Long Term Evolution (Advanced) - LTE(-A)
Fyzická vrstva LTE/LTE-A

Komunikace na fyzické vrstvě u technologie LTE(-A) se od UMTS výrazně liší. V LTE i v LTE-A je ve směru k uživateli použit přístup OFDMA a ve směru od uživatele pak SC-FDMA. Navíc je pro LTE/LTE-A definováno větší spektrum frekvenčních pásem. V současné době je to 25 frekvenčních pásem (17 párových pro FDD a 8 nepárových pro TDD). Mezi pásma určená pro přenos dat pomocí LTE/LTE-A patří například pásma v okolí 2 a 2,6 GHz, 3,5 GHz nebo i pásma pod 1 GHz (700 – 900 MHz).

Přístupová multiplexní metoda OFDMA vychází z metody OFDM, která reprezentuje přenos na více nosných a kombinuje časový (TDMA) a frekvenční (FDMA) přístupový multiplex (jak je ukázáno na následujícím obrázku). Celé frekvenční pásmo je rozděleno do velkého množství subnosných. Jednotlivé subnosné jsou od sebe poměrně málo vzdáleny, čímž je dosaženo velkého počtu těchto subnosných v rámci pásma. Aby bylo možné subnosné umístit blízko sebe, tak musí být modulovány tím způsobem, aby spektrum signálu bylo na jednotlivých subnosných ortogonální. To znamená, že maximum spektra na jedné subnosné se překrývá s minimy spektra ostatních subnosných. Každá subnosná je dále dělena mezi uživatele ještě v časové oblasti. To znamená, že každý uživatel má přiřazen časový interval, ve kterém je mu umožněno na dané subnosné přenášet data. Ve výsledku je pak tedy celé pásmo rozděleno jak v časové tak i ve frekvenční oblasti mezi více uživatelů. Každý časový interval na jednotlivých subnosných je označován jako symbol OFDM, který obsahuje modulovaná data, přičemž modulace každého symbolu může být vždy jiná (podporovány jsou modulace QPSK, 16-QAM a 64-QAM). Aby nedocházelo k rušení mezi sousedními symboly tím, že by docházelo k jejich překryvu v časové oblasti, je vždy několik posledních vzorků symbolu zkopírováno na začátek symbolu jako tzv. cyklická předpona (anglicky cyclic prefix).

V LTE/LTE-A jsou jako přenosové prostředky na fyzické vrstvě označovány jednotlivé OFDMA symboly.

Přidělování přenosových prostředků v LTE/LTE-A prostřednictvím OFDMA

Nevýhodou OFDMA přístupu je výrazný rozdíl mezi energií alokovanou na jednotlivé subnosné, protože data od uživatelů jsou modulována po jednotlivých symbolech a mezi jednotlivými symboly není žádná spojitost. To může vést k tomu, že na jednu subnosnou je alokováno velké množství energie a na jinou velmi malé množství. Pak dochází k častému střídání vysoké a nízké úrovně vysílané energie (parametr, který definuje poměr mezi maximem a střední hodnotu se nazývá PAPR (Peak to Average Power Ratio)). Při vysokých hodnotách parametru PAPR, jako je tomu v případě OFDMA, dochází k vysoké spotřebě energie, což je nežádoucí zejména na straně mobilních uživatelských zařízení. Tento problém může být omezen použitím SC-FDMA. V případě SC-FDMA jsou jednotlivé symboly navzájem závislé. To znamená, že při modulování každého symbolu jsou zohledněna i data modulovaná v okolních symbolech. Přesněji, všechna data vysílaná v rámci jednoho časového intervalu jsou modulována jako lineární kombinace všech symbolů v daném časovém intervalu. Tímto způsobem je zajištěn pozvolnější přechod úrovně vysílané energie, čímž je snížen PAPR a zároveň i spotřeba na straně uživatelského terminálu.

Stejně jako v UMTS, i LTE/LTE-A podporuje jak TDD, tak i FDD duplex pro přenos dat. Z toho důvodu jsou definovány dva typy rámce, Typ 1 a Typ 2. První typ je určen pro přenos dat pomocí plného nebo polovičního duplexu FDD, zatímco Typ 2 je určen pro TDD. V obou případech jsou data přenášena na fyzické vrstvě v rámci o délce 10 ms. Každý rámec je rozdělen na deset stejně dlouhých podrámců a každý podrámec je poté ještě rozdělen na dva sloty s délkou trvání 0,5 ms. Sloty se skládají z přenosových elementů (resource elements), které jsou seskupeny do tzv. přenosových bloků (resource blocks). Počet elementů v jednom bloku je dán součinem počtu subnosných a počtu symbolů. Počet symbolů závisí na délce cyklické předpony a může nabývat hodnoty šest (pro prodlouženou cyklickou předponu) nebo sedm (pro normální předponu). Šířka jednoho bloku ve frekvenční oblasti je 180 kHz. Jelikož jsou subnosné od sebe vzdáleny 15 kHz je jich v jednom bloku sdruženo 12.

Stejně jako v HSDPA je pro přenos dat využito adaptivní modulace a kódování. To znamená, že aktuální modulační a kódové schéma (MCS - Modulation and Coding Scheme) je vybráno na základě kvality signálu měřené na straně přijímače. Proto je i počet bitů přenášených v jednom elementu závislý na úrovni přijímaného signálu.

Struktura rámce LTE-A pro TDD a FDD

V případě frekvenčního dělení je vyhrazeno oddělené frekvenční pásmo pro sestupný i vzestupný směr přenosu dat. V obou směrech pak může být současně využito všech deset subrámců pro každý z přenosových směrů.

Naopak, v případě TDD je stejné frekvenční pásmo sdíleno jak pro sestupný tak pro vzestupný směr. V tomto případě je tedy deset subrámců rozděleno mezi oba směry. Poměr v jakém jsou subrámce přiděleny pro sestupný a vzestupný směr se pohybuje mezi 2:3 až do 9:1 a jsou definovány tzv. konfigurací DL-UL. Obecně může být každý ze subrámců vyhrazen sestupnému (v tabulce označen jako D) nebo vzestupnému (U) směru nebo jejich kombinaci v takzvaném speciálním subrámci (S). První a šestý subrámec jsou vždy přiřazeny sestupnému směru. Druhý subrámec je naopak vždy vyhrazen pro speciální subrámec a třetí je vždy pro vzestupný směr. V závislosti na délce přepínací periody mezi vzestupným a sestupným směrem je pak subrámec číslo šest (sedmý subrámec) vyhrazen pro sestupný směr (pro přepínací periodu 10 ms) nebo speciálnímu subrámci (5 ms). Obsah ostatních subrámců je definován pro různé DL-UL konfigurace podle tabulky.

Přiřazení subrámců podle DL-UL konfigurace pro TDD
DL-UL konfigurace | Přepínací perioda [ms] | Číslo subrámce
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
0 | 5 | D | S | U | U | U | D | S | U | U | U
1 | 5 | D | S | U | U | D | D | S | U | U | D
2 | 5 | D | S | U | D | D | D | S | U | D | D
3 | 10 | D | S | U | U | U | D | D | D | D | D
4 | 10 | D | S | U | U | D | D | D | D | D | D
5 | 10 | D | S | U | D | D | D | D | D | D | D
6 | 5 | D | S | U | U | U | D | S | U | U | D

Speciální subrámec se skládá ze tří částí: přenos v sestupném směru (Downlink Pilot Time Slot - DwPTS), ochranný interval (Guard Period - GP) a přenos v vzestupném směru (Uplink Pilot Time Slot - UpPTS). Část DwPTS je zpravidla využívána pro přenos dat stejně jako v subrámci D, pouze s omezenou délkou. Její délka se pohybuje mezi třemi a dvanácti symboly podle konfigurace S subrámce. Část UpPTS není narozdíl od DwPTS určena pro přenos uživatelských dat, ale je využívána pro přenos řídících kanálů. Její rozsah je jeden až dva symboly. Ochranný interval GP je umístěn mezi oběma částmi pro přenos a slouží k přepnutí antény z vysílacího do přijímacího módu a naopak. Proto v této části nemohou být přenášena žádná uživatelská data. Doba trvání GP je úměrná velikosti buňky, protože je odvozena od doby šíření signálu mezi nejvzdálenějším uživatelem a základnovou stanicí. To znamená, že pro větší poloměr buňky musí být pro GP vyhrazen větší počet symbolů.