Разработка устройства приёма и обработки радиосигнала аппарата 4G

Увеличение  скорости в LTE достигается путем увеличения спектра сигнала. Схема, поясняющая формирование скорости в LTE представлена на рисунке 1.1.

 

 

Рисунок 1.1 – Формирование скорости в LTE

 

На  рисунке 1.1 изображено, как формируется базовый выделяемый пользователю ресурс в радио интерфейсе — ресурс-блок (RB - resource block). Один RB состоит из 14 OFDM-символов (абоненту выделяется для приёма два временных слота по 7 OFDM-символов длительностью по 0,5 мс) во временном домене (Time Domain), общей длительностью 1 мс (1 TTI — Time Transmission Interval в LTE, в отличие, например от WCDMA, где 1TTI=10мс или теперь ещё и 2 мс) и 12 поднесущих (sub-carriers) в частотном домене (Frequency Domain), по 15 кГц шириной.

Один OFDM символ может передавать в зависимости  от типа модуляции 2, 4 или 6 бит информации (QPSK, 16QAM или 64QAM соответственно). Модуляция  будет выбрана из поддерживаемых мобильным терминалом (UE) в зависимости от качества радиоусловий.

Допустим, используем 64QAM, 6 бит/символ, итого, за время длительности одного sub-frame на одной поднесущей может быть передано 6 [бит] x 14 [символов]=84 бит/мс. Далее, 12 х 84 [кбит/с]=1008 кбит/с, ну или один мегабит грубо, на один RB. Спектр шириной 20 МГц содержит 100 RB (их там на самом деле 110 — 20 МГц/180 кГц, но доступны 100, 10 используются для изоляции между диапазонами), таким образом, если пользователь один, он может получить не более 1008 кбит/с х 100=100.8 Мбит/с. Или, например, в спектр шириной 1.4 МГц укладывается 6 блоков, то есть 6.048 Мбит/с в аналогичной ситуации.

  Это всё на одну антенну, без использования режимов MIMO, которые за счёт применения пространственного мультиплексирования потоков данных (Spatial Multiplexing) позволяют передавать не один, как в SISO (Single Input — Single Output), а 2 и более потоков данных, например, MIMO 2x2 (2 передающие антенны на БС, 2 приёмные на терминале) позволяет эти вышеописанные 100 мегабит увеличить до 170.

Пример  применения в схемотехнике технологии MIMO и  других конструктивных решений, используемых для приёма сигналов стандарта LTE, представлен на рисунке 1.2.

 

 

Рисунок 1.2 – Структурная схема широкополосного приемника LTE

 

Для  того, чтобы радио сигнал был принят и был воспринят человеческим ухом в первозданном виде, он должен пройти последовательную цепочку каскадов приемника.

Основными элементами данного приемника являются:

1. Антенны;
2. Малошумящие усилители(LNA);
3. Фильтр на поверхностных акустических волнах (SAW - ПАВ фильтр);
4. Смеситель;
5. Усилитель низких частот(УНЧ – IF AMP);
6. Полосовые фильтр(ПФ - BPF);
7. Аналого-цифровой конвертер (АЦП - ADC);
8. Синтезатор частот(SYNTH).

К каждому элементу приемного тракта предъявляются жесткие требования по диапазону частот, коэффициенту усиления или затухания сигнала, по коэффициенту шума активных элементов. Все эти требования отображены в  спецификациях стандарта и направлены на то, чтобы принятый мобильным  аппаратом сигнал был отлично  воспринят на слух, голос был разборчив, без каких-либо шумов и помех.

В таблице 1.1 приводятся частотные диапазоны для LTE при использовании FDD (Frequency Division Duplex) дуплекса, т.е. когда нисходящий и восходящий каналы передаются одновременно в разных частотных диапазонах.

 

Таблица 1.1 – Частотные диапазоны LTE при использовании FDD

№	Частотный диапазон в восходящем канале(UL),МГц	Частотный диапазон в нисходящем канале(DL),МГц	Ширина канала, МГц
1	1920-1980	2110-2170	2*60
2	1850-1910	1930-1990	2*60
3	1710-1785	1805-1880	2*75
4	1710-1755	2110-2155	2*45
5	824-849	869-894	2*25
6	830-840	875-885	2*10
7	2500-2570	2620-2690	2*70
8	880-915	925-960	2*35
9	1749.9-1784.9	1844.9-1879.9	2*35
10	1710-1770	2110-2170	2*60
11	1427.9-1452.9	1475.9-1500.9	2*25
12	698-716	728-746	2*18
13	777-787	746-756	2*10
14	788-798	758-768	2*10
17	704-716	734-746	2*12

 

Следует отметить, что частотные  диапазоны с 1-го по 14-ый совпадают  с частотными диапазонами, которые  используются сетями UMTS (Universal Mobile Telephone System). А также то, что в частотных диапазонах 13 и 14 восходящий канал передается на более высоких частотах, чем нисходящий.

 Частотные диапазоны  с номерами 15 и 16 определены для  использования другими технологиями.

На данный момент в России в качестве стандарта принят седьмой  частотный диапазон LTE.

 В таблице 1.2 приводятся частотные диапазоны для LTE при использовании TDD (Time Division Duplex) дуплекса, т.е. когда нисходящий и восходящий каналы передаются последовательно в одном и том же частотном диапазоне.

 

Таблица 1.2 - Частотные диапазоны LTE при использовании TDD

№	Частотный диапазон, МГц	Ширина канала, МГц
33	1900-1920	20
34	2010-2025	15
35	1850-1910	60
36	1930-1990	60
37	1910-1930	20
38	2570-2620	50
39	1880-1920	40
40	2300-2400	100

 

Технология LTE поддерживает каналы различной ширины. В таблице 1.3 приводятся возможные варианты каналов, а также доступное количество ресурсных блоков в каждом из них.

 

Таблица 1.3 – Каналы LTE в зависимости от ширины и доступные ресурсные блоки

	Ширина канала, МГц
	1.4	3	5	10	15	20
Количество ресурсных блоков	6	15	25	50	75	100
Количество поднесущих	72	180	300	600	900	1200

 

В сети LTE существуют каналы трех уровней: логические, транспортные и физические:

1. Логические каналы.

Логические каналы по типу передаваемой информации делятся на логические каналы управления и логические каналы трафика. Логические каналы управления используются для передачи различных  сигнальных и информационных сообщений. По логическим каналам трафика передают пользовательские данные. На рисунке 1.3 приводится структура существующих логических каналов.

 

 

Рисунок 1.3 – Структура логических каналов LTE

 

 

2. Транспортные каналы

Информацию логических каналов  после обработки на RLC/MAC уровнях размещают в транспортных каналах для дальнейшей передачи по радиоинтерфейсу в физических каналах. Транспортный канал определяет как и с какими характеристиками происходит передача информации по радиоинтерфейсу. Информационные сообщения на транспортном уровне разбивают на транспортные блоки. В каждом временном интервале передачи (Transmission Time Interval, TTI) по радиоинтерфейсу передают хотя бы один транспортный блок. При использовании технологии MIMO возможна передача до четырех блоков в одном TTI. На рисунке 1.4 приводится структура транспортных каналов.

 

 

Рисунок 1.4 – Структура транспортных каналов LTE

 

Физические  каналы.

В LTE определены 9 физических каналов:

1. Physical Downlink Shared Channel (PDSCH)
2. Physical Downlink Control Channel (PDCCH)
3. Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH
4. Physical Broadcast Channel (PBCH)
5. Physical Multicast Channel (PMCH)
6. Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH
7. Physical Random Access Channel (PRACH
8. Physical Uplink Shared Channel (PUSCH)
9. Physical Uplink Control Channel (PUCCH)

На рисунке 1.5 приводится взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в нисходящем направлении (от eNodeB(базовой станции) к UE(мобильному абоненту)).[13]

 

Рисунок  1.5 - Взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в нисходящем направлении

 

На рисунке 1.6 приводится взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в восходящем направлении (от UE к eNodeB).

Рисунок  1.6 - Взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в восходящем направлении

 

Все каналы объединяются и  формируют один высокоскоростной поток  данных. Этот поток данных для возможности  дальнейшей передачи и приёма модулируется. В LTE используется SC-FDMA модуляция для Uplink передачи данных (от пользователя к базовой станции) и OFDM-модуляция для Downlink передачи (от базовой станции к пользователю).

OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) является цифровой схемой модуляции, которая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. На практике сигналы OFDM получаются путем использования Быстрого Преобразования Фурье (БПФ).

Основным преимуществом OFDM по сравнению со схемой с одной  несущей является её способность  противостоять сложным условиям в канале. Например, бороться с затуханием в области ВЧ в длинных медных проводниках, узкополосными помехами и частотно-избирательным затуханием, вызванным многолучевым характером распространения, без использования  сложных фильтров-эквалайзеров. Канальная эквализация упрощается вследствие того, что OFDM сигнал может рассматриваться как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, нежели как один быстро модулируемый широкополосный сигнал. Низкая символьная скорость делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет справляться с временным рассеянием и устранять межсимвольные искажения (МСИ). Спектр такого OFDM сигнала изображен на рисунке 7.

 

Рисунок 1.7 - OFDM спектр с пилот-сигналом и защитным интервалом в частотной области

 

МСИ возникает в следствии многолучевого (multipath) распространения сигнала в эфире. Сигнал переданный из точки А в точку Б попадает в виде суперпозиции множества отраженных, рассеянных, преломленных лучей, которые в процессе распространения проходят различные пути. Если время распространения отраженного луча больше времени распространения прямого луча, то сигнал одного ОФДМ символа может наложиться на следующий за ним символ(ы), это есть и эффект МСИ, показанный на рисунке 1.8.

 

Рисунок 1.8 - Многолучевое распространение сигнала.

 

Для борьбы с межсимвольной  интерференцией в ОФДМ-сигнал вставляют защитный интервал ЗИ (англ: GI - Guard Interval) во временной области рисуок 1.9.

 

 

Рисунок 1.9 - Задержка сигнала в ОФДМ системе с защитным интервалом  без него