Come funziona l'interfaccia aerea LTE (compresi uplink e downlink)?

Il livello tecnico della risposta dipende dal fatto che tu abbia una comprensione delle comunicazioni wireless e dell'ingegneria elettrica. Presumo che tu non lo faccia, quindi ecco la risposta piuttosto semplificata con alcune scorciatoie e omissioni:

- Tutto l'LTE in Nord America oggi è chiamato il sapore FDD (in contrasto con TDD). FDD = frequency division duplex (downlink è su una gamma di frequenza e uplink è su una frequenza diversa e separati da una certa distanza in frequenza).
- definizione: Downlink (DL) = segnali dalla stazione base 'down' al portatile (UE).
- definizione: Uplink (UL) = segnali 'up' dall'UE alla stazione base.
- Il downlink e l'uplink utilizzano entrambi segnali RF inviati a/da vari UE's simultaneamente, in piccoli pezzi che variano in tempo e frequenza chiamati slot. Uno slot, per definizione, consiste in un segnale della durata di 0,5 mS su una larghezza di banda di 180 kHz. La larghezza di banda di 180kHz è chiamata Resource Block (RB). Poiché LTE è una tecnologia a banda larga, può consistere in qualsiasi punto da 1.4MHz a 20MHz di larghezza di banda. Una distribuzione di 10MHz (come dice Verizon nella banda 13 LTE, da 746 a 756MHz in downlink (DL)) ha 25 RB' s in DL e 25 in Uplink (UL). L'allocazione minima in frequenza e tempo è di due slot (durata 1mS, larghezza 180kHz) per User Equipment (UE), ma di solito viene allocato molto di più di questo, che dipende da molti fattori tra cui quanto è occupata la cella. La risorsa tempo-frequenza è assegnata molto rapidamente e dinamicamente a molti UE contemporaneamente (se necessario) da un algoritmo SW intelligente chiamato MAC (medium access controller) che usa regole configurabili per farlo. Ci sono 'bit'informazioni extra aggiunte nel traffico utente DL inviato all'UE che forniscono la capacità di correzione degli errori, chiamata Forward Error Correction (FEC). La quantità di FEC, oltre alla modulazione (oggi tra 64QAM, 16QAM, o QPSK in DL, o tra solo 16QAM o QPSK in UL) sono regolati su e giù dinamicamente, in base alla segnalazione di feedback inviata alla stazione base dall'UE in tempo reale, su una base per mS (chiamata TTI), che dice alla stazione base (eNodeB) o all'UE quale FEC e modulazione usare per l'assegnazione dell'UE. Questa è una delle premesse di base dell'LTE, indicata come AMC (modulazione e codifica adattiva, che esiste anche in HSPA per il 3G, tra l'altro), che può essere regolata a un ritmo molto rapido per tenere conto delle condizioni RF che cambiano rapidamente, per non parlare del fatto che le allocazioni sono fatte in frequenza e tempo su una base per UE.

L'uplink è molto simile alla DL, eccetto che usa un tipo lento di controllo adattivo della potenza (la potenza della DL è la stessa e costante su una base per RB) che è progettato per superare il lento fading (la lenta variazione della forza media del segnale dovuta a grandi oggetti come edifici, ecc). Un canale di controllo downlink (PDCCH) impone all'UE di aumentare o diminuire la potenza in base alle misurazioni al ricevitore della stazione base, in tempo reale. L'altra differenza è che in UL l'UE deve ridurre il numero di RB assegnati man mano che si allontana dalla stazione base per concentrare la sua potenza in una larghezza di banda più piccola per superare le perdite di percorso RF (dovute alla potenza limitata dell'UE di 1/4Watt), rispetto alla DL, anche se ci possono essere molte RB disponibili in UL per l'UE.

Quando i pezzi di dati sono inviati a/da un particolare UE (chiamati TB's o Tranport Blocks), il lato ricevente (eNB nel caso UL, UE nel caso DL) invia una segnalazione in tempo reale su quelli che sono chiamati canali di controllo. Per il traffico utente DL, il canale di controllo inviato dall'UE all'eNB è chiamato PUCCH (packet uplink control channel), e per il traffico utente UL il canale di controllo inviato dall'eNB all'UE è chiamato PDCCH (packet downlink control channel). Entrambi i canali di controllo inviano risposte rapide al lato mittente, indicando il successo o il fallimento (errori non correggibili) di ogni TB, chiamate ACK (acknowledgement) o NACK (negative acknowledgement). In caso di NACK, il lato mittente reinvia nuovamente l'informazione, e a volte in modo diverso. Questo può avvenire fino a 3 volte per un totale di 4 tentativi per una particolare TB prima di rinunciare. Ci sono vari metodi matematici avanzati che il lato ricevente può ricombinare i vari TB's insieme per decodificare correttamente il traffico utente per quel TB nel caso di condizioni RF molto povere (come al bordo della cella). Inoltre, l'UE calcola un numero chiamato Cell Quality Index (CQI) sul segnale downlink, che indica la qualità complessiva del segnale downlink una volta ogni 1mS, e lo invia all'eNB che lo usa per dettare l'attuale MCS (schema di codifica della modulazione, cioè i tipi di modulazione e FEC) da usare nella prossima assegnazione di traffico utente DL all'UE.
Ci sono anche altri canali in LTE:

- BCCH- Canale broadcast. Questo è inviato in downlink nella parte centrale di 1.08MHz dello spettro, come un segnale broadcast ripetitivo, indipendentemente dalla larghezza di banda totale configurata. Il BCCH trasporta informazioni sulla cella, compresi molti parametri RF per l'UE, l'identità della cella, la lista delle celle vicine, l'identificazione della rete (chiamata PLMN), ecc. ecc. che permettono all'UE di trovare, sincronizzare, identificare, autenticare e richiedere risorse RF dalla cella.

Inoltre, c'è un tipo molto importante di segnale beacon inviato in DL che è distribuito uniformemente su tutta la banda chiamato segnale di riferimento (RS). Lo scopo del RS, che è a potenza costante e trasmette sempre, è quello di fornire all'UE un mezzo per misurare la perdita del percorso RF e quindi stimare la potenza del segnale downlink (chiamato RSRP), e la qualità del segnale (chiamato RSRQ) per scopi di mobilità (selezione/riselezione della cella, e handover tra celle) quando l'UE non sta attivamente inviando o ricevendo dati.
LTE è molto complessa, e ci sono molti altri canali di segnalazione che usano una piccola frazione della potenza RF totale disponibile, ma speriamo che questo sia sufficiente per una descrizione di base.