Simsiz tarmoqlarining rivojlanish bosqichlari

III-BOB. LTE TARMOG‘I KANAL SATHI MODELINI YARATISH VA SIFAT KO‘RSATKICHLARINI TAHLIL ETISH
3.1. LTE kanal sathi takomillashtirilgan radioulanish tarmog‘i
LTE/SAE tizimida “takomillashtirilgan” E-UTRAN tarmog‘i nomini olgan radioulanish tarmog‘i «pastga» yo‘nalishdagi ulanish, ma’lumotlarni kodlash, paketlarni yo‘naltirish va qayta yuborish kabi vazifalarga javob beradi. E-UTRAN tarmog‘i “takomillashtirilgan B tuguni” ya’ni eNB nomini olgan yagona tugun darajasidan tashkil topgan bo‘lib, u abonent uskunalari (AU) bilan LTE-Ub interfeysi yordamida ulanadi. eNB tuguni OTO‘ (ISO/OSI) modelining fizik (RNY), muhitga ulanishni boshqarish (MAS), radiokanallarni boshqarish (RLC) hamda paketli ma’lumotlarni boshqarish (PDCP) darajalarini qo‘llab quvvatlaydi. eNB tuguni radioresurslarni boshqarish (RRC), ulanishni boshqarish, tarmoqni rejalashtirish, «yuqoriga» yo‘nalishda QoS ning kelishilgan darajasini ta’minlab berish, keng qamrovli status xabarlarni jo‘natish, abonent va boshqaruv satxlarida ma’lumotlarni kodlash/dekodlash, shuningdek, abonent satxida «pastga» va «yuqoriga» yo‘nalishlarda paketlar sarlavhalarini kompressiya/dekompressiya qilish kabi vazifalarni bajaradi.
LTE/SAE tizimining tayanch tarmog‘i – EPC funksionallik jihatdan uch asosiy tarkibiy qismdan iborat:

• Mobillikni boshqarish moduli – MME (ingl. Mobility Management Entity)

  
  

• Xizmat ko‘rsatish shlyuzi – S-GW (ingl. Serving Gateway). Ayrim manbalarda S-GW shlyuzi 3GPP Anchor (3GPP Langar) deb ham yuritilgan.

  
  

• Paketli ma’lumotlar tarmog‘i shlyuzi – PDN GW (ingl. Packet Data Network Gateway, qisqartirilganda P-GW). Shuningdek, adabiyotlarda ushbu shlyuz SAE Anchor (SAE Langar) ko‘rinishida ham kelishi mumkin.

  
  

ERS tarmog‘ining so‘nggi ikki tashkil etuvchilari mobil aloqa tayanch tarmoq arxitekturasining butunlay yangi elementlari hisoblanib, ularni paydo bo‘lishining asosiy sababi yuqorida aytib o‘tilgan abonentning turli tipdagi tarmoqlar orasida ko‘chib yurishi jarayonida mobillikni ta’minlash talabidir. S-GW va P-GW shlyuzlarini yagona shlyuz sifatida nomlanganda, IASA (ingl. Inter Access System Anchor) nomi ishlatiladi, agarda ular yagona tarmoq elementi siftida ishlatilgan bo‘lsa, bunday element – ulanish shlyuzi aGW (ingl. access GW) deb nomlanadi.

EPC tarmog‘ining funksional elementlarini qurilma jihatdan birlashshtirish yoki tarmoq bo‘yicha taqsimlash mumkin, bu esa qo‘llaniladigan qurilmalar va tarmoqning xususiyatlariga bog‘liq. Masalan, MME hamda S-GW modullari o‘zaro aralash bo‘lishi yoki tarmoqning turli tugunlarida joylashgan bo‘lishi mumkin.
AU larining mobilligini boshqaruvi «uy» va mexmon sotalarda ishlatiladigan radiotexnologiyalarga, AU ni mobil holatiga va axborot jo‘natiladigan OTO‘ darajasiga asoslangan holda klassifikatsiya qilinadi.
LTE tarmoqlarida soddalashtirilgan ko‘rinishda AU, mobillik nuqtai nazaridan, 16.1-rasmda ko‘rsatilganidek, uch xolatdan birida bo‘lishi mumkin: “Ulanmagan LTE” (ingl. LTE Detached), “Noaktiv LTE” (ingl. LTE Idle), va “Aktiv LTE” (ingl. LTE Active) xolatlari³.
Bunda «Ulanmagan LTE», odatda, o‘tkinchi holat bo‘lib, u AU ni endi yoqilib tarmoqni qidirish va unga ulanish jarayonida bo‘lishiga to‘g‘ri keladi. «Aktiv LTE» holatida AU tarmoqqa ulangan va RRC darajasida eNB tugunida ro‘yxatdan o‘tgan bo‘ladi. Bu holatda AU qaysi sotaga bog‘langani ma’lum bo‘lib, u bilan ma’lumot ayriboshlash mumkin bo‘ladi. «Noaktiv LTE» AU quvvatini tejash holatiga mos bo‘lib, bu holatda AU ma’lumot paketlarini uzatmaydi xam, qabul xam qilmaydi. Bu holatda AUga tegishli kontekstlar eNB tugunida saqlab qolinmaydi, chunki AU ning territorial joylashuvi faqatgina MME moduliga ma’lum, u ham bo‘lsa bir necha eNB tugunidan iborat bo‘lgan «kuzatuv zonasida» – TA (ingl. Tracking Area). MME moduliga AU ni oxirgi marta ulangan TA zonasi ma’lum bo‘ladi va AU ning joylashuvini aniqlash uchun qisqa xabar – peydjing yuboriladi.
Batafsilroq ravishda AU larning mobillik holatini MME modulida saqlanuvchi axborotga qarab ikki darajaga ajratish mumkin:

• EPS nimtizimida mobillikni boshqarish holati – EMM (ingl. EPS Mobility Management);

  
  

• EPS nimtizimida ulanishlarni boshqarish holati - ECM (ingl. EPS Connection Management).

  
  

3.1-rasm. LTE tizimida AU ning mobillik holatlari

EMM xolatida AU «Ro‘yxatdan o‘tmagan EMM» (ingl. EMM-DEREGISTERED) va «Ro‘yxatdan o‘tgan EMM» (ingl. EMM-REGISTERED) nimholatlariga bo‘linadi. «Ro‘yxatdan o‘tmagan EMM» holatida MME modulida AU ning ayni damdagi joylashuvi bo‘yicha axborot bo‘lmaydi, lekin unda AU ning ushbu holatidaligi xaqida kontekst axborot saqlanadi va bu AU ning «ro‘yxatdan o‘tgan» holatiga o‘tishida qayta autentifikatsiyalashdan ozod qiladi.

Muvaffaqiyatli ulanish yoki TAU

O’chirish yoki TAU rad etish
3.2-rasm. EMM darajasida AU ning mobillik holatlari

AU ning «ro‘yxatdan o‘tgan EMM» holatiga o‘tishi har safar yoki AUning tarmoq bilan ulanishida, yo kuzatuv zonasini yangilash - TAU (ingl. Tracking Area Update) jarayonida sodir bo‘ladi. Bu holatda MME moduli AU ning joylashuvini faqat kuzatuv zonasi - TA miqyosidagina biladi, AU esa bu xolatda TAU jarayonini amalga oshirishi, peydjingga javob qaytarishi va chiquvchi ma’lumot bor bo‘lsa kanal resursi ajratilishi talab qilishi mumkin (3.2-rasm).

ESM darajasida ham ikki xolat ajratiladi – «noaktiv ESM» » (ingl. ECM-IDLE) va «ulangan ESM» (ingl. ECM-CONNECTED).
«Noaktiv ESM» holatida AU va MME orasida NAS darajasida xizmat axboroti bilan almashinmaydi, va AU uchun mo‘ljallangan kontekst eNB tugunida saqlanmaydi. AU ning joylashuvi TA aniqligi darajasida ma’lum, AUning joy o‘zgartirishlarini aniqlash esa TAU jarayonlari hisobiga amalga oshiriladi.
«Ulangan ESM» holatida AU va MME orasidagi xizmat axboroti almashuvi RRC protokoli, eNB va MME orasida esa S1 interfeysi orqali olib boriladi. AUning joylashuvi sota aniqligi darajasida ma’lum va AUning sota o‘zgartirishlari «xendover» jarayonlari bilan birga o‘tadi (3.3 rasm).

3.3-rasm. ESM darajasida AU ning mobillik holatlari

«Noaktiv LTE» holatida AU quvvatni tejash rejimida bo‘ladi va tarmoqqa (MME ga) sotalar aro xarakiti haqida xabar bermaydi. Tarmok AU ning joylashuvini bir yoki bir nechta TA lar aniqligida biladi. TAU jarayoni AU ning eski TA (yoki TA guruhlari) zonasiga kirmagan yangi sotani (TA ni) zonasiga o‘tishida ishlab ketadi (3.4-rasm).

“Noaktiv LTE” holatida AU faqatgina boshqa TA maydoniga kirganda TAU jarayonini amalga oshiradi.

3.4-rasm. «Noaktiv LTE» holatida TAU jarayoni va “pastga” yo‘nalishda trafikni o‘tkazish jarayoni
S-GW shlyuziga “pastga” yo‘nalishda paket kelganida AU so‘ngi marta ro‘yxatga olingan TA maydonidagi barcha eNB larga MMB moduli xabar
- “peydjing” jo‘natadi.
Yana muhim joyi shuki, TAU jarayoni doimiy davriy ravishda AU da o‘rnatilgan vaqt intervali asosida bajaralib turadi.
Ayni bir AU uchun chaqiruv kelganda, ushbu AU oxirgi marta ro‘yxatdan o‘tgan TA zonasidagi barcha saytlarga aktivatsiya peydjingi yuboriladi. AU ning bir necha TA lar orasida xarakat qilganida qayta-qayta TAU jarayonini bajaravermaslik uchun, LTE tizimida AU ning bir vaqtning o‘zida bir nechta TA zonalarida ro‘yxatdan o‘tishi ko‘zda tutilgan.
3GPP doirasida shu masala bilan bog‘liq LTE tizimlarida «afzal kuzatuv zonasi» mexanizmini ishlatish bo‘yicha qizg‘in munozaralar olib borilgan. Ilgarigi texnologiyalarda (misol uchun GSM da), odatda, turg‘un kuzatuv zonalari ishlatilgan. Lekin, hozirgi kunda TAU trafigini sotalar orasida bir tekis taqsimlaydigan va har bir AU ning «mobillik» xususiyatlarini hisobga olgan holda TAU jarayoniga sarflanadigan umumiy yuklatishni kamaytirish hisobiga (ya’ni, «ping-pong» effektidan halos qiladigan) yanada mukamallashtirilgan uslublar mavjud.
Hususan, 3GPP loyihasida standartga qo‘shish uchun bir necha quyidagi nomzod mexanizmlar taklif qilingan edi: bir birini qoplovchi TA lar, ko‘p sonli TA lar va masofa asosidagi TA lar sxemalari. Natijada, 3GPP doirasidagi mulohazalarga asoslanib ko‘p sonli TA lar sxemasi qabul qilindi va u ortiqchalik (rus. dublirovanie) ga yo‘l qo‘ymaydi deb hisoblandi. Bunday sxemada AU bir emas bir nechta TA lar eg‘indisi (ingl. TA set) da ro‘yxatdan o‘tgan bo‘lishi mumkin (16.5 rasm).
Shunday qilib, bu sxemada AU o‘z xarakatida ro‘yxatdan o‘tgan TA lar guruhi zonasida bo‘lganida TAU jarayoni bajarilmaydi. AU o‘z TA lar guruhi chegarasidan chiqishi bilan TAU jarayoni boshlanadi. Natijada ushbu AU uchun qayd qilingan TA lar guruhi yangilanadi yoki uni tarkibi o‘zgaradi. TA lar guruhining shakllanishi har bir AU uchun «personallashtirilgan» asosda amalga oshiriladi va bunday moslashuvchanlik TAU jarayonlari hisobiga umumiy tarmoq yuklanishini ancha kamaytirishga imkon beradi.

3.5-rasm. «Noaktiv LTE» holatida ko‘p sonli TA lar sxemasining ishlashi

Shuningdek, 3GPP tomonidan TA mexanizmlari LTE tizimlari va LTE gacha bo‘lgan texnologiyalar uchun farq qilishi ta’kidlangan, ya’ni, LTE dagi eNB va UMTS dagi NB tugunlari TA zonalarining turli sxemalariga tegishli bo‘ladi, va bu turli radioulanish texnologiyali tarmoqlari orasida AU ni xarakatlanishida uning mobilligini ta’minlashni soddalashtiradi. Bu esa o‘ta muhim masala, chunki operatorlar LTE tizimlariga bosqichma-boskich o‘tishni ko‘zda tutishmoqda va mavjud bo‘lgan 3GPP texnologiyalari - HSPA, UMTS, EDGE va GPRS kabilar, yana bir qancha vaqt ekspluatatsiyada bo‘lishlari kutilmoqda. Bu texnologiyalar orasidagi «xendoverga» nisbatan 3GPP loyihasi AU ning turli texnologiyalar sotalari orasida «noaktiv LTE» holatida bo‘lib xarakatlanishida ichki tizim signalizatsiyasini kamaytirish usullarini taklif etdi. Masala shunda ediki, AU o‘z xarakatlanishida boshqa texnologiya sotasiga o‘tganida ham o‘zining joriy holatini (statusini) saqlashi kerak edi. Misol uchun, LTE tarmog‘idagi «noaktiv LTE» xolati UMTS/GPRS tarmog‘idagi «noaktiv PMM» (ingl. Packet Mobility Management-idle) xolatiga o‘tishi kerak. Xamda AU ning turli radioulanish texnologiyalari orasida xarakatlanishi jarayonida TAU jarayoni (LTE tarmoqlarida) yoki UMTS/GPRS tarmoqlaridagi marshrut zonalarini yangilash - RAU (ingl. Routing Area Update) jarayoni bajarilmasligi lozim. Bu talablarning barchasiga mos kelish uchun LTE tizimlarida AU ham TA zonasiga, ham RA zonasiga bog‘langan bo‘lishligi belgilangan. Shu yo‘sinda AU o‘zining TA yoki RA zonalariga mos sotalar qamrovida bo‘lganida (bu sota tomonidan tarmoqqa zona identifikatorlari yuborilishi asosida aniqlanadi) TAU yoki RAU jarayonlarida hojat bo‘lmaydi. AU ga yo‘naltirilgan yangi trafik kelib tushganda, unga (AU ga) ikkala texnologiyadaxam peydjing yuboriladi va uning javobi qaysi radioulanish texnologiyasi asosida qaytishiga qarab, trafik ma’lumotlari shu texnologiyada yuboriladi.
Ta’kidlab o‘tish lozimki, turli texnologiyalar asosidagi tarmoqlarda peydjingni bir vaqtning o‘zida yuborish mexanizmi boshqa ishlab chiqaruvchilar tomonidan standartlashtirilgan radioulanish texnologiyalarida (3GPP-2 va IEEE kabi) ishlamaydi. Shuning uchun AU mobilligini ta’minlash maqsadida uning LTE tarmoqlari va 3GPP oilasiga mansub bo‘lmagan texnologiyalar orasida harakatlanishida tizim radioulanish texnologiyasining o‘zgargani hakida xabar oladi.
3GPP loyihasi LTE tarmoqlari ichidagi «xendover» jarayonlarida ma’lumotlar buferini qayta yo‘naltirish mexanizmini ishlatishga qaror qildi. Bunda «uy» eNB trafikning turiga qarab uni qayta yo‘naltirish bo‘yicha o‘zi qaror qabul qilishi mumkin. Misol uchun, agar trafik real vaqt masshtabida bo‘lmasa, qayta yo‘naltirishda ma’no bor, aks holda – bundan ma’no yo‘q (3.6 - rasm).

3.6-rasm. LTE tarmog‘ida «xendover» jarayoni

Shu bilan birga 3GPP loyihasi doirasida RLC kontekstini to‘liq o‘tkazish kerakmi yoki har bir «xendover» jarayonidan so‘ng uni yangilash kerakmi, degan munozaralar o‘tgan. Ko‘pchilikni fikricha, «xendover» paytida RLC konteksti yangilanishi kerak, chunki kontekstni o‘tkazish o‘ziga yarasha qiyinchiliklar bilan bog‘liq. Lekin RLC konteksti yangilanganida AUga to‘liq uzatilmagan xizmat ma’lumotlar bloklari - SDU (ing. Service Data Units) qayta yuborilishi kerak bo‘ladi, bu esa radiointerfeys resurslarini samarasiz ishlatilishiga olib keladi. Shuningdek, RLC konteksti har bir «xendover»da yangilanishi bilan bog‘liq boshqa bir muammo ham vujudga keladi: mehmon eNB ga buferning birinchi tasdiqlanmagan SDU blokidan boshlab barcha ma’lumotlari uzatilishi kerakmi, yoki faqat tasdiqlanmagan SDU bloklarni o‘zlari xolosmi. 3GPP loyihasi «xendover» paytida faqatgina tasdiqlanmagan “pastga” yo‘naltirilgan SDU bloklari mehmon eNB ga uzatilishini qaror qildi. AU da paketlarni tartibga keltirish va ularni yuqoriroq darajalarga uzatilishida tartibni saqlash uchun PDCP protokolidagi paketlarning tartib numeratsiyasi mehmon eNB da xam davom etishi belgilangan. AU ga yo‘naltirilgan bufer va kontekst ma’lumotlar eNB tugunlari orasida bevosita yangi X2 interfeysi orqali S-GW shlyuzining ishtirokisiz o‘tkaziladi.
3.2. LTE tizimining radiointerfeysini tashkil etilishi

LTE tizimlari funksionalligiga qo‘yilgan talablarni xamda abonentlar xarajatlarini kamaytirish va ularga mo‘ljallangan xizmatlar tarkibini va sifatini yaxshilash, shuningdek operatorlarning ekspluatatsion sarflarini kamaytirish bo‘yicha talablarni hisobga olgan xolda LTE tizimi radiointerfeysini tashkil etishni asosiy prinsiplari quyidagilardan iborat:

• 1 bit axborotni uzatishga taqsimlangan tarmoq ekspluatatsiyasi qiymatini tushirish;

  
  

• abonentlar talab qilgan xizmatlar sonini ko‘paytirish;

  
  

• mavjud va yangi chastota diapazonlaridan foydalanishni moslashuvchanligini oshirish;

  
  

• tarmoq arxitekturasini soddalashtirish, tarmoq interfeyslarini unifikatsiyalash va ortiqcha funksiyalarni qisqartirish;

  
  

• abonent uskunalari tomondan batareya quvvatini tejamliroq ishlatish.

  
  

Bu prinsiplarni ishlatish uchun LTE tizim interfeysida qator istiqbolli echimlar, aynan OFDM va MIMO texnologiyalarining ishlatilishi, shuningdek, FDD va TDD duplekslash rejimlaridan foydalanish qo‘llanilgan.

Yuqoriroq operatsion moslashuvchanlikni ta’minlash uchun, urovnya E-UTRA fizik darajasining spetsifikatsiyalari o‘tkazish polosalariga mustaxkam biriktirilmagan va 20MGs li maksimal polosada ishlashga mo‘ljallangan.
eNB - tayanch stansiya (TS) va abonent uskunasi (AU) orasida almashuv jarayoni davriy ravishda takrorlanadigan kadrlar (LTE terminologiyasida “radiokadrlar”) asosida amalga oshadi [31]. Radiokadrlarning uzunligi 10ms ni tashkil etadi. O‘z navbatida, radiokadrlar 0,5ms uzunlikdagi vaqt kesimchalari – slot (ingl. time slot - vaqt orlig‘i, qisqartirilganda - slot) lardan tashkil topgan. LTE spetsifikatsiyasidagi barcha vaqt parametrlari Ts = 1/(2048*Δf) = 0,32552mks minimal vaqt birligiga bog‘langan bo‘lib, u Fur’e tezkor o‘zgartirish usuli uchun maksimal mumkin bo‘lgan nimeltuvchilar soniga (20MGs li polosada 2048 ta bo‘ladi) va LTE standartida 15kGs qilib o‘rnatilgan nimeltuvchi chastotalar kengligi (Δf) ga bog‘liq bo‘ladi. Radiokadrning uzunligi 307200Ts ni tashkil etishini hisoblash qiyin emas. Ts - vaqt birligi esa, o‘z navbatida, 3G tizimlaridagi (W-CDMA tizimlarining 5MGs li kanalarida) standart 3,84MGs takt chastotasiga karrali bo‘lgan 30,72MGs takt chastotasiga mos keladi (8*3,84MGs = 30,72MGs). Aynan shu takt chastotalarining karraliligi LTE tarmoqlarining UMTS va GSM tarmoqlari bilan o‘zaro “yumshoq” ishlash imkonini beradi.
LTE standartida chastotaviy (FDD) va vaqtli (TDD) duplekslash uchun radiokadrlarning har xil turlari ko‘zda tutilgan.
FDD uchun radiokadr ham to‘liq dupleks, ham yarim dupleks rejimlari uchun ishlatilishi mumkin. Bunday kadr 0 dan 19 gacha raqamlangan 20 ta slotdan iborat. Ikkita yonma-yon turgan slotlar subkadrni tashkil etadi.

19.7-rasm. LTE radiokadrining FDD rejimi uchun tuzilishi

To‘liq dupleksli rejimda radiokadrlar “pastga” va “yuqoriga” kanallarda parallel ravishda, lekin standartda ko‘rsatilgan vaqt surilishi bilan uzatiladi. Bu rejim trafik katta bo‘lgan xollarda qulayroq va samaraliroqdir, ammo AU da yuqori sifatli (ya’ni, qimmat) dupleks filtrlari bo‘lishini talab qiladi. Amaliyotda AU xar doim xam katta trafik bilan ishlamaydi va shuning uchun LTE standartida yarim dupleksli rejim ishlatilishi xam ko‘zda tutilgan.
3.3. LTE modelni Matlab dasturida natijalar tahlili

clear all; clf

sel_ant=2; % Tanlash uchun antennalar soni
sel_method=0; % 0/1 borgan sari/kamaygan tartibli tanlov uchun
NT=4; NR=4; % Qabul qilish/uzatuvchi antennalar soni
I=eye(NR,NR); sq2=sqrt(2);
SNRdBs = [0:10]; MaxIter=1000;
for i_SNR=1:length(SNRdBs)
SNRdB = SNRdBs(i_SNR);
SNR_sel_ant = 10^(SNRdB/10)/sel_ant;
rand('seed',1); randn('seed',1); cum = 0;
for i=1:MaxIter
if sel_method==0
sel_ant_indices=[]; rem_ant_indices=[1:NT];
else
sel_ant_indices=[1:NT]; del_ant_indices=[];
end
H = (randn(NR,NT)+j*randn(NR,NT))/sq2;
if sel_method==0 %tobora ortib borayotgan tartibli tanlash usuli
for current_sel_ant_number=1:sel_ant
clear log_SH;
for n=1:length(rem_ant_indices)
Hn = H(:,[sel_ant_indices rem_ant_indices(n)]);
log_SH(n) = log2(real(det(I+SNR_sel_ant*Hn*Hn')));
end
maximum_capacity = max(log_SH);
selected = find(log_SH==maximum_capacity);
sel_ant_index = rem_ant_indices(selected);
rem_ant_indices = [rem_ant_indices(1:selected-1) rem_ant_indices(selected+1:end)];
sel_ant_indices = [sel_ant_indices sel_ant_index];
end
else %kamayuvchi tartibli tanlash usuli
for current_del_ant_number=1:NT-sel_ant
clear log_SH;
for n=1:length(sel_ant_indices)
Hn = H(:,[sel_ant_indices(1:n-1) sel_ant_indices(n+1:end)]);
log_SH(n) = log2(real(det(I+SNR_sel_ant*Hn*Hn')));
end
maximum_capacity = max(log_SH);
selected = find(log_SH==maximum_capacity);
sel_ant_indices = [sel_ant_indices(1:selected-1) sel_ant_indices(selected+1:end)];
end
end
cum = cum + maximum_capacity;
end
sel_capacity(i_SNR) = cum/MaxIter;
end
plot(SNRdBs,sel_capacity,'-ko', 'LineWidth',2); hold on;
xlabel('SNR[dB]'), ylabel('bps/Hz'), grid on;
title('Optimal ravishda tanlangan antennalarning sigimi')
Dastur algoritmi

3.4-rasm. dastur algoritmining tuzilishi

3 .5 va 3.6-rasmlarda OFDM asosiy ko’rinishining dastur natijalari keltirilgan.

3.5 –rasm. OFDM asosiy ko’rinishining dastur natijalari

3.6-rasmlarda OFDM asosiy ko’rinishining dastur natijalari