegom preko PUCCH opisanim ranije. Uplink dozvole kod rasporeivanja su poslane kao PDCCH poruke na isti nain kao to je to opisano ranije za downlink dozvole kod rasporeivanja. Za ovu svrhu DCI poruke tipa 0 se koriste na nain kako je pokazano u tabeli ranije. Ustvari, dok se skeniraju prostori za traenje u kontrolnoj sekciji svakog podokvira, obje i uplink i downlink dozvole kod rasporeivanja koje mogu biti date kao puni duplex (u oba smjera) FDD ureaji mogu odailjati i primati podatke u isto vrijeme. Kako bi se napravila najbolja iskoristivost resursa kod uplink fiziki djeljenog kanala, vor bazne stanice mora biti svjestan toga koliko ustvari predajne snage je ostalo mobilnom ureaju ako se poredi sa trenutnom izlaznom snagom. On moe tada odabrati prikladnu modulaciju i kodnu emu i broj resursnih blokova na frekventnoj osi. Ovo se radi preko izvjetaja snage, koji se alju periodino od strane mobilnog ureaja u uplink smjeru. Cell Search (Pretraivanje elija) - Kada je mobilni ureaj ukljuen, prvi mu je zadatak sa radio strane da trai prikladnu mreu i da se onda pokua registrovati. Kako bi skratio proces traenja, mobilni ureaj sprema parametre zadnje elije na SIM kartici prije nego se iskljui. Nakon to se ureaj ukljui, moe ii ravno na zadnji poznati opseg i koristiti zadnje poznate parametre elije kako bi vidio da li se elija jo uvijek moe pronai. Ovo je sluaj ako se mobilni ureaj ne prenese na drugo mjesto dok je bio iskljuen. U sluaju da se prethodna elija ne pronae sa informacijama pohranjenim na SIM kartici ili ako SIM kartica ne sadri informacije o zadnje koritenoj eliji, mobilni ureaj onda izvodi potpuno traenje. Glasovno-orijentisani ureaji mogu poeti traenje GSM propusnih opsega prvo jer su takve mree najvie rasprostranjene i stoga je najvea vjerovatnoa da e se nai prikladna elija na taj nain. LTE ureaji koji su vie usmjereni na podatke mogu poeti traiti LTE elije i onda prei na UMTS i GSM pretraivanje elija ako se prvo pretraivanje zavri neuspjeno. Kao prvi korak, mobilni ureaj trai na svim kanalima i na svim podranim frekvencijama inicijalni signal i pokuava pokupiti primarni sinhronizacijski signal (PSS) koji se odailje svakih 5 milisekundi, to jeste, dvaput po svakom okviru zranog interfejsa. Jednom kada se pronae, ureaj ostaje na kanalu i locira sekundarni sinhronizacijski signal (SSS), koji se takoer emituje svakih 5 milisekudni. Dok je sadraj PSS-a uvijek isti, sadraj SSS-a se mijenja u svakom okviru tako da bi mobilni ureaj mogao detektovati na osnovu ablona gdje je poetak okvira. Slika 3 pokazuje gdje se sinhronizacijski signali mogu nai u okviru na vremenskoj osi. Kako bi se detektovanje elije olakalo, PSS i SSS se emituju samo na poetnih 1.25 MHz kanala. Na ovaj nain, jednostavna FFT analiza se moe izvesti kako bi se detektovali signali. Takoer, poetno pretraivanje elije ne ovisi od propusnog opsega kanala. Stoga, na ovaj nain se ubrzava proces pretraivanja elije.

5

Slika 3. PSS i SSS u jednom LTE FDD okviru Primarni i sekundarni sinhronizacijski signal implicitno sadre PCI. PCI nije jednaka ID-u elije kao to je to prethodno prikazano u GSM i UMTS ali je to jednostavno fiziki identitet elije na niem sloju. Kao GSM i UMTS, LTE takoer zna elijski identitet na viim slojevima. PCI je vana za razlikovanje kod susjednih elija koje vre transmisiju na istoj frekvenciji. U praksi, mobilni ureaji, posebno u scenarijima na ivici elije, primaju vie PSS i SSS i stoga detektuju vie PCI-ova na istoj frekvenciji. Nakon detekcije PSS-a i SSS-a, mobilni ureaj je takoer svjestan ako elija koristi normalni ili proireni ciklini prefiks. Kako je prikazano na slici 3, postoji razliito mjerenje vremena dva signala ovisno o duini prefiksa jer samo est simbola formiraju slot kada je koriten proireni ciklini prefiks u poreenju sa sedam simbola sa normalnim ciklinim prefiksom. Signali koji se emituju iz razliitih elija interferiraju jedni s drugima. Kao kanal je koriten samo preko jednog operatora izuzev na nacionalnim granicama, mobilni ureaj e pokuati da uspostavi komunikaciju samo sa elijama sa najaim sinhronizacijskim kanalima i igonorisati e sve ostale elije na istoj frekvenciji. U sluaju da je mobilni ureaj pronaao eliju opisanu na SIM kartici nakon ukljuenja, onda ide direktno u tu eliju i prestaje traiti druge elije na drugim kanalima u tenutnom frekvencijskom pojasu, iako elija nije najaa na trenutnom kanalu. Nakon uspjene procedure spajanja, elijski mehanizam prespajanja ili handover e osigurati da mobilni ureaj bude usluen najaom elijom koju prima. Sljedei korak u elijskom pretraivanju jeste da se proita MIB iz PBCH, koji se emituje svakih 40 milisekundi u poetnom 1.25MHz nom djelu kanala. MIB sadri najvaniju informaciju o konfiguraciji kanala, koja je kljuna za mobitel prije nego to moe nastaviti. Veoma konzervativna modulacija i jaka detekcija greke i ispravljanja informacije je dodana kako bi se dozvolilo uspjeno dekodiranje ove informacije ak i pod veoma nepovoljnim prijemnim uslovima. Prva informacija koju mobilni ureaj dobije od MIB je ukupni propusni opseg koriten za kanal od svih pokuaja dekodiranja koji su dosad bili u poetnom 1.25MHz-nom dijelu kanala. Dalje, MIB sadri strukturu HARQ indikatora kanala i broj sistemskog okvira odnosno System Frame Number (SFN), koji je neophodan, na primjer, za ifru i proraun mogunosti stranica koje e biti opisane kasnije. Od informacije koja se dobije od MIB, mobilni ureaj moe onda poeti traiti SIB-1. Kako odailja na downlink djeljenom kanalu svaki 80 milisekundi, mobilni ureaj mora dekodirati 'esti' prostor za traenje u kontrolnom djelu podokvira kako bi naao poruku downlink kontrolnog kanala (PDCCH) koja govori o prisustvu i lokaciji SIB-1 u podokviru. Jednom kada je nae, SIB-1 poruka sadri sljedee informacije: MCC i MNC elije. Ovi parametri govore da li elija pripada domaoj mrei ili ne. NAS elijski identifikator koji je slian obinom elijskom ID-u u GSM i UMTS mreama. The Tracking Area Code odnosno kod za praenje(TAC), koji odgovara lokaciji u podrujima rutiranja u GSM i UMTS mreama. 6

Status elije, to jest, da li se moe korisiti ili ne. Minimalni nivo za primanje koji mobilni ureaj mora primiti od elije. Ako je nivo nii, onda mobilni ureaj ne smije pokuati da ostvari komunikaciju sa elijom. Listu rasporeivanja drugi SIB poruka koje su poslane i njihove intervale. Sa informacijom koja je obezbjeena od strane SIB-1, mobilni ureaj onda odluuje da li eli poeti komunikaciju sa elijom. Ako naprimjer eli, poto elija pripada domaoj mrei, mobilni ureaj onda nastavlja da trai i dekodira daljne sistemski informacione poruke. SIB-2 sadi jo parametara koji su neophodni za komunikaciju sa elijom, kao to su: konfiguraciju RACH poruke; konfiguraciju kanala za stranice; konfiguraciju downlink djeljenog kanala; konfiguraciju PUCCH poruke; konfiguration SRS-a u uplink-u; uplink kontrolnu informaciju snage; timere i konstante (npr. koliko dugo vremena treba za odreene poruke); propusni opseg uplink kanala. Ako elija nije dio domae mree ili ne pripada zadnje poznatoj koritenoj mrei pohranjenoj na SIM kartici, mobilni ureaj bi dalje traio druge kanale na trenutnom frekvencijskom opsegu i takoer na drugim frekvencijskim opsezima. Ako se frekvencijski opseg moe koristiti od strane vie radio tehnologija, kao to je npr. 900MHz-ni opseg koji se korisit u GSM, UMTS i LTE mreama, onda e mobilni ureaj pokuati da detektuje transmisije sa razliitih radio sistema ali u istom opsegu. Spajanje i aktivacija default-nog nosioca - Jednom kada mobilni ureaj ima sve potrebne informacije da pristupi mrei po prvi puta nakon to je ukljuen, on izvodi proceduru spajanja. Sa stanovita vieg sloja, procedura spajanja isporuuje IP adresu i onda mobilni ureaj moe da alje i prima podatke sa mree. U GSM i UMTS mreama, ureaj se moe konektovati na mreu bez IP adrese. Za LTE mreu, ipak, ovo je promijenjeno i mobilni ureaj stoga ima IP adresu kad god je konektovan na mreu. Poetno uspostavljanje veze Slika 4 daje pregled prvog dijela uspostavljenja postupka po 3GPP TS 23,401 [21]. Prvi korak je pronai prikladanu eliju i otkriti sve potrebne parametre za pristup mrei kao to je opisano u prethodnom odjeljku. Priloeni postupak zapoinje sa zahtjevom resursa na kanalu koji uplink dijeli preko zahtjeva na RACH. Nakon ovog postupka procedura je sprovedena i mobilni ureaj je poznat na eNode-B(vor bazne stanice) i dodijeljen mu je Cell Radio Network Temporary Identity (C-RNTI) odnosno privremeni identitet na elijskoj radio mrei. Ovaj ID MAC sloja se koristi, na primjer, za rasporeivanje dozvola koje se alju u downlink kanal za kontrolu usmjeravanja (PDCCH) poruke. Dalje, mobilni ureaj mora uspostaviti RRC kanal tako da se mogu razmjenjivati poruke signalizacije sa eNode-B i jezgrene mree. To se postie slanjem zahtjeva RRC veze porukom na mreu. Poruka sadri razlog za zahtjev uspostavljanje veze, na primjer, signal mobilnog telefona, privremeni mobilni mreni signal (NAS), identitet SAE (Service Architecture Evolution), privremeni mobilni identitet pretplatnika (S-TMSI). Kao to ime govori, ovaj parametar navodi mobilni ureaj u jezgri mree, posebno u MME kao to je opisano na poetku ovog poglavlja. Ako je pristup odobren, to je obino sluaj, osim za vrijeme situacija preoptereenja, mrea odgovara sa porukom za postavljanje RRC, koja sadri parametre za dodjelu radio-signala nositelja (SRB-1) koji se od tog trenutka pa nadalje koristiti za prijenos RRC poruka voru bazne stanice odnosno eNode-B. Osim toga, SRB-1 se koristi za prijenos signalizacije NAS prema i od MME. Ove poruke su upakirane u RRC poruke.

7

Slika 4. Spajanje i aktivacija zadanog nosica protoka poruke-prvi dio. Nadalje, poruka sadri MAC i fiziki sloj parametra, kao to su DRX interval tj. zahtjev za smanjenje snage u mobilnom ureaju, uplink konfiguracije djeljenog kanala, uplink kontrola snage, koritenje SRS-a u uplinku i kako bi se zahtjevi za rasporeivanje trebali slati u uplink smjeru. U sljedeem koraku, mobilni ureaj vraa pruku o RRC completnoj instalaciji na eNode-B. U RRC djelu poruke, mobilni ureaj obavjetava baznu stanicu koji MME je bio zadnji konektovan. U LTE mrei , eNode-B moe komunicirati s vie od jednog MME za optereenje balansiranja i razloga pouzdanosti. Ako nema podataka o prethodnim MME onda eNode-B odabire jedan od vlastitih. Poruka o kompletiranju konekcije RRC sadri ugraenu NAS poruku, aktuelnu poruku o zahtjevu za prikljuenje, koju Node-B transparentno proslijedi na MME. To pomae MME locirati MME na koju je ureaj prethodno bio povezan, za preuzimanje korisnikog profila pretplate i da se obavijesti stari MME da je ureaj promijenio svoj poloaj. U sluaju da GUTI nije prisutan ili MME ne moe nai prethodni MME, postupak autentinosti zapoinje i ukljuuje NG i HSS, koji sadri orginalnu kopiju korisniog profila i informacije o provjeri autentinosti. Nakon to pretplatnik ovjerava provjeru integriteta, status za sve kontrolne poruke izmeu NG i MME je aktiviran. Osim toga, eNode-B dobije potrebne kljueve za ifriranje korisnikih podataka kasnije i za enkripciju i provjeru integriteta RRC poruka. Nakon to je pretplatnik ovjeren, MME potvruje uspjenu autentifikaciju za HSS slanjem poruka zahtjeva za auriranje mjesta za HSS, koji odgovara potvivanjem aurirane lokacije. Kao to je dalje prikazano na slici 4, eNode-B pita mobilni ureaj da poalje popis svih svojih podranih funkcionalnosti kod zranog interfejsa. Mobilni ureaj odgovara na poruku s informacijama o sposobnosti porukom koja sadri podatke kao to su: podrane radio tehnologije (GSM, UMTS, CDMA, itd.), frekvencijski opseg potpore svake tehnologije, RoHC zaglavlje kompresije podrke (npr. za VoIP) i informacije o dodatnom tipu podrke. Ova informacija pomae eNode-B da kasnije odabere 8

najbolje parametre za zrani interfejs za ureaj i interband i interradio tehnologiju mjerenja koja treba konfigurirati tako da ureaj moe otkriti druge mree za handover (preuzimanje) kad naputa LTE podruje okrivenosti. Ova informacija je takoer proslijeena na MME. Session Creation (stvaranje sesije) - Nakon to je MME dobio potvrdnu poruku o lokaciji od HSS-a, poinje kreiranje sesije za osnivanje procesa u jezgri mree koja rezultira u stvaranju tunela preko kojih se korisniki IP paketi se mogu slati. To se postie slanjem zahtjeva kao poruka za stvaranje sesije na posluivanje-GW po vlastitom izboru. Za balansiranje optereenja, kapacitet i pouzdanost, MME moe komunicirati s vie od jednog posluenja-GW. Posluivanje-GW pak prosljeuje zahtjev za PDN-gateway koji se nalazi izmeu LTE jezgrene mree i Interneta. PDN-GW zatim odabire IP adresu iz skupa adresa i odgovara na posluivanje-GW s odgovorom kao usluna poruka sesije. Posluivanje-GW zatim vraa poruku MME i tunel za IP pakete od korisnika izmeu posluivanja-GW i GW PDN-je spreman za koritenje. Ovaj tunel je potreban kao korisniki poloaj, a time i njegova posluivanja-GW moe se promijeniti za vrijeme trajanja veze. Dok traje promet podataka kroz tunel od strane IP korisnika, usmjeravanje paketa podataka u LTE mrei moe biti promjenjeno u bilo kojem trenutku bez dodjeljivanja nove IP adrese korisniku. Establishing a Context in the Radio Network (Uspostavljanje konteksta u radio mrei) - Nakon to je kontekst za korisnika osnovan u jezgrenoj mrei, MME reagira na poetni zahtjev za spajanjem sa porukom o inicijalnim postavkama, koja ukljuuje prihvatnu poruku kao to je prikazano na slici 5. Na S1 interfejs izmeu MME i eNode-B, porukom poinje postupak za osnivanje tunela za prenos korisnikih podataka izmeu eNode-B i posluivanje-GW. Zavrni link koji sada mora biti postavljen je nositelj za prenos IP paketa korisnika na zrani interfejs. Ovo je to uinio eNode-B slanjem pruke za povezivanje RRC na mobilni ureaj. Ranije tijekom procesa dodavanja, signalizacijom radio nositelja (SRB-1) utvrena je poruka za signalizaciju. Sa ovim konekcijskim rekonfiguracijama, drugi signalini radio nositelj je postavljen za nii prioritet signalizacijskih poruka i, osim toga, radio signal (DRB) preko kojeg korisnik IP prenosi pakete, je takoer uspostavljen. U ovom trenutku, veza je uspostavljena i potpuna i mobilni ureaj sada mogu slati i primati IP pakete i na internetu putem eNode-B (bazne stanice). MME je samo odgovoran za cjelokupno upravljanje sesije, on nije dio puta korisnikih podataka. Unato ukupnoj sloenosti postupka obino se izvrava samo u djeliu sekunde i time se izvodi bre od slinih postupaka u GSM i UMTS mreama. -

9

Slika 5. Spajanje i aktivacija zadanog nosica protoka poruke-drugi dio

Handover Scenarios (Primopredajni Scenariji) - Na temelju mjerenja i prijavljenje konfiguracije koju je mobilni ureaj primio iz eNode-B (bazne stanice), poinje mjerenje jaine signala susjednih elija. Jednom kad konfigurirani ve prijavljeni kriterij bude ispunjen, on izvjetava trenutne vrijednosti jaine signala aktivnih elija i susjednih elija baznj stanici. Na temelju ovog izvjea, eNode-B moe donijeti odluku ukoliko je potrebna predaja veze na susjedne elije s boljim signalom. Pored osiguravanja da ne doe do prekida veze, obino primopredaja takoer poboljava protok podataka za mobilni ureaj u smjeru ulazne veze kao i smjeru izlazne veze . U isto vrijeme, ona takoer smanjuje koliinu energije potrebne za transmisiju izlazne veze i time smanjuje ukupne smetnje. U LTE mreama, postoje dvije vrste primopredaje. Najuinkovitija primopredaja je gdje izvor eNode-B i cilj/meta eNode-B izravno komuniciraju jedni s drugima preko X2 veznog sklopa. Ova primopredaja se naziva X2 primopredaja. Ako iz nekog razloga dva eNode-BS vora ne mogu komunicirati jednan s drugim, na primjer, jer nisu konfigurirani za izravnu komunikaciju, primopredajna signalizacija e se odrati preko S1 veznog sklopa i MME pomae u tom procesu. Takva primopredaja se naziva S1 primopredaja. X2 Handover (X2 Primopredaja) - Na temelju mjernih izvjetaja iz mobilnog ureaja na recepcionom nivou tekuih elija i susjednih elija, bazna stanica moe donijeti odluku da preda tekuu vezu na drugi eNode-B odnosno drugu baznu stanicu. Kao to je prikazano na slici 6, prvi korak u tom procesu je primopredajna zahtjev poruka iz izvora eNode-B do cilja eNode-B, koja sadri sve relevantne informacije o pretplatniku i sve relevantne informacije o vezi s mobilnih ureaja. Ciljana bazna 10

stanica onda provjerava da li jo uvijek ima resurse potrebne za rukovanje dodatnih pretplatnika. Pogotovo, ako spajanje pretplatnika zahtijeva odreene QoS odnosno kvalitet usluge, ciljana bazna stanica ne bi mogla imati dovoljno odvojenog kapaciteta na zranom interfejsu veze tokom zastojne situacije i na taj nain moe odbiti zahtjev. U dobro dimenzioniranoj mrei, meutim, to bi bilo rijetko, ako uope postoje takvi sluajevi. Takoer, treba napomenuti u ovom trenutku da se u praksi, nikakvi posebi QoS zahtjevi ne koriste izuzev servisiranja govornih poziva putem mree. Ako ciljana bazna stanica daje pristup, onda se ona priprema odabirom novog C-RNTI za mobilni ureaj i rezervie sredstva na uplink vezi, tako da mobilni ureaj moe obavljati proceduru bezknekcijskg sluajnog pristupa kada pokuava pristupiti novim elijama. To je nuno ako mobilni ureaj nije sinkroniziran, to jest, jo uvijek nije unaprijed svjestan vremena potrebnog za komunikaciju s novim elijama. Nakon toga, ciljana bazna stanica potvruje zahtjev izvorinoj baznoj stanici sa primopredajnom potvrdnom porukom. Poruka sadri sve podatke koje mobilni ureaj zahtijeva za pristup novih elija. Poto se primopredaja mora izvriti to je bre mogue, mobilni ureaj ne bi trebao biti potreban za itanje sistemsko informacijskih poruka u ciljanoj eliji. Dakle, potvrdna poruka sadri sve parametre sistema koje mobilni ureaj mora konfigurirati kako bi mogao komunicirati s ciljanom elijom. Kao to je opisano detaljnije u ranijem poglavlju, potrebne informacije ukljuuju PCI, propusi opseg nosioca, RACH parametri, konfiguraciju uplink djeljenog kanala, referentni signal konfiguracije, konfiguracije PHICH, SRS parametara, itd.

Slika 6. Protok poruke putem X2 primopredaje Nakon to zvor eNode-B primi potvrdu, odmah izdaje primopredajnu naredbu do mobilnog ureaja i prestaje da prenosi korisnike podatake u downlink smjeru. Podaci koji dolaze iz mree preko S1 veznog sklopa nakon to je primopredajna naredba izdata proslijeena je preko X2 veznog sklopa prema ciljanoj baznoj stanici. U LTE mreama, nema namjenske primopredjane komande. Umjesto toga, koristi se RRC rekonfiguirana vezna poruka koja sadri sve potrebne parametre za spajanje na novu eliju. Po primanju rekonfiguracijske poruke, mobilni ureaj prestaje slati podatke u uplink 11

smjeru i rekonfigurira se za komunikaciju s novom baznom stanicm. U isto vrijeme, izvor eNode-B zaustavlja prihvaanje uzlaznog prometa podataka i alje SN Status Transfer poruku do ciljne bazne stanice sa loginim brojem posljednjeg validnog uzlaznog bloka podatka. Ovo pomae ciljnoj baznoj stanici da zahtijeva uzlazni ponovni prenos ako otkrije da postoje neki blokovi podataka koji nedostaju i omoguuje koninuitet prenosa podataka. Kao to je mobilni ureaj ve izvodio mjerenja, nema potrebe traiti novu stanicu odnosno eliju. S1 Handover (Primopredaja S1) - Takoer je mogue da izvor eNode-B nije izravno povezan s ciljnim eNode-B, tako da izravno X2 primopredaja nije mogua. U takvim sluajevima, izvor eNode-B zahtjeva pomo MME. Sva signalizacija razmjene i prosljeivanja korisnikih podataka se izvode preko S1 veznog sklopa kao to je prikazano na Slici 7. Stoga, takva primopredaja se naziva S1 primopredaja. S take gledita mobilnog ureaja, ne postoji razlika izmeu X2 i S1 primopredaje. Kada radio uslovi stvore izvjetaj mjerenja, izvorni eNode-B se moe odluiti za pokretanje primopredaje. Na temelju TA ID novih eNode-B, MME moe odluiti, ako je odgovorna sama za novu stanicu ili da li bi drugi MME trebao preuzeti vezu. U scenariju je prikazano na slici 4.20, isti MME je odgovoran za vezu, tako da prosljeivanje poruka nije potrebno u ovoj fazi niti kontaktirati drugi MME. U ovom primjeru, MME odlui da tekue posluivanje-GW ostaje u putu korisnikog podatka nakon primopredaje, tako da daljnja signalizacija nije potrebna. U sljedeem koraku, MME kontaktira ciljanu baznu stanicu sa primopredajnom zahtjevnom porukom. Ako eNode-B ima dovoljno kapaciteta za obradu dodatne veze, vraa primopredajnu potvrdnu zahtjevnu poruku do MME koja, kao i u prethodnim primjerima, sadri sve parametre potrebne za mobilni ureaj da se napravi primopredaja. Prije nego se primopredaja moe izvriti, privremeni tunel za downlink korisnike podatke je uspostavljen kako bi se bilo sigurno da nema izgubljenih paketa prilikom primopredaje. Postoje dvije mogunosti proslijeivanja podataka tokom S1 predaje. ak i ako razmjena nesignalizacijske poruke nije mogue preko X2 sklopne veze izmeu izvorine i ciljane bazne stanice, jo uvijek moe biti mogue da se korisniki podaci proslijede direktno. To se zove direktno prosljeivanje. To nije sluaj u scenariju koji je prikazan na slici 7, a time i MME zahtjeva serviranje-GW kako bi se stvorio privremeni neizravni tunel izmeu izvorine i ciljane bazne stanice.

12

-

Slika 7. Osnovna S1-bazirana primpredaja Nakon to je neizravni tunel stvoren, MME potvruje primopredaju s primopredajnom komandom prema izvorinoj baznoj stanici. Izvorina bazna stanica onda izvrava primopredaju izdavanjem RRC rekonfiguracijske komande mobilnom ureaju, koji ukljuuje parametre ciljane bazne stanice. Nakon to je mobilni ureaj kontaktirao ciljanu baznu stanicu sa konekcijom na nain slobodnog sluajnog pristupa, odnosno, sredstva koja su osigurana za sluajni pristup su posveena mobilnom ureaju i stoga identifikacija mobitela nije potrebna, ciljana bazna stanica (eNode-B) kontaktira MME i potvruje primopredaju sa potvrdom porukom. MME zatim preusmjerava silazni korisniki tunel podataka do ciljane bazne stanice mijenjanjem ID-a tunela bazne stanice. U ovom trenutku, resursi nisu vie potrebni stoga su uklonjeni i korisniki podaci teku direktno od i prema ciljanoj bazno stanici.

13