مروری بر شبکه‌های تحول طولانی مدت (LTE)

چکیده :

در سال‌های اخیر با افزایش نیاز به تحرک در انجام کارها و در نتیجه افزایش تعداد کاربران شبکه‌های بی‌سیم، تحقیقات زیادی در زمینه ارائه سرویس‌های مطمئن و با سرعت بالا در این شبکه‌ها صورت گرفته است. نتایج این تحقیقات در قالب استانداردهایی مانند وایمکس و LTE مورد استفاده قرار گرفته‌اند. یکی از استانداردهای معروف ،LTE یا تحول طولانی مدت است که پایه LTE پیشرفته، استاندارد تایید شده برای نسل چهارم شبکه‌های کامپیوتری، است. در این مقاله شرح مختصری از تاریخچه ارتباطات سلولی تا رسیدن به نسل چهارم ، استانداردها و سیر تکاملی این شبکه ها بیان می شود و در ادامه معماری شبکه LTE و رابط هوایی بررسی می شود.
کلمات کلیدی: شبکه‌های کامپیوتری، تحول طولانی مدت، نسل چهارم، OFDM

1- مقدمه

با توجه به دنیای ارتباطی که با آن مواجه هستیم، یکی از دغدغه‌های بزرگ توسعه دهندگان تلفن همراه، موضوع انتقال اطلاعات در این حوزه می‌باشد. بطوریکه هر روز سرعتهای بیشتری برای انتقال اطلاعات درنظر گرفته می‌شود و بسترهای لازم برای این موضوع در حال ایجاد و توسعه است و روند حرکت شبکه و خدمات ارتباطی و فناوری اطلاعات به سمت استفاده از سرعت های بالا می باشد. بنابراین همه به سوی انتقال بسیار سریع اطلاعات، خصوصاً در اینترنت حرکت می‌کنند. درنتیجه شبکه موبایل به زودی یکی از ساده‌ترین روش‌های دسترسی به اینترنت خواهد بود و تلاش طراحان و استاندارد سازان آنها هم کاملاً به این سمت معطوف شده است. در نسلهای آتی نه فقط سرعت بیشتر خواهد شد بلکه شبکه موبایل، بیشتر و بیشتر به سمت پیوند با اینترنت (بعنوان یک شبکه مبتنی برIP ) خواهد رفت [1].
بر این اساس در حال حاضر رشد شبکه های سلولار که ارائه کننده سرویس ها و کاربردهای موبایل در دنیا هستند، با سرعت زیادی درحال افزایش است. بطوریکه در حال حاضر در اکثر کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه، شبکه های موبایل مبتنی بر فناوری های نسل سوم ونسلهای بالاتر از آن مثل شبکه های HSPA(2) و LTE(3) پیاده سازی شده و خدمات ارتباطی خود را به مشترکین ارائه می نمایند و در مسیر انتقال اطلاعات با سرعت بالا گام بر می دارند. در سالهای اخیر شبکه های موبایل در دنیا از رشد چشمگیری برخوردار بوده اند و فضای رقابتی ایجاد شده در این بازار منجر به این شده است که اپراتورها بدنبال ارائه سرویس ها وکاربردهای متنوعی در این بازار باشند. از طرفی ایده شبکه های نسل آینده با هدف ارائه سرویس های چندرسانه ای در هر زمان و هرمکان و هرنوع دسترسی، در یک بستر مبتنی برفناوریهای بسته ای(4) با ایجاد قابلیت تحرک پذیریِ(5) کامل در شبکه های مخابراتی مطرح و به شدت از سمت فراهم کنندگان شبکه و فراهم کنندگان سرویس درحال پیگیری است. بر این اساس شبکه های موبایل نسل آینده یا شبکه های موبایل نسل چهارم (6)4G) ) مبتنی بر فناوریهای جدید با عنوان IMT-Advanced(7) ، هدف آتی شبکه های مخابراتی است. این موضوع در حال حاضر از سمت اپراتورها و تولیدکنندگان در حال پیگیری و انجام است و مراحل استاندارد سازی آن در مراجع استاندارد سازی مثل ITU-R (8) و 3GPP (9) درحال پیگیری و انجام است و باندهای فرکانسی مورد نیاز برای این شبکه ها یکی از مباحث اصلی در کنفرانس ها می باشد. در شبکه های موبایل نسل چهارم، رسیدن به نرخ بیتهای بالا تا 1Gbps با قابلیت تحرک پذیری کامل مورد نظر می باشد [2].

1-1 تاریخچه

نسل چهارم یا 4G واژه‌ای است که برای توصیف شبکه‌های بی‌سیمِ تکامل یافته یا ماورای نسل سوم، استفاده می‌شود و می‌توان گفت نام تجاری آن در3GPP بصورت LTE است. 4G بعنوان نسل چهارم از ارتباطاتِ سیار شناخته شده و LTE یک تکنولوژی ویژه 3GPP برای شبکه های باندِ پهنِ تلفن همراه است. دوره های مختلف ارتباطات سیار به نسل های گوناکونی مانند 1G، 2G، 3G و 4G طبقه بندی شده است که در هر نسل تعدادی از فناوریها مانند LTE معرفی شده است. ITU (اتحادیه بین المللی مخابرات) به LTE پیشرفته بعنوان استاندارد 4G واقعی نگاه می کند و آنرا بعنوان یک استاندارد 4G می پذیرد. در ابتدا ITU شش نامزد استانداردهای باندِ پهنِ تلفن همراه را برای استاندارد 4G انتخاب کرد و به بررسی آنها پرداخت. در نهایت در پایان سال 2010 از سوی اتحادیه بین المللی مخابرات، دو فناوری پیشرفتهLTE-Advanced و WireLessMAN-Advanced بعنوان استانداردهای IMT-Advanced انتخاب شدند. اگرچه LTE پیشرفته بعنوان استاندارد 4G در نظر گرفته شده است، اما ITU مجاز به استفاده ازHSPA+ ، WiMax و LTE بعنوان تکنولوژی های نسل چهار می باشد [3].
LTE با انتشار3GPP در ماه مارس سال 2008 آغاز شد و بیشتر در نسخه های 9، 10، 11 و 12 تکامل یافته است. کارایی طیفی بالا، یکی از ویژگیهای کلیدی LTE است که با استفاده از تکنولوژی رادیویی بر مبنای OFDM(10) ومدولاسیون 64-QAM(11) بدست آمده است. استفاده ازتکنیک های آنتنMIMO(12) (ورودی چندگانه - خروجی چندگانه)، نکته کلیدی دیگری برای بهبود کارایی طیفی LTE است که باید قادر باشد مسیر Downlink را با سرعت 300Mbps و مسیر Uplink را با 75Mbps که بعنوان مشخصات در 3GPP آمده است، پشتیبانی کند(شکل 1). ITU به تکنولوژی های IMT-Advanced بعنوان استاندارد 4G واقعی فکر می کند. همانطورکه در تعریف رسمی آمده است، IMT-Advanced باید در محیط های ثابت دارای سرعت اوج دانلود 1Gbps و در محیطهای تلفن همراه ، دارای سرعت اوج دانلود 100Mbps باشد. قابلیتهای مورد نظر در شبکه های موبایل نسل چهارم در توصیه نامه ITU-R M.1645 آورده شده است .
یکی از کنسرسیومهای بزرگی که در حال کار بر روی این انقلاب فناوری است "شرکت اریکسون" است که ارزیابی های تحلیلگران آن نشان می دهد که تا سال 2015 در حدود 5 میلیارد نفر در تمام دنیا به شبکه نسل چهارم متصل خواهند شد. درحال حاضر شبکه LTE در کشورهای اتریش، دانمارک، استونی، فنلاند، آلمان، هنگ کنگ، ژاپن، لیتوانی، نروژ، فیلیپین، لهستان، سوئد، آمریکا، ژاپن و ازبکستان ارائه می شود. اتحادیه اروپا نیز اعلام کرده که با سرمایه گذاری برای توسعه فناوری جدید نسل چهارم موبایل، قصد دارد گامی بلند به سوی توسعه این فناوریِ تکامل یافته بردارد[4].

2- سرویس ها و کاربردهای LTE

یکی از کاربردهای تمام شبکه های تلفن همراه، خصوصیت برقراری ارتباط تلفنی آنها می باشد. نسل دوم موبایل علاوه بر برقراری ارتباط تلفنی، دارای سرویسهای دیتا، فکس و انتقال پیامهای کوتاه می باشند. بیشترین نرخ ارسال دیتا در سیستم های نسل دوم بیش از 9.6Kbps نمی باشد که این سرعت جوابگوی سرویسهای مالتی مدیا و دوطرفه که حداقل باید دارای سرعت چند صد کیلو بیت بر ثانیه یا حتی بیشتر درحد چند هزار کیلو بیت بر ثانیه باشند، نیست. سیستم UMTS(13) که استاندارد اروپایی شبکه های نسل سوم (3G) می باشد با ارائه دیتا با نرخ متغیر بر روی مسیر رادیویی، مشکل سیستم های نسل دوم در ارائه دیتا با سرعت بالا را حل کرد و باعث شد مشترکین بتوانند طیف وسیعی از سرویس های صوت و دیتا را بر روی مسیر رادیویی و با یک فناوری بنام (14)WCDMA انتقال دهند. در نسل سوم، هسته شبکه(15) با نسلهای قبلی فرقی نداشته و همچنان مبتنی برسوییچ مداری(16) می باشد. نسل چهارم، از یک راه حل جامع بر مبنایIP برای انتقال صدا، تصویر و داده استفاده می‌کند و بر پایه اصل "هرجا و هر زمان" داده‌ها را با سرعتی بسیار بالاتر از نسلهای قبل، در اختیار کاربران قرار می‌دهد که LTE یک تکنولوژی ویژه 3GPP برای شبکه های باندِ پهنِ تلفن همراه است. از لحاظ تکنیکی در نگاه ساده سرعت uplink و downlink در 4G نسبت به نسلهای قبل، بسیار بالاتر است. البته جدای از نرخ داده بالا، تأخیر کمتر در ارسال بسته‌های اطلاعات که منجر به کیفیت فوق العاده VoIP(17) ، ویدئو کنفرانس و سرویسهای همزمان می شود، از دیگر مزایای 4G می باشد. مهمترین ویژگی برجسته 4G این است که تمامی زیرساخت آن براساسIP است. بعبارت بهتر، بخش هسته شبکه کاملاً همگام با پروتکلهای TCP/IP است و از سیگنالینگ معمولی که در شبکه‌های قدیمی‌تر بخصوصGSM(18) استفاده می‌شد، خبری نیست. نرخ انتقال داده در این شبکه ها بسیار بالا و تأخیر در ارسال اطلاعات بسیار پایین تر است. در شبکه نسل سومِ پیشرفته یا HSPA ، تأخیر در حدود 40 تا 50 میلی‌ثانیه است که در LTE به حدود 10 میلی‌ثانیه کاهش می‌یابد. یکی از تفاوتهای نسل چهارم با نسل سوم این است که در نسل چهارم، هسته شبکه با سوییچ های جدید که مبتنی بر پکت هستند جایگرین می شوند و کل شبکه بر مبنایIP خواهد بود. LTE کاربردهای گسترده ای را همراه با کیفیت سرویس(19) متفاوت، مطابق جدول1 پشتیبانی می کند [5].
نرخ بیتهای بالاتر، طبیعتاً سرویس های جدیدی همچون تلفن تصویری و دریافت سریع اطلاعات از اینترنت را امکان پذیر می سازد. بسیار سخت است که شبکه ای طراحی شود که از لحاظ قیمت، طیف فرکانسی استفاده شده و سرعت انتقال اطلاعات بهینه باشد. ادامه کار لینک های رادیویی با سرعت بالا به شرایطی همچون پوشش مطلوب شبکه و میزان تحرک کاربران بستگی دارد. به همین دلیل سرعت های انتقال متفاوت در استاندارد تعریف شده که توسط تمام مؤسسات دست اندرکار پذیرفته شده است. البته باید توجه کرد که این سرعت ها، ماکزیمم سرعت انتقال می باشند و یک کاربر نوعی نمی تواند در چنین سرعتی بطور مداوم ارتباط داشته باشد.

3- تخصیص فرکانس برای LTE

مشابه با هر شبکه مخابراتی موبایل، شبکه های LTE احتیاج به استفاده از طیف فرکانسی دارند. بخاطر نرخ بالای ارسال در این سیستم ها، پهنای باند لازم برای شبکه نسل چهارم تجاری بزرگ است. واسط رادیویی در این سیستم از دو روش(20) کاری(21)FDD وTDD(22) پشتیبانی می کند. در روشFDD ، از فرکانسهای موج حامل مجزا در مسیر UL(23) و DL(24) استفاده می شود درصورتیکه در TDD فقط از یک موج حامل بصورت تقسیم زمانی بین مسیر UL و DL استفاده می شود. در روشFDD از دو باند فرکانسی متفاوت استفاده می شود که با این روش این امکان فراهم می شود که فاصله موبایل از ایستگاه پایه زیادتر شود و از آن برای شبکه های عمومی با پوشش سرتاسر شبکه استفاده می شود. روش TDD تنها برای فواصل کوتاه بین موبایل و ایستگاه پایه استفاده می شود ولی در این روش می توان به سرعتهای انتقال داده بیشتری دست یافت و قابلیت انعطاف آن برای ترافیک های نامتقارن مثل اینترنت بیشتر است و از آن برای کاربردهای داخلی(25) استفاده می شود که ایستگاه پایه در نزدیکی کاربران قرار دارد. باندهای فرکانسی مورد استفاده برای FDD و TDD مطابق جداول2 و 3 می باشد.
در ایران نیز آماده سازی فضای فرکانسی برای استفاده شبکه‌های نسل چهارم موبایل از سوی رگولاتوری انجام می‌شود. در این راستا سازمان تنظیم مقررات و ارتباطات رادیویی به منظور تأمین فضای فرکانسی لازم برای استفاده از فناوری LTE ، اعلام کرده است که باندهای فرکانسی ۲۳۰۰ تا ۲۴۰۰ مگاهرتز و ۲۵۰۰ تا ۲۶۹۰ مگاهرتز (یعنی باندهای 7 و 40 در جداول2و 3 را تخلیه و آماده سازی می کند[6].

4- پروژه مشارکتی نسل سوم (3GPP)

برای تسریع در توسعه استانداردهای شبکه های نسل سوم، شرکتها و مؤسسات استاندارد، پروژه 3GPP را برای این منظور تعریف کردند که حاصل توافقنامه ای در4 دسامبر 1998 بود. طبق این توافقنامه، شرکتها توافق کردند که در تهیه مشخصات فنی سیستم های نسل سوم موبایل باهم همکاری کنند. شرکتهای تشکیلاتی عبارت بودند از: ARIB(26) ، CWTS(27) ، ETSI ، T1(28) ، TTA(29)، TTC(30) . شرکای تجاری عبارت بودند از انجمن GSM ، انجمن UMTS ، انجمن حمایت کنندگان جهانی موبایل(31) و کنسرسیوم جهانی مخابرات بیسیم(32). شرکای دیگری همچون کارخانجات، حمایت کنندگان و مؤسسات دست اندرکار نیز در این پروژه سهیم شدند و با توجه به تعداد زیاد اعضا ، منطقی بود که تمام مؤسسات استاندارد در جهان، مشخصاتی را که توسط 3GPP بدست می آمد را قبول خواهند کرد. 3GPP در ادامه کار خود، هم اکنون به استانداردهای LTE و LTE-Advanced رسیده و آنها را توسعه داده است. البته 3GPP مستقیماً طرح ها را به ITU تسلیم نمی کند، بلکه با توجه به قوانین موجود، مشخصات فنی را به اعضا می دهد و این اعضا هستند که می توانند این مشخصات رابهITU تسلیم کنند. در 3GPP چهار گروه مشخصات فنی مختلف (33)TSG) به شرح زیرتعریف شد: گروه شبکه دسترسی رادیویی، گروه هسته شبکه، گروه ویژگیهای سیستم و سرویس، گروه ترمینال ها [7].

5- معماری شبکه LTE

سیستم نسل سوم (34)UMTS)( مشابه معماری مشهور سیستم های نسل دوم وحتی مشابه بعضی از سیستم های نسل اول بود. سیستم UMTS شامل تعدادی عناصر منطقی شبکه است که وظایف هرکدام از آنها کاملاً تعریف شده است. از نظر کاری عناصر شبکه به دو گروه دسته بندی می شوند:
- شبکه دسترسی رادیویی زمینی (35)UTRAN)) که مسؤول تمام وظایفی است که به محیط رادیویی مربوط میشود.
- هسته شبکه که مسؤول سوئیچینگ و مسیریابی مکالمات و اتصال دیتا به شبکه خارجی است.
- با تجهیزات مشترکین((36) UE) که کاربر را به واسط رادیویی متصل می کند، سیستم تکمیل می شود.
در مقایسه با نسل دوم از نقطه نظر مشخصات فنی و استانداردها، UE و UTRAN دارای پروتکل های کاملاً جدیدی هستند که طرح هریک براساس نیازهای تکنولوژی (37)WCDMA است. برخلاف شبکه دسترسی رادیویی، هسته شبکه UMTS با شبکه GSM سازگار بوده و در این بخش کاملاً مشابه هستند (شکل 2).
در معماری سیستم تکامل یافته که توسط 3GPP استاندارد شده در مقایسه با سیستم های نسل دوم و سوم، کارایی سطح دیتا افزایش یافته و تعداد نودها کاهش یافته است. به منظور کاهش تأخیر ترافیک دیتا بین نودها ، نودهای میانی مانند RNC(38) که کنترل کننده شبکه رادیویی بوده ، همچنین (39)SGSN و GGSN(40) که گذرگاه های عبور ترافیک دیتا می باشند حذف شده و بجای آنها گذرگاه SAE(41) جایگزین شده است.
درSAE وظایف کنترل مرکزیِ RNC بین نودهای پیشرفتهB (eNodeB) و نهاد مدیریت حرکت (42)(MME) توزیع شده است. همچنین eNB ها از طریق یک اینترفیس منطقیِ بین نودیِ جدید بنام X2 می توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. بنابراین eNB نسبت به یک نودB (NodeB) در نسل سوم دارای وظایف کنترلی بیشتری می باشد. اینترفیس S1 نیز یک اینترفیس چندگانه بوده که تعدادی از eNB ها را به تعدادی از MME ها و گذرگاه ها متصل می کند (شکل3 ).
در LTE شبکه دسترسی رادیویی با نام UTRAN پیشرفته یا E-UTRAN(43) نامگذاری شده و هسته شبکه نیز با هسته شبکه نسل سوم کاملاً متفاوت می باشد. بعبارت بهتر، هسته شبکه مبتنی بر سوییچ بسته ای(44) می باشد و تمامی زیرساخت آن براساسIP است. یعنی بخش هسته شبکه کاملاً همگام با پروتکلهای TCP/IP است و از سیگنالینگ معمولی که در شبکه‌های قدیمی‌تر بخصوصGSM استفاده می‌شد، خبری نیست. از آنجا که یک شبکه LTE/SAE کاملاً مبتنی برIP می باشد، تأخیرهایی را که در سیستم های قبلی بدلیل تبدیل نرخ بیت و کدینگ(45) وجود داشت را نخواهیم داشت [8].

6- اینترفیس هوایی در LTE

لایه فیزیکی LTE (46)PHY))رابطی با کارایی بالا برای انتقال دیتا و اطلاعات کنترلی بین eNB و تجهیزات کاربر موبایل(UE) می باشد. لایه فیزیکی بعضی از تکنولوژی های پیشرفته را بکار می گیرد که برای کاربردهای سلولی جدید است که شامل OFDM و انتقال دیتا بصورت MIMO می باشد. بعلاوه لایه فیزیکی در بخشDL از (47)OFDMA و در بخشUL از (48)SC-FDMA استفاده می کند. پهنای باند مورد استفاده در LTE PHY عبارت است از: 1.25 ، 2.5 ، 5 ، 10 و 20MHz .
گرچه OFDM یک تکنیک مدولاسیون معروف است ولی در کاربردهای سلولی نسبتاً جدید است که در این بخش، بحث مختصری از ویژگی های اصلی و مزایای این روش خواهیم داشت. هنگام انتقال اطلاعات از طریق یک کانال بی سیم، بدلیل پدیده چند مسیره (Multipath) سیگنال می تواند دستخوش تغییراتی واقع شود. بطور نوعی ولی نه همیشه، یک مسیر مستقیم بین فرستنده و گیرنده وجود دارد. بعلاوه همانطور که در شکل4 مشاهده می کنیم، مسیرهای زیاد دیگری نیز وجود دارند که بوسیله انعکاس سیگنال از ساختمانها، ماشینها وسایر موانع ایجاد می شوند. سیگنالهایی که از طریق این مسیرها به گیرنده می رسند، بسته به اینکه هر کدام چه مسافتی را طی کرده باشند با یک تأخیر زمانی به گیرنده می رسند.

7- مدولاسیون تک کاریر و تطبیق کانال

تاکنون سیستم های سلولی تقریباً بطور انحصاری از شیوه مدولاسیون تک کاریر استفاده کرده اند. اگرچه LTE بجای مدولاسیون تک کاریر، از OFDM استفاده می کند، ولی آشنایی با نحوه عمل این سیستم ها در برابر پدیده چند مسیره که منجر به اعوجاج کانال می شود، مفید است و این بعنوان یک نقطه مرجع برای مقایسه سیستم های OFDM خواهد بود. در سیستم های سلولی، تأخیر می تواند چندین میکروثانیه باشد. این اثر در شکل5 نشان داده شده که به آن تداخل بین سمبلی (49)ISI)) گفته می شود. در سیستم های تک کاریرِ مرسوم، هرچه نرخ دیتا افزایش می یابد زمانهای سمبل کاهش می یابد. بنابراین در نرخ دیتای خیلی زیاد ( و به همان نسبت پریودهای سمبل کوتاهتر) این احتمال وجود دارد که ISI از کل پریود یک سمبل بیشتر شده و روی سمبلهای دوم یا سوم بعدی قرار گیرد.
همچنین درنظر گرفتن پدیده چند مسیره در حوزه فرکانس نیز می تواند مفید باشد. هر انعکاس و طول مسیر مختلفی، باعث یک شیفت فاز مشخص در سیگنال خواهد شد. وقتی که تمام این سیگنالها در گیرنده با یکدیگر ترکیب می شوند، بعضی از فرکانسهایی که در باند گذر سیگنال قرار دارند با یکدیگر تداخل سازنده خواهند داشت درحالیکه بعضی دیگر با تداخل ویرانگر مواجه می شوند. بنابراین سیگنال ترکیبی دریافتی، در اثر فیدینگ فرکانس-گزین (Frequency Selective Fading) تخریب می شود.
سیستم های تک کاریر از همسان ساز حوزه زمان برای جبران اعوجاج کانال استفاده می کنند. بطورکلی اکولایزرهای حوزه زمان برای جبران پدیده چند مسیره از روش معکوس کانال استفاده می کنند. در این شیوه قبل از ارسال اطلاعات یک رشته معلوم از طریق کانال ارسال می شود. بدلیل اینکه سیگنال اصلی برای گیرنده نیز از قبل معلوم است، اکولایزر کانال قادر به تعیین پاسخ کانال می باشد. حالا اگر سیگنال دریافتی در معکوس پاسخ کانال ضرب شود، سیگنال اصلی بدست می آید. در این روش هرچه نرخ دیتا افزایش یابد، انجام اکولایزر کانال پیچیده تر خواهد شد. زمانهای سمبل ها کوتاه تر شده و کلاکهای گیرنده به همان نسبت باید سریعتر شوند. در LTE با نرخ بیتهای در حدود 100Mbps و تأخیرهای در حدود 17µsec ، این شیوه تطبیق کانال غیرعملی می شود. همانگونه که خواهیم دید، OFDM تداخلهای ISI را در حوزه زمان حذف می کند که باعث سادگی جبران کانال می شود [9].

7-1- OFDMA و ساختار نوعی فریم LTE

برخلاف سیستم های تک کاریر که در بخش قبل شرح داده شد، سیستم های ارتباطی OFDM برای رسیدن به نرخ دیتای بالاتر، نرخ سمبل ها را افزایش نمی دهند. این کار کنترل تداخل ISI را ساده تر می کند. سیستم های OFDM پهنای باند موجود را به تعداد زیادی زیرباند باریک ( یا زیرحاملsub-carrier ) تقسیم کرده و انتقال دیتا بصورت جریانهای موازی صورت می گیرد. هر زیرحامل با سطوح مختلفی از مدولاسیون QAM یعنی QPSK ، 16QAM ، 64QAM و شاید مرتبه بالاتر (بسته به کیفیت سیگنال) مدوله می شود. بنابراین هر سمبل OFDM یک ترکیب خطی از سیگنالهای همزمان، روی هر یک از زیرحامل ها در کانال خواهد بود. چون دیتا بصورت موازی منتقل می شود، سمبل های OFDM نسبت به سیستم های تک کاریر با نرخ دیتای یکسان، عموماً طولانی تر هستند. درواقع دو ویژگی قابل توجه در OFDM وجود دارد. اول اینکه در ابتدای هر سمبل OFDM یک پیشوند با نام (50)CP قرار داده می شود که بطور مؤثر تداخل ISI را حذف می کند. دوم اینکه زیرحامل ها طوری در کنار یکدیگر چیده می شوند که از پهنای باند موجود بصورت کارآمد استفاده شود، طوریکه بین زیرحامل ها تداخل نداشته باشیم ( (51)ICI).
OFDMA یک انتخاب عالی برای شیوه مالتی پلکس در مسیر DL برای LTE می باشد. گرچه این انتخاب پیچیدگی هایی را به همراه خواهد داشت، اما از لحاظ کارایی و تأخیر در سیستم های پکت-گرا بسیار عالی است. در OFDM بسته به نرخ دیتا، تعداد مشخصی از زیرحامل ها برای مدت زمانِ از پیش تعیین شده ای، به کاربران تخصیص داده می شود که در مشخصات LTE به آنها بلوکهای منابع فیزیکی (52)PRB) ) گفته می شود. بنابراین PRB ها دارای بعد زمان و فرکانس هستند. تخصیص PRB ها توسط ایستگاه پایه یا eNodeB انجام می شود. هر PRB که در LTE شامل 12 زیرحامل می باشد، با یک روش مدولاسیون مرسوم مدوله می شود (برای مثالQPSK ،16QAM یا 64QAM). پس از تبدیل سریال به موازی ، بلوک معکوسِ تبدیل فوریه سریع (IFFT) برای انتقال نمایش حوزه فرکانس سیگنالهای مدوله شده به نمایش حوزه زمان، استفاده می شود. برای اجتناب از تداخل ISI ، فرستنده پیشوند CP را اضافه می کند [10].
در سمت گیرنده همانطورکه در شکل7 نشان داده شده است، سیگنال توسط بلوک تبدیل فوریه سریع (FFT) از نمایش حوزه زمان به حوزه فرکانس برده می شود. بدلیل اضافه کردن و حذف CP به ترتیب در فرستنده و گیرنده، برخلاف WCDMA تداخل ISI مسأله مهمی نخواهد بود. از طرف دیگر، گیرنده باید اثر کانال بر روی فرکانسها را از لحاظ تغییر در دامنه و فاز جبران کند. بنابراین با تخمین پاسخ کانال و استفاده از اکولایزر، این اثر در حوزه فرکانس جبران می شود.
ساختار عمومی فریم نشان داده شده در شکل7، برای استفاده با FDD می باشد. ساختار فریم دیگری برای استفاده با TDD نیز تعریف می شود که در اینجا برای اختصار آنرا ذکر نمی کنیم. همانطورکه درشکل8 مشاهده می کنیم طول فریم های LTE ، 10msec می باشد. آنها به 10 زیرفریم تقسیم می شوند که طول هر زیرفریم 1msec می باشد. باز هر زیرفریم خود به دو اسلات یا شیار 0.5msec تقسیم می شود. هر اسلات نیز بسته به اینکه از CP نرمال یا توسعه یافته استفاده شده باشد، شامل 6 یا 7 سمبلِ OFDM می باشد [10].
تعداد کل زیرحامل های قابل دسترسی، بستگی به کل پهنای باند انتقال سیستم دارد. همانطورکه در جدول 4 می‌بینیم، مشخصات LTE پهنای باند سیستم را از 1.25MHz تا 20MHz تعریف می کند. یک PRB بعنوان 12 زیرحاملِ پشت سرهمِ یک اسلات (در بازه زمانی 0.5msec) تعریف می شود. PRB کوچکترین واحد تخصیص منابع می باشد که توسط ایستگاه پایه به کاربر اختصاص داده می شود.
توجه کنید که سیگنالهای مرجع روی هر 6 زیرحامل ارسال می شوند. پاسخ کانال روی زیرحامل هایی که سیگنالهای مرجع را حمل می کنند، مستقیماً محاسبه می شود و برای محاسبه پاسخ کانال روی زیرحامل های باقیمانده از روش درون یابی(53) استفاده می شود [10و11].

8- نتیجه گیری

در این مقاله یکی از استانداردهای شبکه‌های بی سیم نسل جدید یعنی LTE مورد مطالعه قرار گرفت. ابتدا سرویس‌ها و کاربردهای آن بیان شد، سپس به تخصیص فرکانس در آن مطالعه شد. معماری شبکه‌های LTE نیز شرح داده شد. اینترفیس هوایی در LTE مورد بررسی قرار گرفت که استفاده از MIMO از نکات مهم مورد استفاده دز این شبکه ها است. ساختار فریم در LTE و OFDMA در این استاندارد بیان شد که OFDMA تکنولوژی دسترسی به طیف در شبکه‌های چند کاربره است.

پي‌نوشت‌ها:

1-کارشناسی ارشد معماری کامپیوتر
2- High Speed Packet Access/
3- Long Term Evolution
4- Packet based
5- Mobility
6- Fourth Generation
7- International Mobile Telecommunications-Advanced
8- International Telecommunication Union
9- 3rd Partnership Project
10- Orthogonal Frequency Division Multiplexing
11- Quadrature Amplitude Modulation
12- Multiple Input Multiple Output
13- Universal Mobile Terrestrial System
14- Wideband Code Division Multiple Access
15- Core
16- Circuit Switched
17- Voice over IP
18- Global System for Mobile communications
19- Quality of Service
20- Mode
21- Frequency division duplexing
22- Time Division Duplexing
23- Uplink
24- Downlink
25- Indoor
26- Association of Radio Industries and Business - Japan
27- China Wireless Telecommunication Standard Group
28- Standardization committee T1-tele.-USA
29- Telecommunication Technology Association - Korea
30- Telecommunication Technology Committee - Japan
31- GSA - Global Mobile Supplier Association
32- UWCC - Universal Wireless Communications Consortium
33- Technical Specification Group
34- Universal Mobile Terrestrial System
35- Universal Terrestrial Radio Access Network
36- User Equipment
37- Wideband Code Division Multiple Access
38- Radio Network Controller
39- Serving GPRS Support Node
40- Gateway GPRS Support Node
41- System Architecture Evolution
42- Mobility Management Entity
43- Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network
44- Packet Switched
45- Transcoding
46- Physical layer
47- Orthogonal Frequency Division Multiple Access
48- Single Carrier - Frequency Division Multiple Access
49- Inter Symbol Interface
50- Cyclic Prefix
51- Inter-Cell Interference
52- Physical Resource Block
53- Interpolation

9- مراجع
[1] Meenkshi Hooda, ,Indu Anand, , Rajan Mishra, Monika Gupta, “Challenges in Deployement of 4G”, International Journal of Emerging Trends in Engineering and Development, Issue 3, Vol.1 (January 2013)
[2] Amitava Ghosh, Rapeerat Ratasuk, et al, “Lte-Advanced : Next Generation Wireless Broadband Technology”, EEE Wireless Communications , June 2010.
[3] Oh-Soon Shin, Salah Eddine Elayoubi,Yeon Kyoon Jeong, and Yoan Shin, “Advanced technologies for LTE advanced”, URASIP Journal on Wireless Communications and Networking2013.
[4] "LTE – an introduction", white paper form Ericsson, Jun 2009.
[5] Erik Dahlman, Stefan Parkvall, Johan Sköld and Per Beming, “3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband” Academic Press is an imprint of Elsevier, 2007.
[6] David Astély, Erik Dahlman, et al, “LTE: The Evolution of Mobile Broadband”, IEEE Communications Magazine , April 2009.
[7] Lei Chen, “Performance Engineering of Mobile Broadband :Capacity Analysis, Cellular Network Optimization, and Design of In-Building Solutions” Link¨oping studies in science and technology. Dissertations, No. 1504, 2013.
[8] Ghassan A, Abed Mahamod, Ismail Kasmiran Jumari, “The Evolution to 4G Cellular Systems: Architecture and Key Features of LTE-Advanced Networks”, International Journal of Computer Networks and Wireless Communications (IJCNWC), Vol. 2, No. 1, 2012.
[9] Elias Yaacoub and Zaher Dawy, “A Survey on Uplink Resource Allocation in OFDMA Wireless Networks”, IEEE communications and tutorials, 2011.
[10] Mountassir Jamal, Balta Horia, Kovaci Maria and Isar Alexandru, “Study of Multiple Access Schemes in 3GPP LTE OFDMA vs. SC-FDMA”,
[11] 3GGP TR 25.913 ‘Feasibility study of Evolved UTRA and UTRAN.