Технологии мобильной связи развиваются в направлении повышения скорости передачи информации. Первые сотовые сети проектировались исключительно для обеспечения телефонной связи — голос передавался в аналоговом виде по коммутируемым каналам. В сетях второго поколения (2G), к которым относят GSM и CDMA, появилась возможность объединять ресурсы, выделяемые для нескольких голосовых вызовов, что позволяло несколько увеличить скорость передачи данных. Пакетные сервисы появились благодаря технологиям поколения 2,5G (в частности, GPRS и CDMA 1X), где пиковую скорость удалось поднять до 100 Кбит/с. В сетях 3G, таких как EvDO A/B и WCDMA/HSPA, пропускная способность беспроводных каналов существенно увеличилась, а задержки при передаче трафика снизились.

Но только LTE стала первой технологией мобильной связи, специально разработанной для передачи данных. Теоретическая пиковая скорость в сети LTE составляет 172 Мбит/с (в режиме MIMO 2×2) и 326 Мбит/с (MIMO 4×4) при использовании полосы 20 МГц.

В настоящее время готовится спецификация LTE Advanced, которая позволит при объединении пяти полос 20 МГц достичь фантастического уровня в 1 Гбит/с. При этом LTE значительно сокращает задержку трафика, что особенно важно для приложений реального времени, и повышает спектральную эффективность, имеющую принципиальное значение для любой технологии, которая нацелена на работу с таким дефицитным и дорогостоящим ресурсом, как радиочастоты. Наконец, LTE существенно упрощает сетевую архитектуру в целом, позволяя использовать все преимущества плоской сети IP с меньшим числом уровней и элементов, что ведет к значительному сокращению капитальных затрат (CAPEX) и расходов на обслуживание (OPEX).

В 2010 году в России и других странах СНГ было проведено несколько успешных тестов технологии LTE, подтвердивших ее высокую производительность. Так, весной 2010 года «ВымпелКом» совместно с Alcatel-Lucent открыли тестовую зону LTE в Казахстане, а затем на выставке «Связь-Экспокомм» продемонстрировали работу системы LTE, которая обеспечивала среднюю скорость около 60 Мбит/с при ширине частотной полосы 10 МГц. В августе «Ростелеком» и «Мегафон», генеральные партнеры XXII Олимпийских зимних игр Сочи-2014, объявили об успешном тестировании сети LTE на территории одного из главных олимпийских объектов — горнолыжного комплекса «Роза Хутор», расположенного в Красной Поляне. Испытания наглядно продемонстрировали, что по своим возможностям LTE более чем в 10 раз превосходит 3G — скорость передачи данных в рамках презентации достигала 100 Мбит/с.

ТЕНДЕНЦИИ РОСТА

Безусловно, главным аргументом в пользу скорейшего внедрения LTE является рост объемов данных, передаваемых по сетям мобильной связи. Сегодня основной вклад в этот объем вносит трафик Web. Так, согласно исследованию, проведенному недавно компанией Alcatel-Lucent в Северной Америке, в рабочие часы трафик, связанный с просмотром Web-сайтов, занимает 69% пропускной способности канала передачи данных, тогда как, например, на электронную почту расходуется только 4% этой полосы.

Лавинообразно увеличивающееся число пользователей Интернета будет способствовать дальнейшему росту объемов пересылаемых данных. В России уровень интернет-проникновения составляет около 30%, что намного ниже уровня распространения SIM-карт — 155% (по этому показателю наша страна одна из первых в мире). Ликвидация очевидного «разрыва» приведет к росту рынка мобильного интернет-доступа. Кроме того, увеличению объемов трафика данных способствует еще целый ряд тенденций:

  • Повышение «интеллекта» оконечных устройств. Популярность компактных нетбуков, а также смартфонов наподобие Apple iPhone и RIM BlackBerry стремительно растет; по статистике, пользователи таких устройств «генерируют» в 4–10 раз больше трафика, чем владельцы обычных мобильных телефонов.
  • «Облачные» сервисы. По мере того как информация и приложения перемещаются в сетевые инфраструктуры, возможности компактных мобильных терминалов значительно расширяются. Рядовые потребители могут хранить в «облаках» свои фотографии, видеоролики, музыку и другой цифровой контент. Это позволяет разгрузить абонентское устройство благодаря возможности доступа к любой информации в любое время из любого места. Для бизнес-пользователей «облака» становятся надежными площадками для хранения критически важных данных.
  • Предоставление сервисов по принципу SaaS. Благодаря реализации сервис-провайдерами модели «программное обеспечение как сервис» (Software-as-a-Service, SaaS) любой пользователь (сотрудник какого-либо предприятия или частное лицо) имеет возможность арендовать необходимые ему приложения и таким образом получить существенную экономию. Например, предприятие малого бизнеса, для которого приобретение полного программного пакета по традиционной схеме является слишком затратным делом, может по привлекательной цене арендовать ПО автоматизации продаж всего для двух рабочих мест.
  • Mashup. Это понятие, пока еще не получившее устоявшегося русскоязычного варианта, предполагает, что приложение задействует контент из различных источников. Одним из примеров «мешанины» является использование на Web-сайте картографических данных Google Map совместно с локальной базой данных.
  • Увеличение числа сеансов связи. В будущем сеансы связи будут все чаще инициироваться не только пользователями, но и различными приложениями в автоматическом режиме. В частности, браузеры мобильных терминалов будут инициировать множество соединений (с одного терминала) для загрузки «заплат» систем безопасности, обновления локальных мини-баз данных, поддержки приложений mashup.

Упомянутые приложения и сервисы частично уже используются в современных сетях мобильной связи, но их полноценная реализация станет возможной только с внедрением высокоскоростных систем LTE.

«ВГЛУБЬ» РАДИО LTE

В радиосегменте LTE при передаче данных в направлении к пользователю (вниз) применяется технология ортогонального частотного мультиплексирования (Orthogonal FDMA, OFDMA), которая по своей спектральной эффективности превосходит радиотехнологию WCDMA (последняя применяется в системах HSPA+), причем это преимущество увеличивается при расширении частотной полосы (увеличении скорости передачи).

Базовый принцип OFDMA заключается в разделении высокоскоростного потока данных на множество параллельных потоков, каждый из которых передается на своей поднесущей. Для формирования сигналов OFDMA применяется обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT). Разнос несущих в LTE составляет 15 кГц и остается неизменным независимо от доступной полосы частот, что упрощает проектирование радиосети и обеспечивает поддержку радиоканалов различной ширины. Гибкость технологии OFDMA проявляется и в том, что она позволяет выделять разным пользователям разное число поднесущих в конкретный момент времени.

Для передачи вверх в LTE выбран метод SC-FDMA (Single Carrier FDMA), применение которого позволяет снизить стоимость терминала и его энергозатраты, что увеличивает время автономной работы без подзарядки. Ряд других технологий, например WiMAX, для передачи как вверх, так и вниз применяют метод OFDMA, а потому не дают таких преимуществ.

Хотя LTE может работать с использованием частотных полос от 1,4 (72 поднесущие) до 20 МГц (1200 поднесущих), при увеличении полосы спектральная эффективность технологии повышается. Анализ, проведенный организацией 3G Americas, показал, что с наибольшей эффективностью эту технологию можно применять в полосе 5 МГц и выше. При сужении полосы до 3 МГц спектральная эффективность снижается на 13%, а при дальнейшем сокращении до 1,4 МГц — на 40%.

Следует также отметить, что технология LTE может работать с полосами не только разной ширины, но и с разбросанными по разным частотным диапазонам. Скажем, первая коммерческая сеть LTE в Северной Америке, которую строит компания Verizon, будет работать в диапазоне 700 МГц. В Европе многие тестовые сети развернуты в диапазоне 2,6 ГГц, кроме того, для LTE освобождается диапазон 800 МГц (за счет свертывания систем аналогового ТВ). Новая технология поддерживает и традиционные диапазоны GSM — 900 и 1800 МГц, поэтому операторы этих сетей могут повторно использовать существующие активы и лицензии. Alcatel-Lucent предлагает конвергентное решение, которое позволяет поддерживать в одной сети сразу три поколения технологий сотовой связи — 2G, 3G и LTE. Радиомодули, основанные на принципах Software Defined Radio (SDR), можно устанавливать в уже эксплуатируемые базовые станции, что обеспечит постепенный переход от GSM к LTE.

ПАНОРАМА ВСЕЙ СЕТИ

Значительное увеличение скорости передачи данных в радиосегменте может привести к проблемам в распределительной сети (backhaul), связывающей базовые станции с основными узлами связи оператора. По предварительной оценке, для подключения каждой базовой станции LTE потребуется канал с пропускной способностью от 50 до 100 Мбит/с. Так, компания Verizon заявила, что в ходе развертывания систем LTE она намерена подвести к каждой «базе» канал 100 Мбит/с. Многим операторам придется существенно модернизировать распределительные сети, в том числе с применением самых современных волоконно-оптических и радиорелейных систем IP/Ethernet.

Задачу облегчает то обстоятельство, что технология LTE полностью ориентирована на IP, а значит, позволяет использовать «чистую» сеть IP без каких-либо «вкраплений» иных технологий. Это упрощает и удешевляет инфраструктуру, а также снижает задержку трафика. Благодаря хорошо отработанным технологиям передачи других типов трафика (TDM, ATM и пр.), к широкополосной сети IP можно подключать и различные «унаследованные» системы, в том числе базовые станции 2G и 3G. Наконец, единая сеть IP/Ethernet может выступать в качестве основной для предоставления услуг связи не только мобильным абонентам, но и пользователям, подключенным по фиксированным (проводным) каналам, а кроме того, она станет важным элементом для конвергенции мобильной и фиксированной связи.

Операторы по всему миру активно переходят к сетям полностью на базе IP, которые служат транспортной платформой не только для LTE, но и для проводных широкополосных решений, например FTTH. Как ожидается, эти сети нового поколения должны обеспечить гибкое масштабирование пропускной способности на всех участках (от уровня доступа до ядра) для поддержки стремительного роста трафика, при этом стоимость передачи бита информации будет минимальной. Неотъемлемым элементом таких сетей является встроенный интеллект для поддержки приложений и сервисов, гарантии необходимого им качества обслуживания (QoS), оптимизации потоков трафика и т. п. Подобные сети в компании Alcatel-Lucent называют «высокоэффективными» (High Leverage Network, HLN), а переход к таким сетям является стратегической задачей операторов.

По прогнозу Pyramid Research, в ближайшие пять лет число абонентов сетей LTE во всем мире будет расти более чем на 400% в год, а значит, по темпам внедрения эта технология опередит всех своих предшественников, включая 3G. На начальном этапе LTE получит наибольшее распространение в экономически развитых странах, таких как США и Япония. Начиная с 2015 года, как полагают эксперты Pyramid Research, следует ожидать взрывного роста абонентской базы LTE в развивающихся странах, в первую очередь в Китае.

В России внедрение LTE сдерживается прежде всего проблемами с выделением частот, но есть основания полагать, что они будут успешно решены, и наша страна окажется в числе лидеров по внедрению систем широкополосной мобильной связи 4G.

Максим Иконников — руководитель подразделения беспроводных технологий департамента развития бизнеса и технологий Alcatel-Lucent в России и странах СНГ.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF