Беспроводной стандарт связи LTE

Наилучшим вариантом для тех операторов, которые уже располагают построенными сетями 2G и/или 3G/UMTS (WCDMA или CDMA2000), является построение конвергентной сети 2G/3G/LTE с единым управлением и поддержкой плавных хендоверов без прерывания сервисов. Для построения такой сети должны быть доступны в конвергентном варианте все основные составляющие сети:

- конвергентные мультисандартные BTS;
- конвергентная транспортная сеть;
- конвергентные услуги;

- конвергентный O&M.

3.2 Отвечая потребностям абонентов.

По графику работ, до конца 2009 года должны появится первые коммерческие аппараты LTE/CDMA, первые USB-донгл, пригодные для полевых испытаний, первый чипсет и первая "дата-карта" для использования в ноутбуках.
В планах на 2010 год значится первый телефон с поддержкой LTE/3G, первый телефон с поддрежкой LTE, первый USB-донгл, первый КПК с поддержкой LTE.
Стандарт предусматривает 5 классов терминалов, которые ориентированы на передачу в основном голосовых данных. Терминалы должны обеспечить работу в частотной полосе 20 МГц.

Число абонентов ШПД к 2012 году, как ожидается, может достичь порядка двух млрд. По прогнозам практически 2/3 от этого количества, будут использовать мобильный ШПД. Трафик передачи мобильных данных в 2010 году будет превосходить по объему трафик передачи голоса, что предъявляет высокие требования к мобильным сетям в самом ближайшем будущем и даже сейчас.

Потребители поняли и оценили преимущества мобильного ШПД. Очень большое количество людей уже используют мобильные телефоны и многие кроме того подключают свои нетбуки и ноутбуки к беспроводным сетям. Шаг к полному мобильному ШПД очевиден, особенно, когда речь идет о LTE-сети, обеспечивающей качественное покрытие и роуминг с существующими сетями 2G/3G.

Также, полученный при эксплуатации сетей, опыт с поддержкой HSPA показал, что если оператор обеспечивает качественное покрытие и предоставляет необходимые услуги и терминалы, то использование мобильного ШПД быстро обретет популярность у данного оператора.
Пакетный трафик передачи данных начал опережать трафик передачи голоса уже весной 2007 года в сетях 3G (WCDMA). Основной причиной этому стало появление в сетях поддержки HSPA. Карточки беспроводных модемов HSPA и USB-донглы очень быстро обрели популярность у абонентов. Некоторые операторы отмечают даже 4х-ый прирост трафика передачи данных по истечении 3-4 месяцев с момента запуска поддержки HSPA.
Во многих случаях, мобильный ШПД может конкурировать с фиксированным ШПД по цене, производительности, защищенности и по удобству. Абоненты могут лучше организовывать свое время, используя мобильный доступ, нежели настраивая подключение к беспроводной LAN.

Также, число доступных беспроводных приложений существенно вырастает в мобильных сетях. Социальные сети, поисковые машины, приложения, обеспечивающие индикацию присутствия (presence), сайты для совместного использования контента, вот некоторые из очевидных примеров. Благодаря мобильности, эти приложения становятся более ценными для абонентов. Высокие максимальные скорости и сокращенное время отклика в сетях LTE позволяют обеспечить поддержку приложений real-time.

3.3 Отвечая потребностям операторов.

Операторы, которые ведут свой бизнес в ситуации постоянной конкуренции, ведут борьбу не только с другими операторами, но также и с новыми участниками рынка и новыми бизнес моделями и идеями. Однако, с появлением новых бизнес моделей и идей появляются и новые возможности. Сегодня у мобильных операторов есть преимущество, которое состоит в том, что у них есть возможность предоставлять конкурентные услуги мобильного ШПД на базе уже совершенных инвестиций в технологии 2G/3G.
Поэтому операторы столь активны в формулировании стратегий и требований к технологии мобильномого ШПД, в их работе с организациями, которые занимаются стандартизацией. Некоторые из операторов, входящих в число мировых лидеров, вендоры и НИИ объединили свои силы в рамках Next Generation Mobile Networks Ltd. (NGMN, Сети мобильной связи следующего поколения). NGMN работает в тесном сотрудничестве с существующими организациями, занимающимися стандартизацией. Хотя NGMN этого и не отмечал, но стандарты LTE-сетей отвечают всем требованиям NGMN.

3.4 Архитектура.

В параллель с радиодоступом LTE, опорные пакетные сети также эволюционируют к плоской архитектуре SAE. Эта новая архитектура разработана для оптимизации производительности, улучшения эффективности затрат и упрощения запуска услуг на базе IP для массового рынка.
На пользовательском уровне архитектуры SAE есть всего два базовых устройства: базовая станция LTE (eNodeB) и гейт SAE Gateway. Базовые станции LTE подключаются к опорной сети, используя интерфейс S1 - Core Network - RAN. Такая плоская архитектура сокращает число узлов, необходимых для обеспечения соединения.
Существующие системы 3GPP (GSM и WCDMA/HSPA) и 3GPP2 (CDMA2000 1xRTT, EV-DO) интегрированы в систему LTE за счет использования стандартизованных интерфейсов, обеспечивающих оптимизированную мобильность. Для систем 3GPP это означает наличие сигнального интерфейса между CDMA RAN и новой опорной сетью. Такая интеграция обеспечит поддержку, как двойных, так и одиночных радио хэндоверов, обеспечивая возможность плавной миграции к LTE.
Управление сигнализацией, например, для обеспечения мобильности, поддерживается узлом управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME), выделенным из гейта (Gateway). Это упрощает оптимизацию развертывания сети и обеспечивает возможность гибкого масштабирования ее емкости.
Сервер домашних абонентов (HSS) подключается к пакетной сети (Packet Core) за счет интерфейса, основанного на Diameter, а не на базе сигнализации SS7, которая использовалась в сетях GSM и WCDMA. Сигнализация сети для полицейского прослуживания и для биллинга (charging) также основана на Diameter. Это означает, что все интерфейсы архитектуры - это IT-интерфейсы.
Существующие системы GSM и WCDMA/HSPA интегрированы с системой LTE с помощью стандартизованных интерфейсов между SGSN и опорной сетью LTE. Как ожидается, попытка интегрировать CDMA доступ также приведет к обеспечению возможности поддержания мобильности между сетями CDMA и LTE. Такая интеграция также должна обеспечивать, как дуальный, так и одиночный handover вызовов, что обеспечивает гибкую возможность миграции из сетей CDMA в сети LTE.
В LTE-SAE действует концепция QoS (качества услуги), основанная на понятии класса услуги. Это обеспечивает простое, но эффективное решение, позволяющее оператору предлагать дифференцировать предоставляемые пакетные услуги.

 Плоская архитектура LTE и SAE

3.5 Радиотехнология OFDM

LTE использует OFDM для формирования нисходящего канала, т.е. канала от базовой станции к мобильному устройству. OFDM отвечает требованиям LTE к спектральной гибкости и позволяет создавать эффективные по затратам решения для широкополосных несущих с высокими пиковыми скоростями передачи данных. Это хорошо проработанная технология, о чем свидетельствует целый спектр стандаров, таких, как, например, IEEE 802.11a/b/g. 802.16, HIPERLAN-2, DVB и DAB.
OFDM использует много узкополосных поднесущих для обеспечения передачи. Базовый нисходящий канал LTE на физическом уровне можно рассматривать, как частотно-временную решетку, как показано на рис.5. В частотной области, промежутки между поднесущими, дельта f, составляют 15 кГц. Кроме того, продолжительность "символа" OFDM составляет 1 / дельта f + префикс цикличности. Префикс цикличности используется для обеспечения ортогональности между поднесущими даже в условиях радиоканала с дисперсией по времени.
Один ресурсный элемент формируется модуляцией QPSK, 16QAM или 64QAM. В случае, если используется модуляция 64QAM, каждый ресурсный элемент обеспечивает передачу 6 бит информации.
Символы OFDM сгруппированы в ресурсные блоки. Ресурсные блоки имеют размер в 180 кГц в частотном измерении и 0.5 мс во временном измерении. Каждый временной интервал передачи (TTI, Transmission Time Interval) состоит из двух слотов (Tslot).
Каждому пользователю присваивается некоторое количество ресурсных блоков в частотно-временной решетке. Чем больше ресурсных блоков назначается пользователю, и чем более высокая степень модуляции используется в формировании ресурсных элементов, тем больший получается битрейт.
Какие ресурсные блоки будут назначены и сколько их получит пользователь в данный момент времени, зависит от модернизированного алгоритма составления частотно-временного расписания. Алгоритм составления расписания, используемый в LTE, похож на тот, что применяется в HSPA и обеспечивает оптимальное функционирование различных услуг в различных условиях.

 Физические ресурсы нисходящего канала LTE основаны на OFDM.

В восходящем канале, LTE использует пре-кодированную версию OFDM под названием SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей). Это предпринято для того, чтобы компенсировать расходы на OFDM, который отличается очень высоким отношением пиковой мощности к средней мощности радиосигнала (PARP - Peak to Average Power Ratio). Реализация высоких значений PARP требуют использования дорогих и неэффективных усилителей мощности, предъявляющих высокие требования к линейности, что сказывается на росте стоимости терминалов и быстроте разряда батарей.
SC-FDMA позволяет решить проблему за счет объединения ресурсных блоков таким образом, что сокращаются требования к линейности, а также к потребляемой мощности усилителя. Меньшие значения PARP кроме того улучшают покрытие и производительность соты.

3.6 FDD и TDD

Частотные диапазоны для FDD и TDD

LTE может использоваться, как в парных (FDD), так и в непарных (TDD) участках спектра. FDD - обеспечивает большую эффективность и представляет больший потенциал использования устройств и инфраструктуры, тогда как TDD выполняет роль хорошего дополнения. Так как оборудование для LTE практически идентично для случаев FDD и TDD (кроме фильтров), операторы, которые начнут с построения сетей на TDD, смогут далее воспользоваться эффектом экономии на масштабе, который обеспечит широкое распространение продуктов FDD.

Сегодня все сотовые системы связи используют FDD, и более 90% частот, используемых системами мобильной связи во всем мире являются парными наборами полос частот. В случае с FDD, трафик вниз и вверх обеспечивается одновременно в различных частотных диапазонах. В системах TDD, передача в канале вверх и вниз не ведется непрерывно, что позволяет использовать для организации канала один и тот же частотный диапазон. Например, если разделить время между передачей вверх и вниз в соотношении 1:1, то направление вверх будет использоваться лишь половину времени. Средняя мощность, для каждого сеанса связи, также оказывается равна половине пиковой мощности. Поскольку пиковая мощность ограничена регулятором, то в результате получается, что для той же пиковой мощности, TDD обеспечивает меньшее покрытие, нежели FDD.

Более того, операторы зачастую хотели бы выделить более, чем половину своих ресурсов для организации канала вниз (чтобы повысить пиковую скорость в этом направлении). Если соотношение DL/UL равно 3:1, то для реализации сети TDD потребуется на 120% больше сайтов, против реализации сети FDD.

Различные соотношения DL/UL в TDD-канале

Сейчас 3GPP было выделено 10 различных дипазона частот для построения систем LTE-FDD и 4 частотных диапазона для LTE-TDD, это отражено в таблицах. Скорее всего этот перечень будет расширяться за счет добавления других частотных диапазонов, таких, например, как диапазон 700 МГц на территории США.

 Полосы частот для LTE-FDD и LTE-TDD

Инфраструктура сети LTE и терминалы будут сразу поддерживать работу с множеством частотных диапазонов. LTE достаточно быстро сможет обеспечить возможность экономии на масштабах глобального покрытия.
LTE поддерживает гибкий подход к ширине несущих, которые могут варьировать от менее, чем 5 МГц вплоть до 20 МГц во многих частотных диапазонах, причем, как при построении сети FDD, так и при TDD.

Оператор может разворачивать LTE-сеть в новых или и в уже имеющихся частотных диапазонах.

Первыми могут быть диапазоны, где, в целом, легче будет найти несущие в 10 МГц или в 20 МГц (например, 2.6 ГГц (диапазон VII), AWS (диапазон IV) или диапазон 700 МГц), но, кроме того, LTE можно строить во всех сотовых диапазонах. В отличие от прежних систем сотовой связи, LTE будет быстро развернута в различных частотных диапазонах.

4. Сравнение сетей WiMAX и LTE

Обе сети позиционируют себя как класс следующий после 3G сетей.
Обе сети используют технологию MIMO и OFDM передачу данных.
Максимальные скорости: WiMAX 100Мб\с LTE 300Мб\сs
Стандарт WiMAX принят и утвержден, ведется развертывание этих сетей, в свою очередь LTE находится на стадии доработки спецификаций и утверждения.
Недостатком сетей WiMAX является то, что их нужно строить практически с нуля, в то время как для LTE нужно лишь модернизировать оборудование.
Рабочие частоты LTE - GSM частоты (400-2700MHz), WiMAX - 5.47-5.67 Ghz.
Абоненты сети LTE - это абоненты мобильных операторов, для технологии WiMAX же абонентскую базу необходимо отвоевывать у мобильных операторов.

Несмотря на то, что эти два стандарта являются альтернативой друг другу, изготовители предпочитают встраивать в оборудование поддержку обоих стандартов, это выгодно для потребителя и очень способствует развитию широкополосной связи.

5. Выводы

5.1 Ценовая эффективность

Существует большая поддержка LTE со стороны Mobile-индустрии. Многие поставщики, операторы и НИИ участвуют в стандартизации этой технологии.

Ключевой фактор успеха любой технологии - это экономия на масштабе. Преимущества, связанные с объемами, существенны, как для абонентских терминалов, та и для оборудования. Они сказываются на снижении затрат на производство и позволяют операторам предоставлять абонентам эффективные по цене услуги. Это одна из основных причин, которая привлекает к LTE тех операторов, которые только собираются выйти на рынок с собственной сетью мобильного ШПД.
Продвижение LTE на рынок будет осуществляться по разным сценариям, в зависимости от конкретных рыночных условий в той или иной стране, регуляторных особенностей. Первые устройства будут мультимодовыми, что позволит говорить о широкой зоне покрытия, мобильности и услуг с первого дня запуска сети LTE. До внедрения LTE можно будет использовать существующие стандартные сети мобильной связи.

Важно, что внедрение инфраструктуры LTE очень простое и эффективно с точки зрения затра. Например, должна быть возможно осуществить модернизацию существующих базовых станций радиоподсети под требования LTE, используя легко заменяемые модули, причем они смогут работать и с одним частотным диапазоном и с парными наборами частот.
Отдельные базовые станции для LTE также будет проще установить, чем современное оборудование GSM/WCDMA. Запуск сети, ее эксплуатация и менеджмент могут быть упрощены за счет использования таких функций, как "включил и работает" и "авто-отимизация", что позитивно сказывается на сокращении капитальных и операционных затрат оператора.
Технология LTE целиком подходит под характеристику "технологий завтрашнего дня" . Быстрая скорость, устойчивость к помехам, масштабируемость, приспособленность к сложным условиям передачи сигнала, все это хорошо согласуется с современными требованиями к мультисервисным сетям. Готовность к использованию этой технологии подтверждают как операторы так и производители базовых станций.