Jarmo Halmetoja & Kyösti Honkaperä NOPEAMPI TIEDONSIIRTOTIE TUKIASEMALTA PÄÄTELAITTEELLE LTE downlink 3G - verkossa Opinnäytetyö KESKI-POHJANMAAN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikan koulutusohjelma Elokuu 2008
TIIVISTELMÄ OPINNÄYTETYÖSTÄ Yksikkö Ylivieska yksikkö, Tekniikka Aika 28.08.2008 Tekijät Jarmo Halmetoja ja Kyösti Honkaperä Koulutusohjelma Tietotekniikan koulutusohjelma Työn nimi Nopeampi tiedonsiirtotie tukiasemalta päätelaitteelle LTE downlink 3G - verkossa Työn ohjaaja Sivumäärä Hannu Puomio 61 Työelämäohjaaja Ville Kukonlehto Opinnäytetyömme käsittelee Long Term Evolution kehitysversion downlink suunnan tiedonsiirtoa. Työssä keskitytään tarkemmin Orthogonal Frequency-Division Multiplexing modulointiin ja fyysiseen kerrokseen ja siinä sivutaan myös muita protokollakerroksia. Lisäksi kerrotaan lyhyesti järjestelmärakenteen kehittämisestä ja useiden antennien käytöstä. Tavoitteena oli luoda materiaalia Long Term Evolution kehitysversion downlink suunnan toiminnasta, jotta aiheeseen perehtyvät lukijat saisivat paremman yleiskuvan aiheesta. Asiasanat LTE, OFDM, SAE, MIMO
ABSTRACT CENTRAL OSTROBOTHNIA UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES, YLIVIESKA Date 28.08.2008 Author Jarmo Halmetoja and Kyösti Honkaperä Degree programme Information Technology Name of thesis Faster data transmission channel from a base station to the mobile terminal In LTE downlink 3G network Instructor Ville Kukonlehto Pages 61 Supervisor Hannu Puomio This thesis work examines Long Term Evolution downlink data flow. The main focus of the thesis is on Orthogonal Frequency-Division Multiplexing modulation and physical layer, and also other protocol layers are examined to some extent. In addition, the main details of System Architecture Evolution and Multiple-Input Multiple-Output techniques are described briefly. The purpose was to create material on Long Term Evolution downlink data flow, so that people who wish to know about this subject would get a better overview of it. Key words LTE, OFDM, SAE, MIMO
TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS LYHENTEET 1 JOHDANTO... 1 2 MIKSI TARVITAAN UUSIA TEKNIIKOITA?... 3 2.1 Kilpailevien tekniikoiden vertailu... 4 2.2 Nopeutta lisää... 4 2.3 Nopeudet kohinarajoitetussa ympäristössä... 6 2.4 Nopeudet häiriörajoitetussa ympäristössä... 7 2.5 Tehokkaampien modulaatioiden käyttäminen... 8 2.6 Modulaatiot ja kanavakoodaus... 8 2.7 Vaihtelut hetkellisessä lähetystehossa... 10 3 UUDEN SUKUPOLVEN PARANNELTU TEKNIIKKA... 12 3.1 Long Term Evolution... 12 3.1.1 LTE radiorajapinnan rakenne... 13 3.1.2 RLC radioyhteysprotokolla... 15 3.1.3 Medium Access Control... 16 3.1.4 Fyysisen kerroksen aikajakoinen rakenne... 17 3.1.5 Datan kulku eri kerrosten läpi... 19 3.1.6 Fyysinen kerros... 20 3.1.6.1 Downlink lähetyksen fyysiset ominaisuudet... 20 3.1.6.2 Downlink - referenssisignaalit... 23 3.1.6.3 Referenssisignaalien sekvenssit ja fyysisen kerroksen soluntunniste... 24 3.1.6.4 Referenssisignaalien taajuushyppely... 25 3.1.7 Downlink - kuljetuskanavan prosessointi... 26 3.2 Fyysisen kerroksen hybriditoiston toiminnallisuus... 28 3.3 Bittitason sekoittaminen... 29 3.4 Datan modulointi... 30 3.5 Resurssilohkojen kuvaus... 30 3.6 Downlink L1/L2 ohjaussignalointi... 31 3.7 Järjestelmärakenteen kehittäminen... 34 3.8 Moniantennitekniikka... 35 4 OFDM MODULOINTI... 37 4.1 OFDM perustietoa... 37 4.2 OFDM toiminta... 37 4.3 OFDM:n perusteet... 38 4.4 OFDM demodulointi... 43 4.5 OFDM:n toteutus käyttäen IFFT/FFT -käsittelyä... 44 4.6 Suoja-ajan lisääminen... 46 4.7 OFDM - lähetyksen taajuusalueen rakenne... 49 4.8 Kanavan arviointi ja referenssisymbolit... 51 4.9 OFDM:n taajuusmonimuotoisuus: kanavakoodauksen tärkeys... 52 4.10 OFDM:n perusparametrien valinta... 54 4.10.1 OFDM:n apukantoaaltojen välit... 54 4.10.2 Apukantoaaltojen määrä... 56 4.10.3 Suoja-ajan pituus... 57 5 POHDINTA... 59 LÄHTEET... 61
LYHENTEET 3GPP ADSL ARQ A/D BCH CP CRC DC DFT DL DL-SCH DMT D/A enodeb E-UTRAN FDD FDMA FFT GSM HARQ HSDPA HSPA IC IDFT IFFT IP ISDN LTE Third Generation Partnership Project Asymmetric Digital Subscriber Line Automatic Repeat-reQuest Analog-to-Digital Broadcast Channel Cyclic Prefix Cyclic Redundancy Check Downlink Carrier Discrete Fourier Transform Downlink Downlink Shared Channel Discrete Multitone Digital-to-Analog E-UTRAN NodeB Evolved UTRAN Frequency Division Duplex Frequency-Division Multiple Access Fast Fourier Transform Global System for Mobile communications Hybrid ARQ High-Speed Downlink Packet Access High-Speed Packet Access Integrated Circuit Inverse DFT Inverse FFT Interner Protocol Integrated Services Digital Network Long Term Evolution
MAC MIMO MMSE NodeB OFDM PDCCH PDCP PDU PHY QAM QPP QPSK RAN RF RLC ROHC SAE SC-FDMA SDU SFN TCP TDD TF TTI UL UL-SCH USB UTRAN UWB Media/Medium Access Control Multiple-Input Multiple-Output Minimun Mean Square Error NodeB, a logical node handling transmission/reception in multiple cells. Commonly, but not necessarily, corresponding to a base station. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Physical Downlink Control Channel Packet-Data Convergence Protocol Protocol Data Unit Physical layer Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Permutation Polynominal Quadrature Phase-Shift Keying Radio-Access Network Radio Frequency Radio Link Protocol Robust Header Compression System Architecture Evolution Single-Carrier FDMA Service Data Unit Single-Frequency Network or System Frame Number Transmission Control Protocol Time Division Duplex Transport Format Transmission Time Interval Uplink Uplink Shared Channel Universal Serial Bus Universal Terrestrial Radio Access Network Ultra Wideband
VoIP WCDMA WiMAX WLAN XOR Voice-over-IP Wideband Code Division Multiple Access Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network Exlusive OR
1 1 JOHDANTO Tässä opinnäytetyössä on keskitytty tutkimaan LTE:n downlink - suunnan toimintaa. Hierarkkisessa tiedonsiirrossa downstream tarkoittaa tiedonsiirtoa tukiasemalta päätelaitteelle. Tarkemmin opinnäytetyössä tutkittiin OFDM modulointia ja fyysisen kerroksen rakennetta. Aluksi on kerrottu yleisiä syitä, miksi uusia matkapuhelintekniikoita kehitetään jatkuvasti. Lisäksi on vertailtu kilpailevia kolmannen ja neljännen sukupolven matkapuhelintekniikoita ja niiden ominaisuuksia keskenään. On myös kerrottu, kuinka nopeutta saadaan kasvatettua kolmannen sukupolven matkapuhelintekniikoissa. Keinoja nopeuden nostamiseen ovat esimerkiksi tehokkaammat modulaatiot, kanavakoodaus ja MIMO tekniikan hyödyntäminen. Tutkimme myös tehokkaampien modulaatiomenetelmien aiheuttamia hetkellisiä lähetystehon muutoksia. Lisäksi on pohdittu kohinan ja häiriöiden vaikutusta datansiirtonopeuteen. Seuraavaksi on tutustuttu tarkemmin LTE:n historiaan, toimintaan ja rakenteeseen. LTE:stä on tutkittu radiorajapinnan rakennetta protokolla kerroksilla. Kaikkiin radiorajapinnan protokolla kerroksiin on tutustuttu ja niistä on kerrottu omissa kappaleissaan, tarkemmin on kerrottu fyysisestä kerroksesta. Fyysistä kerrosta tutkittiin tarkemmin, koska se eroaa eniten muista kolmannen sukupolven matkapuhelintekniikoiden fyysisistä kerroksista. Tutkimme tässä osiossa myös tarkemmin SAE:a ja MIMO:a. Toinen tutkinnan pääaihealueista oli tutkia OFDM modulointia. OFDM modulaatiosta kerrotaan tarkemmin toimintaperiaate ja keskeisimmät tehtävät signaalin moduloinnissa. Lisäksi pohditaan keinoja, joiden avulla tiedonsiirtonopeutta ja kaistankäytön joustavuutta voidaan parantaa sekä häiriöiden vaikutusta vähentää. On kerrottu syy, miksi OFDM tekniikka on käytössä downlink suunnan tiedonsiirrossa. OFDM tekniikkaa ei ole ennen LTE:tä käytetty kolmannen sukupolven matkapuhelintekniikoissa, kuten HSPA ja WCDMA. Tästä syystä OFDM moduloinnin tutkiminen katsottiin tarpeelliseksi tutkittaessa LTE:n downlink suunnan toimintaa.
2 Työ on tehty Sesca Embedded Solutions Oy:lle, joka oli kiinnostunut LTE:n tutkimisesta, mikä liittyy vahvasti yrityksen osaamisalueisiin. Sesca Embedded Solutionsin puolelta työelämänohjaajana on toiminut insinööri Ville Kukonlehto ja Keski-Pohjanmaan Ammattikorkeakoulun puolesta valvojana on toiminut FM Hannu Puomio.
3 2 MIKSI TARVITAAN UUSIA TEKNIIKOITA? Syyt miksi tarvitaan uusia tekniikoita ovat seuraavat: kilpailukyvyn, kustannustehokkuuden ja vanhojen palveluiden parantaminen sekä uusien palveluiden kehittäminen ja IC piirien kehityksen mahdollistama uusien ominaisuuksien toteuttaminen. Kilpailu langattoman tiedonsiirron saralla on kovaa. Alalle tulee kokoajan uusia tekijöitä, jotka haluavat osansa markkinoista. Toisaalta alalla jo ennestään olevat eivät halua menettää asemaansa ja siksi haluavat kokoajan kehittää jo olemassa olevia palveluitaan ja tarjota myös kokonaan uusia palveluita. Kun tähän lisätään vielä ihmisen tarve olla vuorovaikutuksessa ja tarve kilpailla toisten ihmisten kanssa, on oravanpyörä valmis. Tosiasia on, että ainahan halutaan kehittää sekä käyttää entistä tehokkaampia ja parempia tekniikoita. Tämä johtaa siihen, että kaistaa tarvitaan enemmän ja alhaisempia viiveitä vaaditaan, jotta palvelut toimivat. Tätä ei saada toteutettua nykyisillä tekniikoilla. Tällä hetkellä on meneillään muutos jossa Internet Protocol (IP) - pohjaiset verkot, kuten Internet ovat muuttumassa langattomiksi. Samalla vanhoja tekniikoita, kuten Global System for Mobile communications (GSM) muutetaan IP pohjaisiksi. Voice over IP (VoIP) on tekniikka jossa äänipuhelut siirretään reaaliajassa IP - verkkoa pitkin. (Dahlman, Parkvall, Sköld & Beming 3G Evolution: HSPA and LTE for mobile broadband 2007.) Tulevaisuutta on vaikea ennustaa esim. 10 vuoden päähän, mutta silti pitää pystyä tekemään suunnitelmia. Kuitenkin tiedetään peruspalvelut, jotka ovat aina suosittuja. Uusista palveluista huolimatta äänipuhelut tulevat säilymään ja olemaan edelleen tärkeä osa operaattoreiden palveluita. Lisäksi palvelut jotka eivät tarvitse pieniä viiveitä ja suuria nopeuksia tulevat säilymään. Suuri tiedonsiirtonopeus ei aina ole kaikkein tärkeintä, vaan sen lisäksi myös palvelun aloittamisaika on tärkeä. Aloitusajalla tarkoitetaan puhelun soitossa yhteydenmuodostamista ja esimerkiksi Internet -sivun avaamista, joka ei saa kestää liian kauan, tai palvelu ei ole toimiva. 3G kehitysversioiden, High-Speed Packet Access ja Long Term Evolution (HSPA, LTE), tulee tarjota lyhyttä soiton aloitusaikaa, alhaista viivettä ja laajoja nopeusluokkia. Muita perussuosittuja palveluita ovat: reaaliaikaiset pelit, äänipuhelut, interaktiiviset tiedoston lataukset, erilaiset lataus- ja lähetyssovellukset ja televisio. (Dahlman ym. 2007.)
4 2.1 Kilpailevien tekniikoiden vertailu Langaton tiedonsiirto on nopeasti kehittyvä osa-alue sulautetuista järjestelmistä. Kuten aiemmin mainittiin, kilpailu on kovaa ja kilpailevia tekniikoita on useita. LTE on yksi tekniikka, joka on tulossa markkinoille muutaman vuoden kuluttua. On arvioitu että vuoteen 2012 mennessä LTE:llä on 24 miljoonaa käyttäjää. (Ojanperä 2008). LTE on kolmannen sukupolven tekniikka, joka kuuluu Third Generation Partnership Project (3GPP) version 8 sisältöön. (Wikipedia1 2008). LTE:n kanssa kilpailevia tekniikoita ovat mm. High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA) ja Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX). HSPA on myös kolmannen sukupolven tekniikka ja sen kehitys on LTE:n kehitystä edellä. HSDPA tuotteita on jo markkinoilla esim. Universal Serial Bus (USB) - modeemien muodossa. LTE on kuitenkin siirtonopeuksiltaan huomattavasti nopeampi kuin HSDPA. Siirtonopeuksissa LTE:n kilpailija WiMAX on jonkin verran nopeampi, kehitys on myös muutaman vuoden LTE:tä edellä. LTE:llä on kuitenkin yksi merkittävä etu WiMAX:iin nähden. LTE on taaksepäin yhteensopiva edeltävien kolmannen sukupolven tekniikoiden ja jopa toisen sukupolven tekniikoiden kanssa. Tämä antaa LTE:lle todella vahvan edun verrattuna WiMAX:iin. LTE:hen vaihtaminen ei vaadi tukiasemien muuttamista, vaan muutokset ovat suurelta osin ohjelmistomuutoksia. Jos taasen esim. jossain maassa otetaan käyttöön WiMAX, niin tulee kaikki tukiasematkin uudistaa. Onkin arvioitu, että LTE tulee voittamaan kamppailun seuraavasta langattoman tiedonsiirron herruudesta, koska se tulee saamaan enemmän volyymia WiMAX:iin verrattuna ja siihen siirtyminen tulee olemaan helpompaa ja edullisempaa kuin WiMAX:iin. 2.2 Nopeutta lisää Kuten edellisessä kappaleessa on kerrottu, yksi tärkeimmistä asioista, jota uuden tekniikan tulee tarjota, on huomattavasti enemmän nopeutta. Nopeuden tulee olla koko solun alueelle eikä ainoastaan solun keskellä. Alla on kaava maksiminopeuden laskemiseksi eli kuinka paljon dataa voidaan siirtää. (Dahlman ym. 2007, 31.)
5 S C = BW * log 2 (1 + ) (1) N,missä BW= kaistanleveys, S= signaalin teho ja N= valkoisen kohinan teho verrattuna signaalin tehoon. Kaavasta 1 voidaan päätellä kaksi asiaa jotka rajoittavat nopeutta. Käytettävissä oleva kaistanleveys ja vastaanotetun signaalin teho tai oikeammin signal/noise (S/N) - suhde eli signaalikohina suhde. (Dahlman ym. 2007, 32.) S = E * b R (2),missä E b = vastaan otettu energia per informaatio bitti ja R = informaationopeus, eli kohinan teho voidaan ilmoittaa N = N * BW (3) 0,missä N 0 = jatkuva kohina teho joka ilmoitetaan W/Hz Kanavan nopeus ei voi koskaan ylittää kanavan kapasiteettia tästä voidaan johtaa epäyhtälö: S E = + b R R C BW log = + 2 1 BW log 2 1 (4) N N 0 BW tai määrittelemällä radiolinkin kaistanleveyden käyttöä R γ =, BW (5) E γ log 2 1+ γ b. N 0 (6) Kaavoista voidaan päätellä että jos nostetaan datanopeutta se vastaa samaa kasvua minimi vaadittuun signaalin tehoon (kaava2) vastaanottajalla.
6 Jos taasen vastaavasti kasvatetaan datanopeutta ilman että kasvatetaan kaistaa johtaa se paljon suurempaan kasvuun vaaditussa minimi signaalin tehossa. (Dahlman ym. 2007, 32.) KUVIO 1. Minimi vaadittu E b / N 0 vastaanottajalla kaistankäytön funktiona (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 33.) 2.3 Nopeudet kohinarajoitetussa ympäristössä Nopeutta rajoittaa vastaanotetun signaalin teho eli signaalikohina suhdetta S/N ja tästä johtuen nopeuden kasvu vaatii suhteessa saman kasvun signaalin tehossa. (Dahlman ym. 2007, 33.) Jos oletetaan, että käytetään vakio lähetystehoa, voidaan vastaanotetun signaalin tehoa kasvattaa vähentämällä etäisyyttä lähettimen ja vastaanottimen välillä, eli vaimennus vähenee. Tämä johtaa pienempiin soluihin, joka taas johtaa siihen, että tarvitaan enemmän soluja saman alueen peittämiseen. Vaihtoehtona on hyväksyä, että suurimmat nopeudet saavutetaan vain solun keskellä. (Dahlman ym. 2007, 33.) Toinen tapa kasvattaa vastaanotetun signaalin tehoa on käyttää lisäantenneja vastaanottopuolella, tätä kutsutaan myös vastaanottoantennin diversiteetiksi. Useita
7 antenneja voidaan käyttää tukiaseman uplink (lähetyssuunta päätelaitteelta tukiasemaan) tai päätelaitteen downlink (lähetyssuunta tukiasemasta päätelaitteelle) päässä vastaanottamassa signaalia. Kunnollisella sovituksella S/N - suhde kasvaa ja se mahdollistaa nopeuden kasvattamisen ilman etäisyyden vähentämistä. (Dahlman ym. 2007, 33.) Useita antenneja voidaan laittaa myös lähetyspuolelle, yleensä antennien lisäystä käytetään tukiasemassa. Useista antenneista hyötyen, lähetetty signaali voidaan kohdistaa vastaanottajan suuntaan, jolloin signaali saavuttaa paremman nopeuden. (Dahlman ym. 2007, 34.) Nopeuden kasvattaminen useiden antennien avulla on tehokasta vain tiettyyn pisteeseen saakka, kunhan datanopeutta rajoittaa teho eikä kaistanleveys. Tämän jälkeen saadaan vain marginaalista kasvua nopeuteen. Nopeuden kasvun kyllästyminen voidaan välttää, jos otetaan käyttöön useita antenneja lähetys- ja vastaanottopuolella, tätä kutsutaan nimellä spatiaalinen multipleksaus tai Multiple - Input Multiple - Output (MIMO). (Dahlman ym. 2007, 34.) 2.4 Nopeudet häiriörajoitetussa ympäristössä Oikeissa järjestelemissä kohina ei ole ainoa tekijä, joka rajoittaa nopeutta. Häiriötä tulee myös naapurisolujen lähetyksestä. Tätä kutsutaan solun sisäiseksi häiriöksi. Tämä on yleensä suurin häiriöiden lähde. On myös mahdollista, että saman solun lähetykset häiritsevät toisiaan. Erona kohinaan, lähetyksistä johtuvia häiriöitä voidaan ainakin jossain määrin ennustaa ja tästä syystä ne voidaan suodattaa osittain tai kokonaan. (Dahlman ym. 2007, 35.) Monet ongelmat samankaltaisia kuin kohinassa, nopeutta rajoittaa signaalikohina suhde. Ongelma voidaan ratkaista samalla tavalla kuin kohinankin suhteen Näitä tekijöitä ovat esimerkiksi pienemmät solut ja vähemmän käyttäjiä, tämä sallii suuremmat nopeudet. Lisäksi on mahdollista käyttää useita antenneja sekä lähetyksessä, että vastaanotossa oli MIMO - tekniikkaa. (Dahlman ym. 2007, 35.)
8 2.5 Tehokkaampien modulaatioiden käyttäminen Kuten aiemmin todettiin, ei ole tehokasta kasvattaa datanopeutta suuremmaksi kuin kaistanleveys, koska se vaatii todella hyvää signaalikohina suhdetta. Usein on kuitenkin niin, että kaista on kallis ja rajallinen resurssi. Uusien tekniikoiden tulee voida tarjota suuria nopeuksia rajoitetuilla kaistanleveyksillä, kun se vain on mahdollista. (Dahlman ym. 2007, 36.) Suoraviivainen tapa tarjota suurempia nopeuksia samalla kaistanleveydellä on käyttää tehokkaampaa modulaatiota, tämä tarkoittaa modulaatio merkistön kasvattamista sisältämään ylimääräisiä signalointivaihtoehtoja. (Dahlman ym. 2007, 36.) 2.6 Modulaatiot ja kanavakoodaus Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK) - modulaatio, merkistö koostuu neljästä eri signalointi vaihtoehdosta. Nämä neljä vaihtoehtoa voidaan esittää 4 pisteenä 2-ulotteisessa tasossa. QPSK - modulaation avulla voidaan siirtää 2 bittiä informaatiota jokaisella modulaatiosymboli aikavälillä. (Dahlman ym. 2007, 36.) 16 Quadrature Amplitude Modulation (QAM) - modulaatio, merkistö koostuu 16 eri signalointi vaihtoehdosta. Nämä 16 vaihtoehtoa voidaan esittää 16 pisteenä 2-ulotteisessa tasossa. 16 QAM - modulaation avulla voidaan siirtää 4 bittiä informaatiota jokaisella modulaatiosymboli aikavälillä. (Dahlman ym. 2007, 36.) 64 QAM - modulaatio, merkistö koostuu 64 eri signalointi vaihtoehdosta. Nämä 64 vaihtoehtoa voidaan esittää 64 pisteenä 2-ulotteisessa tasossa. 64 QAM - modulaation avulla voidaan siirtää 6 bittiä informaatiota jokaisella modulaatiosymboli aikavälillä. (Dahlman ym. 2007, 37.)
9 KUVIO 2. Eri modulaatioiden konstellaatiokuvaajia. Siirrettävän signaalin kaistanleveys ei ainakaan periaatteessa ole riippuvainen modulaatiomerkistön koosta, vaan modulaationopeudesta eli modulaatiosymboleista sekuntia kohden. Maksimi kaistankäyttö ilmoitetaan bitti/s/hz eli 16 QAM ja 64 - QAM avulla voidaan siirtää ainakin teoriassa dataa kaksin- ja kolminkertainen määrä QPSK - modulaatioon verrattuna. (Dahlman ym. 2007, 36.) Tehokkaamman modulaation käyttö mahdollistaa kaistan tehokkaampaan käytön eli suuremmat nopeudet samalla kaistanleveydellä. Tehokkaampien modulaatioiden heikkous on niiden huonompi kohinan ja häiriöiden kesto eli ne vaativat paremman E b / N 0 suhteen verrattuna QPSK -modulaatioon. (Dahlman ym. 2007, 36.) 16 QAM - modulaatio ja 64 QAM - modulaatio yhdistettynä kanavakoodaukseen voi joissakin tapauksissa vaatia QPSK - modulaatiota pienemmän E b / N 0 suhteen. Näin käy, jos QPSK - modulaatiota käytettäessä ei voida käyttää kanavakoodausta tai sitä voidaan käyttää vain rajoitetusti. Eli esim. 16 QAM - modulaatiolla kanavakoodauksen kanssa voidaan parantaa kokonaistehokkuutta verrattuna QPSK - modulaatioon. (Dahlman ym. 2007, 36.) Esimerkiksi, jos kaistankäyttö on lähellä 2 informaatiobittiä modulaatiosymbolia kohden, ei QPSK - modulaatiolla voida käyttää kuin rajoitettua kanavakoodausta eli koodausaste on lähellä yhtä. Taasen 16 - QAM - modulaatiolla koodausaste olisi ½. Vastaavasti, jos kaistankäyttö on lähellä 4 informaatiobittiä modulaatiosymbolia kohden, olisi 64 QAM - modulaatio 16 QAM - modulaatiota tehokkaampi. Mutta on huomattava että ½ -
10 kanavakoodaus pudottaa nopeuden puoleen. Kanavakoodauksen avulla voidaan optimoida kaistankäyttö niin, että suurin mahdollinen määrä kaistaa käytetään kulloisellakin kohinatasolla. (Dahlman ym. 2007, 36.) 2.7 Vaihtelut hetkellisessä lähetystehossa Yleisongelmana korkeamman tason modulaatiojärjestelmissä kuten 16 QAM - modulaatiossa ja 64 QAM - modulaatiossa, missä tieto on koodattu myös moduloidun signaalin hetkellisiin amplitudeihin. Moduloidulla signaalilla täytyy olla suurempia vaihteluita ja tällöin myös suurempia piikkejä sen hetkellisessä tehossa. Tämä voidaan nähdä kuviosta 3, joka kuvaa hetkellisen tehon leviämistä, erityisesti on enemmän todennäköistä että hetkellinen teho ylittää QPSK -, 16 QAM - ja 64 QAM - modulaatiossa tietyn arvon juuri tässä järjestyksessä. Yksikertaisesti, hetkellisten suurien tehopiikkien mahdollisuus on suurempi mitä korkeammantason modulaatiota käytetään. (Dahlman ym. 2007, 38.) Suuremmat piikit hetkellisessä signaalin tehossa edellyttävät, että lähetystehon vahvistin täytyy ylimitoittaa, jotta vältetään tehonvahvistimen epälineaarisuus, jota esiintyy korkeilla hetkellisillä tehotasoilla, johtuen lähetetystä vääristyneestä signaalista. Tehonvahvistimen suorituskykyä pitää vähentää johtuen tehonkulutuksen kasvusta. Lisäksi, sillä on negatiivinen vaikutus tehonvahvistimen kustannuksiin. Vaihtoehtoisesti keskimääräisen lähetystehon pitää laskea, edellyttäen pienennettyä aluetta annetulta tietomäärältä. Korkea tehonvahvistimen suorituskyky on erityisen tärkeää liikkuvassa päätelaitteessa, esimerkiksi uplink suuntaan riippuen painoarvosta liikkuvan päätelaitteen matalasta tehonkulutuksesta ja kustannuksista. Tukiasemassa, korkea tehonvahvistimen suorituskyky, vaikka kaukana epäoleellinen, on vielä hiukan vähemmän tärkeää. Tällöin jos verrataan suuria piikkejä hetkellisessä signaalin tehossa, on niitä vähemmän ulostulossa downlink - suunnassa kuin uplink suunnassa ja näin ollen korkeammantason modulaatio on sopivampi downlink suunnassa verrattuna uplink suuntaan. (Dahlman ym. 2007, 38.)
11 KUVIO 3. Jatkuva teho eri modulaatiotekniikoilla ja samalla keskimääräisellä teholla kaikkien solujen kesken(mukaillen Dahlman ym. 2007, 39.)
12 3 UUDEN SUKUPOLVEN PARANNELTU TEKNIIKKA 3.1 Long Term Evolution LTE:n kehitys on aloitettu syksyllä 2004 LTE seminaarissa. 2005 määriteltiin aloitteelliset tavoitteet. Tekninen spesifikaatioryhmä päätti, että LTE tarvitsee kehitetyn järjestelmärakenteen. 2004 vuoden aikana määriteltiin tarpeet ja suunniteltiin tavoitteet. Lyhykäisyydessään korkeat nopeudet, pienet viiveet ja taajuusjakoisen ja aikajakoisen kaksisuuntaisen liikenteen yhdistäminen. Vuonna 2005 tekninen spesifikaatioryhmä päätti 3GPP Radio-Access Network - kokouksen yhteydessä, että LTE käyttää downlink suuntaan Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) -tekniikkaa ja uplink - suuntaan yksikantoaalto Frequency-Division Multiple Access (FDMA) -tekniikkaa. Tämä tehtiin laajojen Physical layer (PHY) -kerroksen tutkimusten jälkeen. (Dahlman ym. 2007, 23; 3GPP LTE/SAE 2005.) Taaksepäin yhteensopivuus on yksi tärkeä tekijä. Vanhoja päätelaitteita voidaan käyttää, tämä on kustannustehokas tapa vaikkakin uudet ominaisuudet on rajoitettu vanhoilta terminaaleilta. HSPA ei sisällä kaikkea mitä LTE:n on suunniteltu sisältävän. 3GPP aloitti tutkimuksen siitä, kuinka pitkälle HSPA:ta voidaan kehittää nykyisellä 5MHz kaistanleveydellä ja niin, että yhteensopivuus taaksepäin säilyy. HSPA:n on tarkoitus pystyä melkein samaan kuin LTE:n 5 MHz kaistalla säilyttäen taaksepäin yhteensopivuuden. 3G kehitysversio käsittää kaksi eri lähestymistapaa; HSPA:n ja LTE:n, tässä työssä keskitytään LTE:n ja sen downlink - suunnan toimintaa. (Dahlman ym. 2007, 23.) LTE:n filosofia ja perusidea on viedä telekommunikaatio 2020 - luvulle ilman, että sen tarvitsee olla yhteensopiva WCDMA:n ja HSPA:n kanssa. Kun jätetään taakse vanhat päätelaitteet, voidaan suunnittelu aloittaa kokonaan alusta. LTE:n tapauksessa se tarkoittaa sitä, että radiorajapinta voidaan optimoida tukemaan IP - lähetystä, kun Integrated Services Digital Network (ISDN) - tuki ei enää ole tarpeen. GSM:n piirikytkentäinen verkko korvataan pakettikytkentäisellä verkolla. LTE maksimoi taajuusjakoisen ja aikajakoisen kaksisuuntaisen liikenteen yhteiset ominaisuudet. (Dahlman ym. 2007, 23.)
13 LTE ei kuitenkaan voi keskittyä pelkästään nopeuden kasvattamiseen, myös uusia haasteita on tullut jotka tulee huomioida. Kaistankäyttö ei saa olla liian suurta, koska globaali taajuustilanne on hyvinkin monimutkainen ja käytössä olevat taajuusalueet ovat rajallisia. Operaatiot saavat hajautetun kaistan ja se on jaettu eri kantoaalloille joilla on rinnakkainen kaistanleveys. LTE:n tulee voida toimia kaikilla kaistoilla ja kaistanleveyksillä, joita operaattori sille tarjoaa. Käytännössä vain rajoitettu määrä kantoaaltoja, koska muuten Radio Frequency (RF) - suodattimet olisivat liian kalliita rakentaa. LTE on kohdennettu toimimaan 1.25, 1.6, 2.5, 5, 10, 15 ja 20 MHz taajuuskaistoilla. Tuki useille kaistanleveyksille tekee LTE:stä kiinnostavan operaattoreille. Alhaiset kaistanleveydet ovat sopivia GSM - ja Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA2000) - järjestelmille. Paljon kaistaa vievät operaatiot voivat toimia korkeammilla kaistanleveyksillä. Nopeustavoitteissa LTE hakee korkeita nopeuksia ja lyhyitä viiveitä solun reunoilla, joka on tärkeämpää kuin korkea huippunopeus. (Dahlman ym. 2007, 24.) Vaikka LTE ei ole yhteen sopiva WCDMA:n kanssa on siinä silti paljon samaa kuin WCDMA:ssa ja HSPA:ssa. Runko on sama ja sitä kehittävät pääasiassa samat henkilöt ja yritykset. Tarkoituksena on ottaa WCDMA:n ja HSPA:n hyvät ominaisuudet ja tehdä uudestaan ne osat, joita tulee päivittää. Esimerkiksi kaistankäytön joustavuus poistaa sellaisia vaatimuksia joita ei enää ole, kuten ISDN - tuki. Matkapuhelinteknologian kehittyminen on myös osaltaan vaikuttanut LTE:n suunnitteluvalintoihin. (Dahlman ym. 2007, 24.) 3.1.1 LTE radiorajapinnan rakenne Kuten muissakin moderneissa kommunikaatiojärjestelmissä, niin myös LTE:ssä prosessoidaan eri protokollakerroksilla. LTE -protokollakerroksilla on paljon yhteistä WCDMA ja HSPA:n vastaavien kanssa, mutta eroja löytyy tekniikoiden erilaisen rakenteen takia. Tärkeimpänä erona on että vain yksi solmu nimeltään Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network NodeB (enodeb) on käytössä. (Dahlman ym. 2007, 299.)
14 KUVIO 4. LTE protokolla rakenne downlink (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 300.) Data, joka lähetetään downlink suuntaan, tulee sisään IP -paketteina yhdeltä System Architecture Evolution (SAE) välittäjältä. Pakettidatan muuntoprotokolla Packet-Data Convergence Protocol (PDCP) suorittaa IP etuliitteen kompressoinnin, jotta radiorajapinnin yli lähetettävät bitit vähenevät. Etuliitteen typistäminen perustuu standardisoituun Robust Header Compression (ROHC) - algoritmiin, jota käytetään myös WCDMA:ssa ja HSPA:ssa. PDCP suorittaa myös datan salaamisen ja koskemattomuuden suojaamisen. Vastaanottopäässä on vastaavasti salauksen purku ja kompressoinnin purku. Liikkuvalla päätelaitteella on yksi PDPC entiteetti radiovälittäjää kohden. (Dahlman ym. 2007, 299.)
15 3.1.2 RLC radioyhteysprotokolla Radio Link Protocol (RLC) vastaa segmentoinnista, keskittämisestä, uudelleen lähettämisen käsittelystä ja sekvenssin toimittamisesta ylemmille tasoille. WCDMA:sta poiketen RLC sijaitsee enodeb:ssä, koska LTE:ssä on vain yksi solmu radioverkon rakenteessa. RLC tarjoaa palveluita PDCP:lle radiovälittäjän muodossa. Yksi RLC entiteetti radiovälittäjää kohden, joka on määritelty päätelaitteelle. (Dahlman ym. 2007, 301.) RLC:n uudelleen lähetyksien avulla saadaan toimitettua virheetöntä dataa ylemmille kerroksille. Jotta tämä voidaan saavuttaa, RLC toimii lähetyksen ja vastaanoton entiteettien välissä. Tarkkailemalla tulevia sekvenssinumeroita RLC havaitsee puuttuvat Protocol Data Unit (PDU) statukset, jotka ilmoitetaan lähettävälle RLC:lle ja pyydetään puuttuvien PDU:iden uudelleen lähetystä, jos näin on määrätty. Yleisesti data entiteetti korkeammalle protokollakerrokselle, joka tunnetaan yleisesti nimellä Service Data Unit (SDU). Vastaava entiteetti alemmalle protokollakerrokselle on nimeltään PDU. Yllä kuvattu tapa on tunnistusmoodi, jossa RLC:tä pyydetään lähettämään puuttuvat PDU:t, tämä on tärkeää, kun halutaan virheetöntä datan toimitusta esim. Transmission Control Protocol (TCP) datansiirto. (Dahlman ym. 2007, 301.) Toinen tapa on tunnistamaton moodi, jossa RLC:tä ei pyydetäkään lähettämään puuttuvia PDU:ita, näin voidaan toimia esim. VoIP:n tapauksessa, jossa virheettömyys ei ole niin tärkeää verrattuna lyhyeen toimitusaikaan. (Dahlman ym. 2007, 302.) Vaikka lähetyshäiriöitä, jotka johtuvat kohinasta ja kanavan olosuhteiden muutoksista, käsitellään se yleensä Medium Access Control (MAC) Hybrid Automatic Repeat-reQuest (HARQ) avulla. Kuitenkin Automatic Repeat-reQuest (ARQ) ja HARQ ovat molemmat tärkeitä johtuen niiden erilaisesta palautesignalointi tavasta. (Dahlman ym. 2007, 302.) RLC hoitaa myös segmentointia ja keskittämistä(kuvio 5). Riippuen schedulerin (ajoittaja, vuorottaja, aikatauluttaja) valinnoista tietty määrä dataa valitaan lähetykseen RLC SDU -puskurimuistista ja SDU:t segmentoidaan sekä keskitetään jonka jälkeen niistä luodaan RLC PDU. RLC PDU:n koko vaihtelee dynaamisesti. Suurilla nopeuksilla suuri PDU koko johtaa pienempään suhteelliseen ylimenevään osaan. Pienillä nopeuksilla on
16 pieni PDU koko suotavaa, muuten hyötykuorma on liian suuri. Koska LTE:n nopeuksissa on suuria vaihteluja, on dynaamisesti muuttuva PDU:n koko tärkeä ominaisuus. RLC, scheduler ja nopeuden mukauttaminen sijaitsevat kaikki samassa enodeb - solmussa. Tästä johtuen on PDU:iden dynaaminen koko helppo toteuttaa. (Dahlman ym. 2007, 302.) KUVIO 5. RLC segmentointi ja keskittäminen (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 302.) 3.1.3 Medium Access Control MAC on protokollakerros joka on hierarkkisessa järjestyksessä PHY - kerroksen yläpuolella. MAC ohjaa HARQ - lähetyksiä ja uudelleenlähetyksiä sekä uplink scheduling (ajoitus, vuorotus, aikataulutus) ja downlink - scheduling. Ajoitus toiminta on sijoitettu enodeb:n, jossa on yksi MAC entiteeti solua kohti, kumpaankin suuntaan uplink ja downlink. HARQ voi olla mukana sekä lähetyksessä, että vastaanotossa MAC protokollassa. MAC tarjoaa palveluita RLC:lle loogisina kanavina. (Dahlman ym. 2007, 303.) PHY- kerrokselta MAC käyttää palveluita kuljetuskanavien muodossa. Kuljetuskanava määritellään sen mukaan miten ja mitä lähetään radiorajapinnan yli. Jokaisen lähetysaika välin aikana korkeintaan yksi kuljetuslohko lähetetään radiorajapinnalle. (Dahlman ym. 2007, 304.) Jokaiseen kuljetuslohkoon liittyy kuljetusformaatti Transport Format (TF). TF määrittää miten kuljetuslohko tulee lähettää radiorajapinnalle. TF sisältää tiedot modulaatio kaavasta ja antennien kuvauksesta. Yhdessä resurssien ohjauksen kanssa voidaan aikaan saatu koodi noutaa kuljetusformaatista. Vaihtelemalla kuljetusformaattia voi MAC kerros toteuttaa
17 eri datansiirtonopeuksia. Nopeuden ohjaus on täten myös kuljetusformaatin valintaa. (Dahlman ym. 2007, 304.) 3.1.4 Fyysisen kerroksen aikajakoinen rakenne Kuviossa 6 on esitetty LTE:n aikajakoinen lähetys, jossa jokainen radiokehys on pituudeltaan 10 ms ( T Frame =10ms) ja se koostuu 10 alikehyksestä joiden pituus on 1 ms ( T SubFrame =1ms). (Dahlman ym. 2007, 317.) Jotta voidaan tuottaa yhdenmukainen ja tarkka ajoitusmääritelmä eri aikavälit LTE:n radioyhteys spesifikaatiossa voidaan ilmaista perusaikayksikön kerrannaisina ( T S =1/30720000). Aikavälit voidaan ilmoittaa myös muodossa T Frame =307200* T S ja alikehys T SubFrame =30720* T S. (Dahlman ym. 2007, 317.) KUVIO 6. LTE:n aikatasoinen rakenne (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 317.) Yhden kantoaallon tapauksessa, voidaan kehyksen eri alikehyksiä käyttää joka downlink - tai uplink lähetykseen(kuvio 7). Kun kyseessä on Frequency Division Duplex (FDD), on operaatio parillinen spektri ja tietyn kantoaallon kaikki alikehykset ovat varattuna downlink - tai uplink - lähetykselle. Kun kyseessä on Time Division Duplex (TDD), on sille pariton spektri(kuvio 8). Siinä on vain ensimmäinen ja kuudes alikehys varattu downlink - suunnan lähetykselle ja loput voivat olla joko downlink - tai uplink - suunnan käytössä. Syy miksi ensimmäisen ja kuudennen alikehyksen suunta on määrätty ennalta, on se että ne sisältävät LTE synkronointisignaaleja. Synkronointisignaalit lähetetään joka
18 solun downlink - suuntaan ja niitä käytetään ensimmäiseen solun etsintään ja naapurisolujen etsintään. (Dahlman ym. 2007, 318.) KUVIO 7. Esimerkki downlink ja uplink alikehyksen arvon asettamisesta FDD:n ollessa käytössä (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 318.) KUVIO 8. Esimerkki downlink ja uplink alikehyksen arvon asettamisesta TDD:n ollessa käytössä (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 318.) Kuten nähdään(kuvio 7, KUVIO 8), alikehysten joustava asettelu käytettäessä TDD:tä sallii asymmetriaa downlink - ja uplink - resurssien välillä. Alikehysten asettelu pitää kuitenkin olla sama kuin naapurisoluilla, jotta vältytään vakavilta häiriöiltä downlink - ja uplink - lähetyksissä solujen välillä, downlink/uplink asymmetria ei voi vaihdella dynaamisesti kehyskohtaisesti. Hitaammat muutokset ovat kuitenkin mahdollisia esim. sovitettaessa erilaisiin datanliikenteen ominaisuuksiin ja vaihteluihin uplink/downlink liikenteen välillä. (Dahlman ym. 2007, 318.)
19 3.1.5 Datan kulku eri kerrosten läpi Esitettäessä datan kulkua downlink - suuntaan kaikkien protokollakerrosten läpi, esimerkiksi kolme IP pakettia, joista kaksi kuuluu samaan radiovälittäjään ja yksi erilliseen radiovälittäjään(kuvio 9). PDCP suorittaa (valinnaisen) IP -tunnisteiden tiivistämisen, jota seuraa salaaminen. Tämän jälkeen PDCP - tunniste lisätään, tunniste sisältää tiedot joiden avulla salaus voidaan purkaa päätelaitteessa. PDCP:n tulos siirretään RLC protokollakerrokselle. RLC suorittaa yhdistämistä ja osiin jakamista PDCP SDU:lle ja lisää RLC tunnisteen. RLC tunnistetta käytetään sekvenssien toimittamiseen loogisia kanavia pitkin päätelaitteelle, lisäksi RLC PDU:n tunnistamiseen, jos uudelleen lähetykset ovat käytössä. Seuraavaksi RLC PDU:t siirretään MAC - kerrokselle, joka ottaa tietyn määrän RLC PDU:ta ja yhdistää ne MAC SDU:ksi ja lisää MAC - tunnisteen. Näin on muodostettu kuljetuslohko. Kuljetuslohkon koko riippuu jatkuvasta datanopeudesta, jonka valitsee yhteyden sovitusmekanismi. Näin yhteyssovitus vaikuttaa molempien sekä RLC - kerroksen, että MAC - kerroksen toimintaan. Viimeiseksi PHY - kerros lisää CRC:n kuljetuslohkoon mahdollisten virheiden havaitsemiseksi. PHY suorittaa myös koodausta ja moduloimista ja lähettää syntyneen signaalin ilmateitse. (Dahlman ym. 2007, 315-316.) KUVIO 9. Esimerkki datan kulkemisesta eri kerrosten läpi (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 316.)
20 3.1.6 Fyysinen kerros 3.1.6.1 Downlink lähetyksen fyysiset ominaisuudet Kuten mainittua LTE:n downlink - siirto perustuu OFDM - modulaatioon. LTE fyysiset resurssit voidaan nähdä aika-taajuus resurssiruudukkona. Ruudukossa jokainen resurssielementti vastaa yhtä OFDM - apukantoaaltoa yhden OFDM - symboliaikavälin aikana. (Dahlman ym. 2007, 319.) LTE downlink - suunnalle on valittu OFDM - apukantoaaltojen väliksi f = 15kHz. Jos oletetaan käytettävän Fast Fourier Transform (FFT) - pohjaista lähetinvastaanotin ratkaisua, tämä vastaa näytteenottotaajuutta f * s = 15000 N FFT, jossa FFT N on FFT koko. T s joka käsiteltiin edellisessä kappaleessa, voidaan nähdä näytteenotto aikana FFT - pohjaisessa lähetinvastaanotinparissa N FFT =2048 kanssa. Vaikka Ts on esitelty LTE radioyhteys spesifikaatioissa, on se vain työkalu eri aikavälien määrittämiseen. Käytännössä FFT - pohjainen lähetinvastaanotinpari jossa näytteenottotaajuus N FFT =2048 ja sitä vastaava F s =30.72 MHz on sopiva suuremmille LTE kaistanleveyksille, kuten 15MHz ja sitä suuremmat. Pienemmillä lähetyskaistanleveyksillä voidaan käyttää pienempää FFT:n kokoa ja sitä vastaavaa näytteenottotaajuutta. Esimerkkinä, jos kaistanleveys on 5MHz, FFT 512 ja näitä vastaava näytteenottotaajuus 7,68 MHz. (Dahlman ym. 2007, 320.) Yksi 15 khz apukantoaaltojen väliä tukeva seikka LTE:llä on se, että se helpottaa WCDMA/HSPA/LTE monitilaisten päätelaitteiden toteuttamista. Jos valitaan FFT:n kooksi kahden potenssi ja apukantoaaltojenvälinä käytetään f = 15kHz, saatu näytteenottotaajuus f = f * N tulee olemaan kerrannainen tai osamäärä s FFT WCDMA/HSPA bittinopeudesta f CR = 3,84 MHz näin ollen monitilaiset päätelaitteet voidaan toteuttaa yhden kellopulssin piireinä. (Dahlman ym. 2007, 320.)
21 Kuviossa 9 esitetään taajuustasossa downlink apukantoaallot jotka on koottu resurssilohkoiksi ja jokainen resurssilohko koostuu 12 peräkkäisestä apukantoaallosta, joka johtaa resurssilohkon kaistanleveyteen 180kHz(12*15kHz). Näiden lisäksi keskellä downlink - spektriä on käyttämätön Downlink Carrier (DC) - apukantoaalto. Syy miksi sitä ei käytetä, on se että se voi yhdistyä paikallisen oskillaattorin taajuuden kanssa tukiaseman lähettimessä tai liikkuvan päätelaitteen vastaanottimessa. Tämä voi johtaa odottamattomiin häiriöihin johtuen oskillaattorin vuodoista. (Dahlman ym. 2007, 320.) Downlink kantoaallon apukantoaaltojen kokonaismäärä saadaan kaavasta N 12 * N + 1, (7) SC = RB missä N RB on resurssilohkojen määrä ja N SC on apukantoaaltojen kokonaismäärä. LTE:n PHY - kerroksen spesifikaatiot määrittävät, että downlink kantoaalto voi koostua mistä tahansa määrästä resurssilohkoja, vaihdellen kuudesta aina yli sataan resurssilohkoon. Tämä vastaa nimellistä downlink kaistanleveyttä, joka voi vaihdella 1MHz ja 20 MHz välillä hyvin pienellä rakeisuudella. Mutta kuten jo aiemmin on esitelty tämä mahdollistaa todella korkeatasoisen kaistanleveys - ja spektrijoustavuuden ainakin PHY spesifikaatioiden puolesta. Kuitenkin LTE:n taajuusvaatimukset on ainakin alustavasti määritelty vain rajoitetulle määrällä lähetyskaistanleveyksiä, joka edelleen johtaa rajoitettuihin määriin resurssilohkoja. (Dahlman ym. 2007, 320.) KUVIO 10. LTE downlink taajuustason rakenne (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 320.)
22 Kuvio 11 esittää yksityiskohtaisemman rakenteen downlink - lähetyksen aikatasosta. Jokainen 1ms alikehys koostuu kahdesta samankokoisesta aikavälistä, joiden pituus on 0.5 ms T SLOT = 0.5ms(15360* Ts) ja edelleen jokainen aikaväli koostuu OFDM symboleista, joihin kuuluu myös suoja-aika. (Dahlman ym. 2007, 320.) KUVIO 11. LTE downlink alikehys ja aikaväli - rakenne (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 321.) Apukantoaaltojen väli 15 khz johtaa symboliaikaan T u = 1/ f 66.7µ s (2048* T s ). OFDM - symbolin kokonaisaika on summa käytettävästä symboliajasta ja suoja-ajasta T CP. Kuten kuviosta 11 ilmenee, LTE voi käyttää kahta eripituista suoja-aikaa, normaalia tai pidennettyä. Pituudeltaan seitsemän ja kuusi OFDM - symbolia aikaväliä kohden. Toisin sanoen, jos käytetään normaalia suoja-aikaa, mahtuu aikavälille seitsemän OFDM symbolia. Jos käytetään pidennettyä suoja-aikaa, mahtuu aikavälille vain 6 symbolia. Tarkat suoja - ajan pituudet ilmaistuna perusaikayksikön T S avulla(kuvio 10). On huomioitava, että käytettäessä normaalia suoja-aikaa, on sen pituus aikavälin ensimmäisessä symbolissa pidempi kuin muissa. Tämä johtuu siitä, että halutaan täyttää koko 0.5 ms aikaväli ja aikayksiköiden T S määrä 15360 ei ole jaollinen seitsemällä ts.
23 jakojäännös ja ylimääräinen pituus muista kuudesta symbolista lisätään ensimmäiseen symbolin suoja-ajan pituuteen. (Dahlman ym. 2007, 321.) Syyt kahden erimittaisen suoja-ajan käyttämiseen on seuraavat: Pidennetty suoja-aika, vaikkakin vähemmän tehokas ajatellen ylimenevää osaa on hyödyllinen tietyissä tapauksissa, joissa viiveet vaihtelevat todella paljon esim. jos käytössä on suuret solut. Pidempi suoja-aika ei kuitenkaan aina ole vain hyödyksi. Jos yhteyden toiminta rajoittuu kohinan takia vääristyneen jäännösaikahajonnan sijaan, on turhaa kasvattaa suoja-ajan pituutta, koska se vähentää vastaanotetun signaalin tehoa. Kehyksen eri alikehykset voivat käyttää eripituista suoja-aikaa. (Dahlman ym. 2007, 322.) Huomioidessa aikajakoisen downlink - lähetyksen rakenne, resurssilohkot koostuvat 12 apukantoaallosta 0.5ms aikavälin aikana. Jokainen resurssilohko koostuu 12*7=84 resurssielementistä normaalin suoja-ajan ollessa käytössä ja 12*6=72 resurssielementistä pidennetyn suoja-ajan ollessa käytössä. (Dahlman ym. 2007, 322.) 3.1.6.2 Downlink - referenssisignaalit Voidakseen toteuttaa downlink - lähetyksen samanaikaisen demoduloinnin, tulee liikkuvan päätelaitteen saada arvioita downlink -kanavasta. Kuten todetaan OFDM - kappaleessa, yksinkertaisin tapa arvioida kanavaa on ottaa käyttöön referenssisignaalit mukaan aikataajuus taulukkoon. LTE:n referenssisymboleita kutsutaan yleisesti referenssisignaaleiksi. (Dahlman ym. 2007, 323.) Kuviosta 11 näemme että, referenssisymbolit ovat ensimmäinen ja kolmanneksi viimeinen OFDM - symboli aikavälillä ja taajuustasossa kuuden apukantoaallon välein. Lisäksi kolmen alikantoaallon välillä ensimmäisessä ja toisessa referenssisymbolissa on kanvaharitusta. Jokaisessa resurssilohkossa, joka koostuu 12 alikantoaallosta, on yhden aikavälin aikana neljä referenssisymbolia. (Dahlman ym. 2007, 323.)
24 KUVIO 12. LTE downlink referenssisignaalien rakenne. (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 323.) Jotta päätelaite voi arvioida koko aika-taajuus taulukon ja poistaa kohinan kanavan arvioinnista sen tulee suorittaa interpolointia ja keskiarvostamista useiden eri referenssisymboleiden kesken. Arvioitaessa kanavaa tietyssä resurssilohkossa ei päätelaite voi käyttää vain sen kanavan referenssisymboleita vaan myös taajuustasossa naapuri resurssilohkojen ja aiemmin vastaanotettujen aikavälien ja alikehyksen referenssisignaaleita tulee käyttää. Se kuinka monen resurssilohkon välillä voi suorittaa keskiarvostusta, riippuu kanavan ominaisuuksista. Jos kanavalla on suuri taajuus selektiivisyys, on keskiarvostaminen taajuustasossa rajallista. Samalla tavalla aikatasossa keskiarvostaminen eli mahdollisuus käyttää edellisiä aikavälejä/apukehyksiä, on rajattua jos kanava muuttuu nopeasti, esim. päätelaite liikkuu. Aikajakoisen kaksisuuntaisenliikenteen TDD:n ollessa käytössä keskiarvostaminen voi olla rajallista koska, aiemmat alikehykset eivät välttämättä olleet downlink - lähetyksille määrättyjä. (Dahlman ym. 2007, 324.) 3.1.6.3 Referenssisignaalien sekvenssit ja fyysisen kerroksen soluntunniste Yleisesti referenssisignaalien kompleksiset arvot vaihtelevat referenssisymbolien paikan ja myös solujen välillä. Solun referenssisymboli voidaan nähdä 2 - ulotteisena sekvenssinä. LTE spesifikaatiot puhuvat 2 - ulotteisesta sekvenssistä samaan tapaan kuin WCDMA/HSPA:ssa sekoituskoodista. LTE referenssisignaali voidaan nähdä PHY kerroksen soluntunnisteena. On olemassa 510 referenssisignaali sekvenssiä, jotka vastaavat 510 eri soluntunnisteeseen. (Dahlman ym. 2007, 324.)
25 Referenssisignaalin sekvenssi voidaan nähdä 2 - ulotteisen näennäis-satunnais- sekvenssin ja 2 - ulotteisen ortogonaalisen sekvenssin tulona. Yhteensä on määritelty 170 eri näennäissatunnais-sekvenssiä, jotka vastaavat 170 soluntunnisteryhmää. Ortogonaalisia sekvenssejä on määritelty kolme, ja jokainen niistä vastaa tiettyyn soluntunnisteeseen soluntunnisteryhmässä. Referenssisignaali sekvenssejä käytetään osana solun etsinnässä. (Dahlman ym. 2007, 324.) Referenssisignaali sekvenssit tulisi mieluiten soveltaa soluihin niin, että solut jotka kuuluvat samaan enodeb:hen, ovat niin paljon kuin mahdollista ohjattuina PHY kerroksen soluntunnisteisiin samassa soluntunnisteryhmässä. Ohjatut referenssisignaalit pohjautuvat samaan näennäis-satunnais- sekvenssiin mutta eri ortogonaaliseen sekvenssiin. Näin tekemällä häiriöt saman enodeb:n eri solujen välillä saadaan minimoitua. (Dahlman ym. 2007, 324.) 3.1.6.4 Referenssisignaalien taajuushyppely Referenssisignaalien rakenne, joka on esitetty kuviossa 12, kertoo sen, että taajuustasossa referenssisignaalien paikka pysyy samana peräkkäisissä alikehyksissä. Sekvenssien paikka voi myös vaihdella taajuustasossa tätä kutsutaan taajuushyppelyksi. (Dahlman ym. 2007, 325.) Taajuushyppelyssä referenssisignaalien suhteellinen sijainti on sama kuin kuviossa 12. Hyppely voidaan toteuttaa lisäämällä sekvenssiin taajuuspoikkeamaa. Poikkeama on sama kaikille referenssisymboleille alikehyksessä, mutta muuttuu peräkkäisissä alikehyksissä referenssisymbolin sijainti p voidaan ilmaista alikehyksessä k alla olevalla kaavalla. (Dahlman ym. 2007, 325.) Ensimmäiset referenssisymbolit: p(k)=( p + 6 * i + offset( )) mod 6 (8) 0 k
26 Toiset referenssisymbolit: p(k)=( p + 6 * i + 3 + offset( )) mod 6 (9) 0 k,missä i on kokonaisluku. Taajuuspoikkeaman sekvenssillä tai taajuushyppelyn kuviolla on kymmenen pituinen jakso ts. kuviot toistuvat peräkkäisissä kehyksissä. 170 erilaista taajuushyppely kuviota on määritelty ja jokainen niistä vastaa yhtä soluntunnisteryhmää. (Dahlman ym. 2007, 325.) Käyttämällä erilaisia taajuushyppely kuvioita naapurisoluissa voidaan välttää tilanne, jossa naapurisolujen referenssisymbolit törmäilevät jatkuvasti toisiinsa. Tämä on erityisen tärkeää, kun referenssisymbolit lähetetään suuremmalla teholla verrattuna muihin resurssielementteihin. Tekniikkaa kutsutaan myös referenssisignaalin energian tehostamiseksi. (Dahlman ym. 2007, 325.) 3.1.7 Downlink - kuljetuskanavan prosessointi PHY kerros liittyy korkeampiin kerroksiin ja erityisesti MAC kerrokseen kuljetuskanavien avulla. LTE on perinyt perusperiaatteet tähän WCDMA/HSPA:lta, jossa myös data toimitetaan PHY kerrokselta tietyn kokoisten kuljetuslohkojen muodossa. (Dahlman ym. 2007, 326.)
27 KUVIO 13. LTE downlink kuljetuskanavan käsittely (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 328.) Cyclic Redundancy Check (CRC) asentaminen on ensimmäinen toimi kuljetuskanavan toimissa. CRC lasketaan ja asetetaan jokaiseen lähetyslohkoon(kuvio 14). CRC mahdollistaa sen, että vastaanottaja voi havaita residuaaliset virheet dekoodatusta kuljetuslohkosta. Tätä vastaavaa virheilmaisinta voidaan käyttää downlink HARQ - protokollassa, jos havaittu virhe halutaan korjata. (Dahlman ym. 2007, 329.) KUVIO 14. LTE downlink CRC:n asentaminen tapahtuu CRC:n laskemisella ja lisäämällä se jokaiseen kuljetuslohkoon (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 329.)
28 Kanavakoodauksessa LTE käyttää Turbo - koodausta Downlink Shared Channel (DL- SCH) - lähetyksissä. Turbo - koodaus on ainoa vaihtoehto LTE:llä. Turbo koodauksen kokonaisrakenne on esitetty kuviossa 14. LTE Turbo -enkooderi uudelleen käyttää kahta WCDMA/HSPA:n puolinopeudella toimivaa kahdeksantilaista enkoodaus rakenneosaa. Tämä johtaa kokonaiskoodinopeuteen R=1/3. LTE Turbo -enkooderin sisäinen lomittaja on korvattu Quadrature Permutation polynominal (QPP) pohjaisella lomittajalla. QPP on neliömäinen muunnos polynomi. QPP on maksimaalisen konflikti vapaa, ja tämä takaa sen, että dekoodaus voidaan suorittaa yksinkertaisesti rinnakkain ilman riskiä konfliktiin. LTE:n tukemat todella nopeat datansiirtonopeudet ja QPP pohjaiset lomittajat voivat alentaa Turbo-enkooderin ja dekooderin monimutkaisuutta huomattavasti. (Dahlman ym. 2007, 329.) KUVIO 15. LTE Turbo - enkoodaus (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 329.) 3.2 Fyysisen kerroksen hybriditoiston toiminnallisuus Downlink - HARQ tehtävä PHY kerroksella on purkaa koodilohkoista bitit, jotka toimitetaan kanavaenkooderille, tietyt määrät bittejä jotka toimitetaan tietyn Transmission Time Interval (TTI) -jakson aikana, joka on lähetysaikaväli. Loppu annetaan määrätyille resurssilohkoille, vaaditulle modulaatiotyypille ja spatiaalisille multipleksausjärjestelyille. Näiden lisäksi osa resurssielementeistä tietyssä resurssilohkossa on varattu
29 referenssisignaaleille, kuten aiemmin käytiin läpi, tämän lisäksi osa on varattuna L1/L2 ohjaussignaloinnille, kuten kappaleessa 4 tullaan käymään läpi. (Dahlman ym. 2007, 330.) Mikäli koodibittien määrä on suurempi kuin määrä jota voidaan lähettää kanavakooderille, HARQ - toiminto ottaa otoksen koodibittejä, jotta päästään tehokkaaseen koodinopeuteen R eff >1/ 3. Ja jos koodibittien kokonaismäärä on pienempi kuin siirrettävien bittien määrä HARQ - toiminto toistaa otoksen koodibiteistä tai kaikki koodibitit joka johtaa R < 1/ 3. Uudelleen lähetyksen tapauksessa HARQ toiminto yleisesti valitsee tietyn määrän koodibittejä lähetettäväksi. HARQ sallii inkrementiaalisen päällekkäisyyden. (Dahlman ym. 2007, 330.) eff 3.3 Bittitason sekoittaminen LTE downlink - sekoittaminen tarkoittaa sitä, että lohko bittejä jotka toimitetaan HARQ:n avulla, suoritetaan Exlusive OR (XOR) - operaatio bittitason sekoitussekvenssin kanssa(kuvio 16). Yleisesti koodatun datan sekoitus auttaa varmistamaan, että vastaanottopuolen dekoodaus voi täysin käyttää hyväkseen toimintavahvistusta, jonka kanavakoodi tuottaa. Ilman downlink - sekoitusta kanavadekooderi päätelaitteessa voisi ainakin periaatteessa olla samalla lailla häiriintynyt häiriösignaaleista ja kohinasta, eikä voisi kunnolla suodattaa häiriöitä pois. Käytettäessä erilaisia sekoitussekvenssejä naapurisolujen kesken, häiritsevä tai häiritsevät signaalit sekoituksen purkamisen jälkeen ovat satunnaisia ja tämä varmistaa kanavakoodin toimintavahvistuksen täyden käytön. (Dahlman ym. 2007, 330-331.) KUVIO 16. Downlink sekoitusseksvenssin lisääminen (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 331.)
30 3.4 Datan modulointi Downlink - datan modulointi muuttaa lohkon sekoitettuja bittejä vastaavaksi lohkoksi kompleksisia modulaatiosymboleja(kuvio 17). Modulaatio vaihtoehdot, joita LTE downlink tukee, ovat QPSK -, 16 QAM - ja 64 QAM - modulaatiot joilla voidaan siirtää kaksi, neljä ja kuusi bittiä modulaatiosymbolia kohden. Kaikki modulaatiotavat ovat käytettävissä, jos käytetään DL-SCH - lähetystä. DL-SCH tarkoittaa downlink - jaettua kanavaa. Muilla kanavilla on rajoituksia esimerkiksi Broadcast Channel (BCH) eli yleislähetyskanava voi käyttää vain QPSK modulaatiota. (Dahlman ym. 2007, 331.) KUVIO 17. Datan modulointi, M bittiä muunnetaan M/L kompleksisiksi modulaatiosymboleiksi. QPSK: L=2, 16-QAM: L=4, 64-QAM: L=6 (Mukaillen Dahlman ym. 2007, 332.) 3.5 Resurssilohkojen kuvaus Resurssilohkon kuvaus kuvaa symbolit, jotka lähetetään tietyllä antennilla resurssielementeiksi, jossa on tietty määrä resurssilohkoja, jotka tulevat MAC - scheduler toiminnolta kuljetuslohkojen lähettämiseksi(kuvio 18). Resurssilohkojen valinta voi ainakin osittain perustua arvioihin kanavanlaadusta eri resurssilohkoissa kuten päätelaite näkee ne. (Dahlman ym. 2007, 332.) Downlink - scheduling tehdään alikehyksen (1ms) pohjalta. Vaikka downlink - resurssilohko on määritelty tietystä määrästä alikehyksiä 0.5 ms aikavälin aikana, downlink -resurssilohko tehtävät suoritetaan parina, jossa jokainen pari koostuu kahdesta aikatasossa perättäisestä resurssilohkosta alikehyksessä. Kokonaisuudessa jokainen resurssilohko koostuu 84 resurssielementistä eli 12 apukantoaallosta seitsemän OFDM - symbolin aikana tai 72 resurssielementistä, jos käytössä pidennetty suoja-aika eli 12 apukantoaallosta kuuden OFDM - symbolin aikana. Kuten jo mainittiin, eivät kaikki resurssielementit