Пропускная способность 4g. Частотные диапазоны LTE, Band. Категорирование приемных устройств

Несмотря на то, что LTE доступен уже практически во всех регионах нашей страны, у пользователей до сих пор присутствует путаница в частотах (Bands), а также в категориях этой технологии (LTE cat. X). Сегодня я хотел бы подробно рассказать, в чем отличия "бэндов" LTE, категорий LTE, а также о том, какие из них уже используются в России, а какие могут появиться в будущем.

LTE Bands - частоты 4G-технологии

В отличие от GSM и UMTS, которые стали стандартами для 2G и 3G связи, технологией LTE может использоваться гораздо более широкий спектр частот. Так, например, в GSM используются только 4 диапазона 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц, а в UMTS к ним еще добавляются диапазоны 1900-2200 МГц.

Технология LTE в свою очередь может работать на частотах от сверхнизких в 450 МГц до сверхвысоких в 5 ГГц, и более того, она может объединять в один канал несколько диапазонов по технологии LTE Advanced, но о ней мы поговорим чуть позже.

Всего существует 70 "бэндов" LTE, которые отличаются между собой частотой и некоторыми другими параметрами, но сегодня я остановлюсь только на тех, которые используются в России.

В данный момент российскими операторами используются 5 band"ов:

• 3 в диапазоне 1800 МГц FDD;
• 7 в диапазоне 2600 МГц FDD;
• 20 в диапазоне 800 МГц FDD;
• 31 в диапазоне 450 МГц FDD;
• 38 в диапазоне 2600 МГц TDD.

Вы могли заметить, что несмотря на одинаковый диапазон частот 2600 МГц в 7 и 38 "бэнде", они отличаются обозначениями FDD и TDD. Сейчас постараюсь объяснить, в чем разница.

В целом, конечный пользователь этой разницы может и не заметить, однако технологически сети FDD и TDD принципиально отличаются вот в чем. При использовании FDD (Frequency Division Duplex) входящий и исходящий трафик разделены частотно, то есть загрузка данных идет на одной частоте, а выгрузка на другой. При использовании TDD (Time Division Duplex) и загрузка, и выгрузка данных осуществляются на одной и той же частоте, только попеременно.

С точки зрения оператора, выгоднее иметь TDD-сеть, так как ей необходим только 1 частотный диапазон и на загрузку, и на отдачу. С точки зрения пользователя, теоретически, выгодней работать в сети FDD, так как восходящий и нисходящий трафик идут раздельно и не мешают друг другу. Но на практике, как я уже отмечал раньше, разница будет скорее незаметна.

Что касается различий между остальными band"ами, то здесь стоит отметить их дальнобойность, пробиваемость и ёмкость. Если не вдаваться в подробности, то чем ниже частота, тем выше дальнобойность и лучше свойство прохождения сквозь городскую застройку, но меньше емкость самой сети и, соответственно, скорости в ней.

Band 31 в России в данный момент используется только оператором Tele2, который продает оборудование LTE-450 под брендом Skylink. Как пишет сам оператор, эта технология пользуется популярностью в самых отдаленных и малонаселенных уголках с плохим покрытием других мобильных сетей. Радиус действия базовой станции LTE-450 может покрывать радиус до 20 км, что в 5-6 раз больше, чем у базовой станции стандарта LTE-2600. Стоит отметить, что данный band не поддерживается смартфонами, с ним работают только специальные модемы и роутеры.

"Большая тройка" широко использует в России 3, 7, 20 и 38 band"ы, причем комбинирует их в зависимости от нескольких факторов. Чем выше плотность населения и его активность, тем выше требуется частота, так как необходимо обеспечить высокую емкость и хорошую скорость. В центрах мегаполисов, в деловых районах, в местах с высокой туристической активностью, как правило, используются 3, 7 и 38 band"ы. В регионах, где плотность населения и инвестиции в инфраструктуру меньше, используется Band 20, так как в нем базовая станция может покрывать достаточно большой радиус (до 13,4 км) с хорошим проникновением в здания, при этом скорость не страдает, так как там гораздо меньше пользователей, которым нужен LTE. Но преимущественно band20 используется либо в абсолютно малонаселенных территориях, либо в крупных городах как дополнительный диапазон. То есть, даже если ваше устройство не поддерживает band20, вы не останетесь без 4G, так как территория дополнительно будет покрытия band 3-7-38.

Есть еще один немаловажный фактор - это наличие тех или иных частот в тех или иных регионах у тех или иных операторов. Тут уже оператор подстраивается не только под специфику локации, но и под свой портфель частот. Сами частоты были разыграны среди операторов на аукционах, которые проводились в нашей стране несколько раз.

Также стоит отметить, что Band 3, работающий в диапазоне 1800 МГц, это одновременно и та частота, на которой работает 2G/3G связь. То есть, чем шире канал оператор хочет отдать для LTE, тем уже он станет для 2G/3G сетей, которыми продолжают пользоваться большинство российских абонентов. Естественно, о существенном рефакторинге сетей в 1800 МГц пока говорить рано, но это неминуемое будущее, ведь доля 2G/3G гаджетов по отношению к 4G-устройствам будет постепенно падать.

LTE-Advanced или что будет, если объединить несколько Band"ов

Когда речь заходит об LTE Advanced, то в тексте часто присутствуют обозначения, вроде LTE cat.4, LTE cat.6 или LTE cat. 9. Давайте попробуем разобраться, что они обозначают, но сначала, что называется "на пальцах", я объясню, что собой в общих чертах представляет LTE Advanced.

LTE Advanced - это технология, которая позволяет объединить в один канал несколько несущих частотных диапазонов. Так, например, оператор, который использует LTE Advanced, берет 1,4-20 МГц из одного диапазона, объединяет их в одну "трубу" с 1,4-20 МГц из другого диапазона и на выходе получается агрегированный стандарт LTE Advanced. На сегодняшний день теоретически возможным является объединение 5 несущих с максимальной шириной полосы в 20 МГц, что на выходе дает внушительные 100 МГц, но это лишь теория. Теперь давайте разберемся, что происходит на практике.

Первым в России оператором, который на своей сети применил LTE Advanced стала Yota, будучи еще независимым оператором. Это случилось 9 октября 2012, но оператор настолько сильно опередил время, что запуск получился формальным, так как модемов с поддержкой LTE Advanced тогда не было, а сим-карты для смартфонов и планшетов Yota не предлагала.

Настоящий коммерческий запуск первым осуществил МегаФон весной 2014 года. В Москве и Санкт-Петербурге оператор объединил две несущих по 20 МГц в Band 7, получив теоретически доступные 300 Мбит/с и сеть, соответствующую категории LTE cat. 6.

В 2015 году МегаФон замахнулся на LTE cat. 9 со скоростью до 450Мбит/с, которая объединяла в себе 2 несущих по 20 Мгц из Band 7 и еще одну несущую шириной 20 Мгц из Band 3. Однако дальше тестирования дело не дошло, так как для использования такой большой ширины канала в Band 3 (1800 МГц) требовалось существенно сократить емкость 2G-сети оператора.

Билайн, в отличие от МегаФона, не обладает большим количеством доступных частот, поэтому его запуск LTE Advanced получился несколько скромнее. В конце лета 2014 года в Москве "полосатый" оператор объединил Band 7 и Band 20 с шириной 10 МГц и 5 МГц соответственно, получив максимально возможную скорость 112,5 Мбит/с и сеть, соответствующую категории LTE cat. 4. После этого, во время тестов, оператор добавил и третью несущую в 20 МГц из Band 3, добившись 250 Мбит/с максимальной скорости, однако такая сеть не была запущена в коммерческую эксплуатацию. Все дело в том, что 20 МГц в диапазоне 1800 МГц - это вся доступная Билайн полоса, которая используется сетью GSM, и ее рефакторинг в 4G привел бы к тройному сокращению емкости существующий сети 2G.

МТС, в свою очередь, первую LTE Advanced-сеть запустил в середине 2015 года, объединив 2 полосы по 5 МГц из Band 3 и 1 полосу шириной 5 Мгц из Band 38, что стало проблемой для большинства нетоповых смартфонов, так как агрегацию неравных полос спектра в разных диапазонах поддерживают только флагманские устройства. Но в МТС, в зависимости от региона, применяется и другая агрегация, которую поддерживает более обширный ряд гаджетов.

На сегодняшний день самую быструю сеть МТС имеет в Башкортостане, где применяется агрегация трех несущих 1800+2600+800 МГц с суммарной шириной полосы до 35 МГц (20+10+5), что позволяет достичь скорости до 260 Мбит/с. Но такая сеть, несмотря на три несущих, соответствует только категории LTE cat. 4., так как скорость не достигает 300 Мбит/с.

Чтобы подробнее узнать, какой оператор в вашем регионе уже работает в LTE Advanced, введите в поисковую строку Google или Яндекс запрос "LTE Advanced в [ваш город]" и наверняка вы найдете новость, которая ответит на этот вопрос. Если не найдете, как было со мной (Курск), то в вашем регионе пока никто не запустил такую сеть. Что касается карт покрытия на сайтах оператора, то информацию об LTE Advanced пока предоставляет только МегаФон.

Как видно из всего вышеперечисленного, МегаФон имеет преимущество в частотах и успешно им пользуется. Другие же операторы, имея более скромный портфель частот, присматриваются к стандарту LTE-U (LTE Unlicensed), о котором я расскажу ниже.

LTE-U - будущее без лицензий, но с ограничениями

Как я уже упоминал ранее, технология LTE уникальна тем, что может работать в разных диапазонах от сверхнизких до сверхвысоких, в том числе и в диапазоне 5 ГГц. Это частота является не лицензируемой, то есть неконтролируемой государством, и на ней работают современные Wi-Fi роутеры.

LTE-U (Unlicensed) является некой смесью из привычного нам Wi-Fi и мобильной сети четвертого поколения, причем совместимыми между собой. Узким местом LTE-U, как и у Wi-Fi, является небольшой радиус действия базовой станции, что делает эту технологию пригодной только к использованию в помещениях, например, в офисных зданиях и торговых центрах. А вот нелицензируемость 5 ГГц является плюсом технологии, так как оператор без дополнительных согласований в госсорганах может устанавливать свои базовые станции и покрывать сетью LTE-U любые помещения.

LTE-U существует не обособленно, а как дополнение к LTE и LTE-Advanced, то есть пользовательское устройство одновременно может работать в нескольких band"ах LTE с помощью LTE-A и при этом одновременно использовать ресурсы LTE-U, объединяя все сети в единый канал, что позволяет достичь пиковых скоростей на уровне 1 Гбит/с.

Более того, поддерживается технология Link Aggregation, с помощью которой добавить скорости своему смартфону можно будет при помощи домашнего Wi-Fi. То есть, находясь дома, с помощью LTE-U вы сможете объединить LTE-сеть оператора и домашний Wi-Fi в единую LTE Unlicensed-сеть, которая для передачи данных будет использовать все вышеназванные каналы одновременно.

В данный момент заинтересованность в LTE-U выразили Билайн и МТС, которые планируют развернуть первые сети LTE-U уже в этом 2017 году. Но на рынке пока нет смартфонов, которые поддерживают эту технологию, хотя уже скоро подобные аппараты должны поступить в продажу. Стоит отметить, что Россия не отстает от других стран, так как в мире пока еще не запущено ни одной LTE Unlicensed-сети.

Заключение

Сегодня вы узнали об основных терминах, связанных с сетями четвертого поколения, а также о ситуации с LTE в России. Надеюсь, что у меня получилось объяснить такие сложные вещи простыми словами. Отмечу в конце, что я намеренно не углублялся в теорию и загружал вас лишней информацией, которая большинству была бы не интересна.

Если вы хотите узнать что-либо еще о российских операторах, их технологиях и сетях, то можете оставить свое предложение в комментариях и, возможно, я расскажу об этом в одной из следующих статей.

Термины LTE и 4G уже давно на слуху и постепенно становятся частью словарного запаса современного человека, а с появлением нового поколения Android-смартфонов и выходом iPhone 5 нам просто необходимо знать об этой технологии побольше, просто чтобы не возникало путаницы, ну и для общего развития.

В этой статье мы постараемся дать максимально простые ответы на самые популярные вопросы об LTE.

Что такое LTE?

Разработанный консорциумом 3GPP Long Term Evolution (если переводить дословно, то «долгосрочное развитие»), в общепринятом сокращенном варианте — LTE — это новый стандарт мобильных сетей с увеличенными пропускной способностью и скоростью передачи данных. LTE использует различные частоты, однако функционирует на основе используемых сетей GSM/HSPA, фактически являясь их усовершенствованной версией. Термин 4G, или «беспроводная связь четвертого поколения» употребляется как синоним LTE, подчеркивая отличия этого стандарта от 3G. По предварительным прогнозам к 2016-му году общее количество абонентов мобильных широкополосных сетей может достичь 5 млрд. человек.

Чем LTE (4G) отличается от 3G

Прежде всего необходимо понимать, что 4G LTE — это эволюционный, а не революционный путь развития, предполагающий использование возможностей имеющейся инфраструктуры. 3G-сети еще долго и с не меньшей эффективностью будут выполнять задачи по доставке широкополосных сервисов миллиардам пользователей мобильных устройств. Но 4G, тем не менее, уверенно пророчат роль общепринятого стандарта мобильной связи в виду целого ряда очевидных преимуществ технологии 4G LTE, основные из которых:

• более высокие производительность и пропускная способность;
• простота — LTE поддерживает гибкие варианты полосы пропускания с несущей частотой от 1.4 MHz до 20 MHz, а также дуплексную передачу данных с возможностью разделения по частоте (FDD) и по времени (TDD).
• задержка — в LTE существенно меньшая задержка в передаче данных для протоколов плоскости пользователя в сравнении c существующими технологиями третьего поколения (преимущество крайне важное, к примеру, для обслуживания многопользовательских онлайн-игр ).
• широкий диапазон конечных устройств — LTE-модулями планируется оснащать не только смартфоны и планшеты, но также ноутбуки, игровые приставки, видеокамеры и другие портативные и бытовые устройства.

Скорость LTE

Возможностями технологии LTE предусматривается скорость передачи данных до 299.6 Мбит/с на загрузку (download) и до 75.4 Мбит/с — на отдачу (upload). Однако в LTE скорость в каждом конкретном случае во многом зависит как от местонахождения пользователя, так и от текущей нагрузки в сети. Но LTE развивается: еще два года назад на конгресе MWC-2010 был продемонстрирована возможная пиковая пропускная способность до 1.2 Гбит в секунду. Тем не менее, к примеру, в Сингапуре, где национальное LTE-покрытие обеспечивает оператор M1, средняя скорость загрузки в LTE не превышает 75 Мбит/с. В ближайшее время компания собирается увеличить скорость до 150 Мбит/с за счет использования частот, которые на данный момент используются для поддержки устаревшего стандарта 2G.

Почему LTE-частоты различны в разных странах?

Не смотря на то, что LTE очень активно развивается во всем мире, нет единого частотного диапазона, на котором работаю 4G-операторы в разных странах мира. Это связано с тем, что радиочастотный спектр во многих государствах находится под контролем правительственных структур, а деятельность операторов лицензируется. В разных странах определенные частоты уже используются другими сервисами (вроде цифрового ТВ), потому телекоммуникационным компаниям приходится пользоваться теми, которые доступны на данный момент и ждать возможности доступа к новым диапазоном, как в случае с сингапурским M1.

Наиболее часто используемый LTE-частоты

В станах Азии — это 1800 MHz или 2600 MHz. Именно на этих частотах работают операторы в Сингапуре, Гонг Конге и Южной Корее. В Японии и США — 700 MHz или 2100 MHz. В Европе — 1800 MHz или 2600 MHz.

В России LTE-лицензии получили компании «Ростелеком» (791-798.5/832-839.5 MHz, Band 20), «МТС» (798.5-806/839.5-847 MHz, Band 20), «Мегафон» (806-813.5/847-854.5 MHz, Band 20) и «Вымпелком» (« «) (813.5-821/854.5-862 MHz, Band 20), которые приступят к оказанию 4G LTE-услуг с июлю следующего года.

В Украине LTE-сети только начинают развиваться, и, по мнению специалистов, до начала ее полноценной коммерческой эксплуатации пройдет не менее полутора лет. Причины такого отставания — в проблемах с регулированием и лицензированием, а также в недостаточной емкости транспортной сети.

Универсальный LTE-смартфон?

Такого устройства пока нет, поскольку производители еще не разработали такую компактную антенну, которая могла бы обеспечивать прием-передачу сигнала хотя бы на самых популярных LTE-частотах одновременно. Потому и говорят, что купленный в Штатах iPhone 5 может не работать в азиатских и европейских LTE-сетях. Но расстраиваться особо все-таки не стоит, всегда остается универсальный , доступный во всех странах мира. Однако, если учитывать глобальную тенденцию к смещению операторов связи в сторону стандарта LTE и темпы освобождения ранее занятых частотных диапазонов, то в перспективе можно ожидать появления общего частотного диапазона в разных странах и регионах мира. Значит проблема разработки универсального LTE-смартфона может несколько упроститься и его создание — это лишь вопрос времени. Будем надеяться, что это произойдет очень скоро.

4G LTE — это дорого

Как и стандарт 3G в свое время, новый 4G тоже пока не отличается демократичностью в тарифообразовании. Дешевого 4G LTE пока не предлагают, потому за скорость и быстродействие пользователям приходится платить больше. Однако по-настоящему LTE становится дорогим, если не обращать внимания на объемы скачиваемых или передаваемых данных.

LTE-смартфоны в продаже

Кроме упомянутого iPhone 5, который Apple начнет продавать с 21 сентября этого года, с LTE-сетями могут работать еще несколько смартфонов: HTC One XL, Samsung Galaxy S II LTE, LG Optimus True HD LTE и the Galaxy Note LTE. Также в скором времени в продаже должны появиться LG Optimus G и Galaxy S3 LTE.

Новости LTE технологии

В нашей стране 4G LTE стандарт — это пока только перспектива, при том не самая близкая. Однако для тех, кто часто бывает за границей, возможностей ощутить все преимущества LTE предостаточно. О росте популярности данного стандарта связи говорит также и тот факт, что новый iPhone 5 от Apple выпускается сразу в трех различных вариантах, каждый из которых разработан для определенного диапазона LTE частот. Так модель A1428 (GSM) iPhone 5 поддерживает LTE только в США и Канаде и работает на частоте 700MHz. Модель A1429 (CDMA) ориентирована на сети Штатовских операторов Sprint и Verizon, а также японского KDDI.

И, наконец, A1429 (GSM) iPhone 5 работает на частотах 850 MHz, 1800 MHz и 2100 MHz и является наиболее универсальной, поскольку именно эти частоты используются для LTE-связи во многих странах мира (кроме США и Канады). На сайте Apple support указано, что модель A1429 (GSM) совместима с LTE в Австралии, Гонконге, Германии, Корее, Японии, Сингапуре и Великобритании. Другими словами, это означает, что если вы живете в Украине и часто бываете в Европе, то заказывая iPhone 5 из других стран, выбирайте именно A1429 (GSM). Соответственно, тем кто чаще посещает США лучше купить A1428 (GSM) iPhone 5. Также не стоит забывать, что такое разграничение по региональному признаку касается только LTE-специфики аппаратов, в 3G-сетях каждый из них будет работать в любом регионе планеты.

Samsung может приобрести Nokia Siemens Networks (3 августа 2012)
Южнокорейская корпорация Samsung изучает возможность приобретения одного из крупнейших производителей универсального оборудования для сетей связи NSN. По словам независимых аналитиков и экспертов, сумма данной сделки может составить пятьдесят пять миллиардов долларов. Официальный представитель компании NSN заявил, что интерес руководство корпорации Samsung относится к массовым поставкам и глобальному производству оборудования для уникальных беспроводных сетей мобильной связи.

Следует напомнить, что на сегодняшний день мобильных компаний, способных совершить данную покупку, в мире не так много, а на международном рынке операторского оборудования подобный актив был бы по карману только корпорациям Ericsson или Huawei. Однако в стратегическую политику компании Ericsson подобная финансовая сделка не укладывается, а у второй корпорации уже есть аналогичная инфраструктура. Необходимо упомянуть, что в качестве потенциального покупателя компании NSN рассматривается китайская корпорация . Что же касается южнокорейского производителя мобильной аппаратуры, то ранее компания Samsung выпускала фирменные станции для модели WiMAX, но данный сервис уступил лидирующие позиции инновационной технологии LTE.

Пересказ публикации д-ра Stamatis Georgoulis, Aeroflex Limited "LTE to LTE-Advanced: What You Need to Know Right Now". В принципе, ничего принципиально нового.

Переход от LTE к LTE-A обещает преимущества, как для оператора, в плане сокращения OPEX/CAPEX и повышения коэффициента использования спектра, так и для абонента в плане роста скоростей передачи данных и емкости сети.

LTE-A обещает возможность получения подлинной подключенности 4G, впервые могут быть соблюдены требования к IMT-Advanced. Какие проблемы LTE следует разрешить, чтобы иметь возможность эволюционировать к LTE-A? Как начать пользоваться преимуществами решения уже с первых шагов?

В статье обсуждаются основные драйверы, которые стимулируют быстрый переход к LTE-A, те преимущества, которые ожидаются с учетом быстрого роста спроса на смартфоны, а также тех проблем для владельцев сетей, которые с этим связаны. Также рассматривается, как именно LTE-A помогает оператору сократить OPEX и CAPEX, а также как это позволяет операторам лучше использовать дорогой и фрагментированный спектр для улучшения качества покрытия и емкости сети.

LTE-A также помогает операторам справляться с задачей повышения энергоэффективности технологий связи, в статье показано, как этого можно добиться. В статье уделено внимание практически всем новым технологическим компонентам, которые ассоциированы с LTE-A - агрегации частот, MIMO, само-организующиеся сети, управление интерференцией.

LTE-A. Когда и что

LTE-A уже с нами и сейчас пора обсудить преимущества данной технологии. Основная причина в том, что LTE-A не только обещает ускорение передачи данных, но также может справиться с удовлетворением массового спроса на услугу передачи данных, которую формируют пользователи. Растущим объемом трафика мы обязаны росту распространенности мобильных устройств, включая смартфоны и планшеты, росту популярности приложений, особенно приложений социального взаимодействия, которые требуют постоянного подключения. Как только пользователь обзаводится смартфоном, его профиль потребления начинает изменяться в сторону увеличения объема трафика, по мере того, как пользователь осваивает различные возможности своего устройства и скачивает на него приложения. В свою очередь этот процесс приводит к росту спроса на непрерывное покрытие, включая покрытие в зданиях и услуги связи в общественном транспорте. Согласно известному отчету Cisco, в последние годы число мобильных подключений превысило население планеты и сейчас составляет около 7 млрд, как показано на рис.1.

Преимущества LTE-A

Итак, как LTE-A может помочь нам в решении известных проблем? Прежде всего, эта технология позволяет улучшить покрытие и емкость сети, два ключевых параметра, которые сказываются на пользовательском опыте. Не менее важно то, что оператор сможет сэкономить на операционных и капитальных затратах, что позволит компании сохранять прибыльность. Преимущества технологии, которые присущи LTE-A обещают возможность более быстрого внедрения и быстрого обнаружения и решения проблем. Это обеспечит для абонентов возможность более быстрого подключения, вырастет качество подключения и возможность получения доходов оператором.

В настоящее время в распоряжении операторов дорогой, но фрагментированный спектр. Вместе с тем, стоит задача возврата инвестиций, которую не получится решить без аггрегации фрагментов спектра и их совместного использования. О способах агрегации мы еще поговорим, но важно понимать, что агрегация частот (CA - carrier aggregation) - это ключевой компонент LTE-A, который позволяет эффективно использовать частоты.

Наконец, есть востребованность со стороны отдельных потребителей и общества в целом в отношении того, чтобы технологии сотовой связи и мобильного ШПД становились более "зелеными". Энергосбережение, кроме того, имеет под собой и экономическое обоснование. Использование технологий компенсирующих интерференцию в LTE-A с целью улучшения сигнала на краях сот, в комбинации с использованием самооптимизации сетей, а также большого числа малых сот в гетерогенной сети, обеспечивает существенный позитивный вклад в энергосбережение по-сравнению с 3G и LTE.

Кроме перечисленных фич, есть и еще более эффективные технологии, например, растущее использование трекинга пакетов или технология Догерти в усилителях мощности базовых станций, что также обеспечивает дополнительное энергосбережение. Релейное включение в LTE-A также из числа энергосберегающих мер, например, релейная станция может (RN - relay node) может оставаться в "спящем" режиме, если она не востребована.

Преимущества LTE-A перед LTE

1. Агрегация частот.

- улучшенная емкость
- гибкость в использовании спектра
- лучше покрытие

2. MIMO более высоких порядков
- высокая скорость передачи данных
- эффективность использования спектра

3. SON / умная гетерогенная сеть
- улучшение покрытия
- улучшение энергоэффективности
- сокращение OPEX и CAPEX
- улучшенное качество пользовательского опыта
- лучше общая емкость сети
- быстрее развитие сети

4. Управление интерференцией
- ниже стоимость использования данных
- лучше покрытие


- лучше общая емкость сети

5. Релейное включение
- лучше покрытие
- лучше качество пользовательского опыта
- улучшенная энергоэффективность
- быстрее развитие сети

Что такое 4G?

Хотя операторы и продают LTE, как технологию 4G, в действительности мы имеем дело определенной задержкой в переходе к новому поколению. Так же, как "мобильный интернет", который начали предлагать еще в 1990 году на базе E-GPRS, стал реальностью только после появления 3G WCDMA, мобильный ШПД стал реальностью только после появления 3.5G HSPA, а не в момент появления 3G. Высокая емкость и возможность непрерывной подключенности, которые ожидались от HSPA, стали реальностью только с появлением LTE. Таким образом, настоящее функционирование 4G станет реальностью только с появлением LTE-A. Можно утверждать, что LTE - это прототип LTE-A.

Международный Союз Электросвязи (ITU) предложил список рекомендаций, которым должна отвечать IMT Advanced 4G. Цель - обеспечить гибкое, глобальное, непрерывное мобильное подключение на основе сети all-IP с масштабируемой полосой частот и высокой спектральной эффективностью, одновременно с обеспечением низкой задержки и быстрой мобильности. Цели по скорости - 100 Мбит/с в мобильном режиме и до 1 Гбит/с в пиковом режиме. В 3GPP назвали спецификацию с такими параметрами - LTE-A, который описан, как Rel.10 3GPP LTE. В таблице ниже приведено сравнение рекомендаций ITU, параметров, которые обеспечивает LTE Rel.9, а также LTE-A.

Технологические энейблеры LTE-A

LTE-A стала возможной благодаря набору технологических энейблеров, каждый из которых обеспечивает улучшение характеристик по-сравнению с LTE. Основые энейблеры таковы:

Агрегация частот (CA)

Комбинируя блоки частот, которые называют компонентными несущими (CC), как показано на рисунке, агрегация частот позволяет использовать фрагментированный спектр и позволяет LTE-A соответствовать требованиям IMT-Advanced, прежде всего, требованию обеспечивать скорость передачи данных 1 Гбит/с.

Агрегация частот может быть обеспечена за счет апгрейда железа, а также при обеспечении совместимости вниз с 3GPP Rel.8. Агрегация частот обеспечивает гибкость использования спектра, но речь идет не только о использовании нескольких полос частот 20 МГц, можно также агрегировать небольшие, несмежные полосы частот. Таким образом, полоса частот может заметно измениться, что отвечает потребностям индивидуальных пользователей.

Однако, обеспечение поддержки CA в абонентских устройствах - это действительная проблема.

MIMO более высоких порядков (HOM)

Более высокие порядки MIMO (на рисунке 4) позволяют повысить спектральную эффективность, в терминах бит/с на Гц. Но для этого опять же требуется апгрейд железа. MIMO более высоких порядков обеспечит LTE-A с до 8 одновременных потоков передачи, обеспечивающих спектральную эффективность в аплинке и даунлинке для исполнения спецификаций IMT-A. Возможно использовать несколько хитрых схем для аплинка и даунлинка, как в случае одиночных, так и множественных пользователей. MIMO требует использования множественных антенн, как на базовых станциях, так и на абонентских устройствах - 8 потоков потребуют 8 раздельных антенн на устройстве. В комбинации с множественными радио, что также предусматривается в LTE-A, это означает, что мобильные устройства в конце концов могут стать похожими на "дикобраза".

Релейное включение

Релейные включения - это эффективный по цене способ расширить покрытие в зонах, где обеспечение фиксированного ШПД не является экономически оправданным. Можно подключать цепочку базовых станций, которые выступают в качестве релейных станций в опорной сети. Релейная база выступает в качестве абонентского устройства в донорной макросоте. Использование такой схемы позволяет быстро развернуть сеть, сохраняя низкую стоимость оборудования по-сравнению с использованием традиционной опорной сети. Использование релейных включений - это эффективный обмен емкости соты на площадь покрытия.

Самоорганизующиеся/самооптимизирующиеся сети (SON)

SON обеспечивает эффективное использование гетерогенных сетей (HetNets), гибридных сетей, которые включают малые соты для улучшения покрытия и емкости, обеспечиваемой традиционными макросотами. Несколько малых сот могут быть размещены в макросоте, используя те же частотные диапазоны, чтобы заполнить гэпы в покрытии и обеспечить дополнительную емкость.

Эффективное использование SON может сократить OPEX, а также нарастить емкость. Однако, если вести развитие сети хаотично, могут возникать проблемы. Необходима координация для того, чтобы избежать потери емкости. Необходима динамическая адаптация, чтобы максимизировать достигаемый эффект.

Некоторые элементы SON, такие, как сообщения CGI и автоматическое распознавание соседей (ANR - Automatic Neighbor Recognition), уже были внедрены в Rel.8, в Rel.9 есть улучшения RLF. Но если LTE обеспечивает базовые показатели, то LTE-A, где появился интерфейс X2, обеспечивающий возможность обмена информации; улучшенная координация интерференции между сотами; баланс нагрузки; минимизация необходимости драйв-тестов (MDT); само-исправление; энергосбережение. В релизе 11 предусмотрено также Coordinated Multipoint (CoMP).

Рис.3 Три из множества возможных для LTE-A сценариев агрегации частот, где частота f1 показана серым, а f2 - голубым: (a) f1 использована для наращивания покрытия, а f2 использован для наращивания скорости передачи данных (f2>f1)
(b) Обе частоты использованы для наращивания пропускной способности соты;
(c) f1 обеспечивает макро-покрытие и f2 используется для увеличения пропускной способности в хотспотах.

Управление интерференцией (IM)

Управление интерференцией - это еще одна фича LTE-A, которая достигается апгрейдом ПО, которая может обеспечивать увеличение спектральной эффективности (измеряемой в битах/с на Гц/кв.км). Это обеспечивает выигрыш за счет более эффективного совместного использования частот в заданной зоне. Фича является динамической и может работать в диапазоне до 100 мс.

Улучшенное подавление межсотовой интерференции (eICIC) представляет наращивание технологий управления интерференцией, которая использовалась в LTE Rel 8 и Rel 9. Отличие в том, что этот процесс не прозрачен в отношении абонентских устройств и таким образом необходимо вести его тестирование, например, с помощью Aeroflex TM500 Test Mobile.

ECIC требует координации между каждым из узлов сети, которые коммуницируют друг с другом по интерфейсу X2. В типичном случае макросоты, чьи зоны покрытия перекрываются с зонами покрытий одной или нескольких малых сот, могут координировать передачу с этими узлами. Это поможет сократить интерференцию, вызванную абонентскими устройствами в данных сотах в некоторых подкадрах, за счет ограничения передачи макросот до DL Common Reference Signal (CRS), без передачи данных, во время некоторых сабфреймов - этот режим называется Almost Blank Subframes (ABS) - почти пустые сабфреймы. Это снижает интерференцию на краю соты, образованной микро-сотой или пикосотой, а также обеспечивает возможность для микро- и пикосоты формировать "расширение радиуса соты", увеличивая зону покрытия во время этих сабфреймов.

Итоги

Все улучшения, которые появляются в LTE-A - SON, IM, малые соты, HetNets - обещают существенные выигрыши для операторов и подписчиков. Все эти компоненты, если их внедрить одноврменно, повышают спектральную эффективность, увеличивают емкость и покрытие, а также позволяет сети обслуживать большее число устройств более эффективно.

Эти улучшения достигаются за счет комбинации программных апгрейдов и эффективных по затратам замен железа. Комбинированный эффект обеспечивает выигрыш в емкости в 2.2 раза (рел.10 HetNet) по-сравнению с сетью, в которой используются только макросоты. Вдобавок преимущества LTE-A самоочевидны и ощутимы. Пользователям эта технология обещает общее улучшение качества опыта и снижения стоимости передачи данных. Оператор выиграет от сокращения OPEX и CAPEX за счет использования "интеллектуальности" HetNets, опции, которая сейчас внедряется. А также за счет дальнейшего повышения эффективности по мере развития железа. Производители сетевых решений уже способны обеспечить улучшения для интеллектуальных сетей HetNets, за которыми вскоре последуют CA и MIMO высоких порядков.

3G(UMTS) сети сами по себе уже являлись довольно продвинутой технологии и их поздние версии 3,75G с поддержкой технологий HSPA+ были фактически предтечей нового вида связи четвертого поколения 4G. В конечном итоге основным стандартом 4G стала связь LTE, которая затем была усовершенствована до LTE advanced. Для LTE advanced были озвучены следующие требования: стандарт скорости для движущихся объектов более 100 Мбит/с, для стационарных более 1Гбит/с. В отличие от своих предшественников благодаря новому радиомодулю LTE поддерживает уже не 2-3 основных частоты, а целую частотную полосу от 1,4Мгц до 20МГц. Каналы стали более широкополосными, а новые типы модуляции сигнала и протокол передачи данных который стал полностью цифровым (включая голос) обеспечили более высокую скорость.

Сравнительная таблица GPRS, 3G, 4G сетей

Для оборудования 4G сетей выделено около 70 стандартных диапазонов частот, так называемых BAND.

Используемые в России.

3 в диапазоне 1800 МГц FDD; 7 в диапазоне 2600 МГц FDD; 20 в диапазоне 800 МГц FDD;

31 в диапазоне 450 МГц FDD; 38 в диапазоне 2600 МГц TDD.

Таблица BAND используемых сотовыми операторами в России

Обозначения FDD и TDD обозначают виды обработки сигнала FDD это Frequency Division Duplex (частотный разнос входящего и исходящего канала), TDD - Time Division Duplex (временной разнос входящего и исходящего канала). В данном случае если мы имеем ширину канала в 20 МГц в FDD LTE, часть диапазона частот (15 МГц) отдаётся для приема, а часть (5 МГц) для передачи сигнала. Каналы не пересекаются по частотам и обеспечивается стабильная загрузка и выгрузка данных. TDD LTE полностью отдаёт полосу на прием и передачу, но данные передаются поочередно, при этом больший приоритет получает прием данных.

По статистике самый распространённый LTE диапазон в нашей стране 1800 МГц и потому следует покупать репитер 4G сигнала именно на эту частоту.

Категории 4G LTE

Так как диапазон используемых частот достаточно велик, и практически каждый год придумываются усовершенствования для приемного и передающего оборудования (новые типы модуляции, поддержка агрегации частот и многое другое), для стандартизации оборудования были введены специальные категории. Суть этих категорий достаточно проста - выше категория, значит выше скорость приема и передачи. Наиболее широко используемыми на сегодняшний день являются категории CAT3-CAT4. Это означает что максимально достижимая скорость мобильного интернета на прием (DownLink) может составлять 150 Мбит/секунду, на передачу (UpLink) - 50 Мбит/с. Для обычного пользователя знание категории оборудования LTE на данный момент весьма немаловажный фактор, т.к. многие новые устройства (те же мобильные телефоны или роутеры) аппаратно могут просто не поддерживать необходимую скорость обмена данными. На сегодняшний день в большинстве новых моделей телефонов, модемов и роутеров поддерживающих стандарт LTE обычно указывают номер категории. Оговоримся что на сегодняшний день устройства 5-6 категории только начинают появляться на рынке. Хотя на самом деле категорий уже 16 и они еще будут добавляться приведем здесь таблицу для 14 основных категорий.

Как видно из таблицы начиная с категории 6 (cat.6) устройства уже имеют новый стандарт LTE-A (Advanced). LTE-A это практически тот же самый LTE поддерживающий так называемую агрегацию частот. Агрегация частот позволяет смартфону, роутеру, модему работать сразу на нескольких частотах одновременно этим самым расширяя канал приема и передачи информации. В данном случае устройство подключается сразу к нескольким BAND-ам которые обслуживает оператор. Соответственно это будет возможно если роутер или телефон аппаратно поддерживает стандарт LTE-A.

Так что на сегодняшний день, теоретическая скорость интернета в сетях 4G LTE от 1Gb и выше ограничивается в основном выпускаемым оборудованием, т.е. производителям еще только предстоит догнать существующие стандарты... А на подходе уже 5G, но об этом мы поговорим немного позже.