3GPP Release 10, známý jako LTE Advanced (LTE-A), představuje významný technologický skok v evoluci mobilních sítí. Finalizovaný v roce 2011, tento standard přinesl řadu inovativních technologií, které posunuly možnosti LTE sítí na zcela novou úroveň. V tomto článku se podrobně zaměříme na klíčové technologie LTE Advanced a vysvětlíme jejich fungování a význam.
Carrier Aggregation (CA)
Carrier Aggregation je jednou z nejdůležitějších inovací v LTE-A. Tato technologie umožňuje kombinovat více nosných frekvencí do jednoho logického datového kanálu, čímž výrazně zvyšuje dostupnou šířku pásma a přenosové rychlosti.
Princip fungování:
-
Agregace nosných: LTE-A umožňuje kombinovat až pět komponentních nosných, každou o šířce až 20 MHz, což teoreticky umožňuje dosáhnout celkové šířky pásma až 100 MHz.
- Typy agregace:
- Intra-band contiguous: Agregace sousedících nosných v rámci stejného frekvenčního pásma.
- Intra-band non-contiguous: Agregace nesousedících nosných v rámci stejného pásma.
- Inter-band non-contiguous: Agregace nosných z různých frekvenčních pásem.
-
Asymetrická konfigurace: Downlink a uplink mohou mít různý počet agregovaných nosných, což umožňuje optimalizaci pro asymetrický datový provoz.
-
Implementace: CA vyžaduje podporu jak na straně sítě (eNodeB), tak na straně uživatelského zařízení (UE). Síť dynamicky přiděluje a uvolňuje sekundární buňky (SCell) podle potřeby.
- Zpětná kompatibilita: CA je navrženo tak, aby bylo kompatibilní s LTE Release 8/9 zařízeními, která vnímají agregované nosné jako samostatné buňky.
Výhody CA zahrnují výrazné zvýšení přenosových rychlostí, lepší využití fragmentovaného spektra a zvýšení kapacity sítě.
Enhanced MIMO (Multiple-Input Multiple-Output)
Technologie MIMO využívá více antén na vysílači a přijímači k simultánnímu přenosu více datových toků. Tato technologie umožňuje efektivnější využití rádiového spektra tím, že využívá prostorového multiplexování. V praxi to znamená, že síť může přenášet více dat ve stejném frekvenčním pásmu, čímž se výrazně zvyšuje datová propustnost a spektrální efektivita. Pokročilé varianty MIMO, jako je Massive MIMO používané v 5G sítích, dále rozšiřují tyto výhody použitím desítek nebo dokonce stovek antén, v případě Enhanced MIMO je toto rozšíření zatím drobnější.
LTE Advanced významně rozšiřuje možnosti MIMO technologie:
- Vyšší řády MIMO:
- Downlink: Podpora až 8x8 MIMO (oproti max. 4x4 v LTE Rel. 8/9).
- Uplink: Podpora až 4x4 MIMO (oproti single-layer přenosu v LTE Rel. 8/9).
- Vylepšené multi-user MIMO (MU-MIMO):
- Umožňuje efektivnější sdílení prostorových zdrojů mezi více uživateli.
- Využívá pokročilé techniky předzpracování signálu pro minimalizaci interference mezi uživateli.
- Pokročilé techniky předzpracování signálu:
- Vylepšené algoritmy pro formování paprsku (beamforming).
- Pokročilé techniky potlačení interference.
- Vylepšené zpětnovazební mechanismy:
- Přesnější reportování stavu kanálu (CSI - Channel State Information).
- Nové režimy zpětné vazby pro podporu vyšších řádů MIMO.
Tyto vylepšení umožňují LTE-A dosáhnout výrazně vyšší spektrální efektivity a kapacity buněk.
Lepší podpora Heterogeneous Network (HetNet)
HetNet představuje koncept sítě, která integruje různé typy buněk a přístupových bodů do jedné koherentní infrastruktury. Typicky kombinuje makrobuňky, které poskytují široké pokrytí, s menšími buňkami (jako jsou pikobuňky, femtobuňky a mikrobuňky), které zvyšují kapacitu v hustě osídlených oblastech nebo zlepšují pokrytí v místech s horším signálem. Tento přístup umožňuje operátorům optimalizovat síťové zdroje, zlepšit pokrytí a zvýšit celkovou kapacitu sítě. HetNet také hraje klíčovou roli v efektivním nasazení nových technologií, jako je 5G, umožňující flexibilní a škálovatelné řešení pro různé scénáře použití a požadavky na síť.
LTE Advanced přináší významná vylepšení pro podporu heterogenních sítí:
- Enhanced Inter-Cell Interference Coordination (eICIC):
- Zavádí koncept Almost Blank Subframes (ABS) pro koordinaci vysílání mezi makro a malými buňkami.
- Umožňuje makrobuňkám dočasně snížit vysílací výkon, aby malé buňky mohly efektivněji obsluhovat své uživatele.
- Carrier Aggregation across macro and small cells:
- Umožňuje UE agregovat nosné z makrobuňky a malé buňky současně.
- Zvyšuje flexibilitu v alokaci rádiových zdrojů.
- Range expansion for small cells:
- Využívá techniku Cell Range Expansion (CRE) pro rozšíření efektivního dosahu malých buněk.
- CRE funguje přidáním pozitivního offsetu k měřením RSRP (Reference Signal Received Power) malých buněk.
- Optimalizovaná mobilita:
- Vylepšené algoritmy pro handover mezi makro a malými buňkami.
- Podpora rychlého přepínání mezi buňkami pro minimalizaci výpadků.
Relay Nodes
LTE-A zavádí koncept relay nodes, což jsou speciální základnové stanice, které bezdrátově přijímají signál od makro eNodeB a přeposílají ho koncovým uživatelům.
Princip fungování:
- Backhaul link: Relay node komunikuje s donor eNodeB přes Un rozhraní.
- Access link: Relay node komunikuje s UE přes standardní Uu rozhraní.
- In-band nebo out-band operace: Relay může sdílet frekvenci s donor eNodeB (in-band) nebo využívat separátní frekvenci (out-band).
Výhody:
- Rozšíření pokrytí v okrajových oblastech buněk.
- Zvýšení kapacity v hustě osídlených oblastech.
- Zlepšení indoor pokrytí.
- Nákladově efektivní způsob, jak zlepšit pokrytí a kapacitu sítě.
Coordinated Multi-Point (CoMP) Transmission and Reception
CoMP je pokročilá technika, která umožňuje koordinaci mezi různými vysílacími body pro optimalizaci výkonu, zejména na okrajích buněk. Detailně ji rozebírám ve článku zde.
LTE-A podporuje několik scénářů CoMP:
- Joint Processing:
- Joint Transmission (JT): Více vysílacích bodů současně vysílá data k UE.
- Dynamic Point Selection (DPS): Dynamický výběr nejvhodnějšího vysílacího bodu pro každý subframe.
- Coordinated Scheduling/Beamforming (CS/CB):
- Koordinace plánování a formování paprsku mezi různými vysílacími body pro minimalizaci interference.
Implementace CoMP vyžaduje přesnou časovou a frekvenční synchronizaci mezi vysílacími body a rychlou výměnu informací o stavu kanálu.
Enhanced Uplink
LTE Advanced přináší několik vylepšení pro uplink přenos, tedy pro zvýšení rychlosti odesílání dat do mobilní sítě:
- Clustered SC-FDMA:
- Umožňuje nesouvislé přidělení frekvenčních zdrojů v uplinku.
- Zvyšuje flexibilitu plánování a spektrální efektivitu.
- Simultaneous PUCCH and PUSCH transmission:
- Umožňuje současné vysílání kontrolních informací (PUCCH) a uživatelských dat (PUSCH).
- Zvyšuje efektivitu využití uplink zdrojů.
- Uplink power control enhancements:
- Vylepšené algoritmy pro řízení vysílacího výkonu UE.
- Lepší vyvážení mezi výkonem na okraji buňky a celkovou interferencí v síti.
Vylepšení pro Machine-Type Communications (MTC)
LTE-A zavádí několik vylepšení pro podporu MTC:
- Low-cost MTC devices:
- Podpora pro zařízení s omezenou šířkou pásma (např. 1.4 MHz).
- Optimalizace pro nižší datové rychlosti a méně komplexní hardware.
- Coverage enhancements:
- Techniky pro zlepšení pokrytí pro MTC zařízení, včetně opakovaného přenosu a akumulace energie.
- Power saving mode:
- Nové režimy pro úsporu energie u MTC zařízení, umožňující delší životnost baterie.
LTE Advanced představuje významný technologický skok v evoluci mobilních sítí. Přináší řadu inovativních technologií, které výrazně zvyšují kapacitu, spektrální efektivitu a flexibilitu LTE sítí. Tyto pokročilé funkce nejen splňují požadavky IMT-Advanced definované ITU-R, ale také poskytují solidní základ pro budoucí vývoj mobilních sítí směrem k 5G. LTE Advanced tak představuje kritický mezikrok v evoluci mobilních komunikací, připravující cestu pro sítě 5G a zároveň zachovává rozumnou míru investiční náročnosti pro mobilní operátory.
