На протяжении последних двух-трех лет технология LTE является, пожалуй, главным ньюсмейкером в мире сотовой связи. «Журнал сетевых решений/TELECOM» уже писал о том, что в 2010 году российские сотовые операторы активно «пробовали» эту технологию: ее возможности демонстрировались на выставке «Связь-Экспокомм», тестировались на олимпийских объектах в Сочи, а в Казани был осуществлен пилотный запуск сети Yota (из-за отсутствия необходимых разрешительных документов компания «Скартел» временно прекратила ее эксплуатацию). Перспективы коммерческих внедрений до сих пор окутаны туманом, который, впрочем, начал рассеиваться с принятием Правительством РФ распоряжения № 57-р от 21 января 2011 года. Но, дабы сохранить интригу, детали этого документа мы обсудим в заключительной части статьи.

В целом в мире по состоянию на конец декабря 2010 года эксперты Light Reading насчитали девять коммерческих сетей LTE (см. Таблицу 1). При этом учитывались только те сети, клиенты которых могли приобрести абонентское устройство (модем или смартфон — последний вариант пока доступен только пользователям сети MetroPCS в США) и заключить контракт на использование услуг. Те же инсталляции LTE, которые не предлагают сервисы как коммерческий продукт, в таблицу включены не были. По этой причине в него не попали, в частности, проекты компаний МТС и UCell в Узбекистане.

Большинство крупных операторов сотовой связи по всему миру рассматривают внедрение LTE в качестве следующего шага развития своего бизнеса: согласно информации Global mobile Suppliers Association (GSA), 180 операторов в 70 странах уже инвестируют средства в эту технологию, а 128 компаний подтвердили планы по развертыванию коммерческих сетей LTE. Эксперты этой организации полагают, что к концу 2012 года на стадию коммерческой эксплуатации выйдут, по меньшей мере, 64 сети LTE, причем по темпам принятия «на вооружение» операторами связи LTE превосходит все предыдущие технологии мобильной связи, включая HSPA, до сих пор демонстрирующую рекордные показатели.

 

В ПРОТИВОСТОЯНИИ С WIMAX

С момента появления первых стандартов на LTE в профессиональной среде развернулась острая дискуссия между сторонниками этой технологии и апологетами WiMAX. Однако первым удалось довольно убедительно доказать, что LTE имеет превосходство по таким ключевым характеристикам, как скорость передачи, спектральная эффективность и средняя пропускная способность соты, что, собственно говоря, естественно для более новой технологии. После того как ставку на LTE сделали операторы сотовой связи, о планах миграции на нее стали говорить и компании, изначально ориентировавшиеся на WiMAX (например, уже упоминавшаяся «Скартел», которая работает под торговой маркой Yota).

Но вышесказанное не означает, что у WiMAX нет никаких перспектив. В 2010 году основанные на этой технологии сети развивались очень успешно: по данным Maravedis, в IV квартале число пользователей таких сетей увеличилось на 3,7 млн и вплотную приблизилось к 13 млн, а к концу текущего года этот показатель возрастет еще на 5,5 млн и достигнет 18,5 млн. Cетям LTE до таких цифр еще далеко: их услугами к началу 2012 года воспользуются только 6,5 млн. Однако через пять лет ситуация может кардинально поменяться. Эксперты той же Maravedis прогнозируют, что к 2016 году сети LTE будут насчитывать более 350 млн абонентов, тогда как число пользователей сервисов WiMAX достигнет только 50 млн.

 

УСКОРЯЯ LTE

В свое время МСЭ сформулировал требования к системам IMT Advanced (4G), которые должны прийти на смену IMT 2000, то есть поколению 3G. Одно из ключевых — обеспечение пропускной способности 100 Мбит/с для объектов, передвигающихся с высокой скоростью (high mobility), и 1 Гбит/с для объектов с низкой степенью мобильности (low mobility). К первым можно отнести, например, движущийся автомобиль, ко вторым — пешехода. Даже теоретическая пиковая скорость загрузки информации (линия вниз, к абоненту) в сети LTE при использовании схемы MIMO 4x4 (326 Мбит/с) не соответствует этому условию.

Для достижения требуемых от систем 4G скоростей в технологии LTE Advanced предусмотрена возможность объединения до пяти частотных полос (несущих) по 20 МГц — это максимальная полоса для LTE. Таким образом, теоретически оператор может использовать полосу 100 МГц (см. Рисунок 1), что обеспечит даже превышение целевой планки в 1 Гбит/с. Но, по мнению экспертов, поначалу в сетях LTE Advanced будет реализована агрегация максимум двух несущих. Важно, что агрегация обеспечивается как для соседних несущих, так и несущих из разных частотных участков, что повышает свободу маневра оператора при использовании имеющегося радиоресурса.

 

Рисунок 1. Одним из основных способов повышения скорости передачи информации в технологии LTE Advanced является возможность объединения частотных несущих. При этом допускается агрегация несущих из разных частотных полос.

 

Повышению скоростей передачи служит и развитие технологии Multiple Input Multiple Output (MIMO). Напомним, что технология LTE (Release 8) в направлении вниз позволяла применять схему MIMO с четырьмя антеннами, причем пространственно разнесенное мультиплексирование поддерживалось как для однопользовательского (SU-MIMO), так и для многопользовательского (MU-MIMO) режима. Последний дает возможность организовать доступ в сеть нескольких пользователей на одних и тех же частотно-временных каналах, что увеличивает суммарную пропускную способность сети. В направлении вверх системы LTE поддерживали только схему MU-MIMO, следовательно, от одного терминала может исходить только один поток. LTE Advanced допускает использование в направлении вниз до восьми антенн, а вверх — до четырех (см. Рисунок 2). Существенным достоинством технологии MIMO является то, что она позволяет повысить не только скорость передачи, но и спектральную эффективность (чего не происходит в случае агрегации несущих). Кроме того, при помощи схем MIMO можно улучшить качество связи на границах сот и расширить зону покрытия.

 

Рисунок 2. Максимальное число антенн при использовании схем MIMO в технологиях LTE и LTE Advanced (LTE-A).

 

На решение этих задач нацелена и технология скоординированной многоточечной передачи и обработки сигналов (Coordinated Multi-Point, CoMP). Как известно, в обычных сетях мобильной связи, особенно при переиспользовании частот в каждой соте, интерференция сигналов, идущих от базовых станций соседних сот, приводит к снижению емкости системы. Цель разработчиков CoMP заключалась в том, чтобы сигнал, поступающий на терминал из соседней соты, вместо вреда приносил пользу.

 

Рисунок 3. Технологии скоординированной многоточечной передачи и обработки сигналов (Coordinated Multi-Point, CoMP).

 

Технология CoMP имеет несколько вариантов (см. Рисунок 3) — это режимы скоординированной обработки (joint processing), доставки (coordinated scheduling) и формирования диаграммы направленности (coordinated beamforming). В первом случае данные для передачи на абонентский терминал должны иметься в каждом передающем узле, то есть на множестве базовых станций eNodeB. При этом сама передача может осуществляться как одновременно с нескольких узлов eNodeB, так и только с одного узла (задействуется механизм динамического выбора соты). При использовании двух других режимов трафик передается только с одного узла eNodeB, но при этом осуществляется координация работы всех сот. Для эффективной работы технологии CoMP требуется обратная связь с терминалами: они должны сообщать наверх о характеристиках каналов, в частности об уровне шума, помех и пр.

 

Рисунок 4. Технология ретрансляции.

 

Еще одна область, в которой LTE Advanced предлагает существенные усовершенствования по сравнению с LTE, — это ретрансляция сигнала (Relaying). Узел-ретранслятор является промежуточным звеном между абонентским устройством и базовой станцией-донором (eNodeB). Последняя может обслуживать не только один или несколько узлов-ретрансляторов, но и абонентские устройства напрямую (см. Рисунок 4). Имеются различные варианты работы ретранслятора. Например, он может функционировать на физическом уровне (уровень 1 в модели OSI), просто усиливая сигнал, получаемый от основного узла eNodeB. Включение функционала второго уровня (уровень контроля доступа к среде — Medium Access Control, MAC) позволит ретранслятору перекодировать получаемый сигнал, а следовательно, повысить качество связи в обслуживаемой зоне. Платой за это станет повышение степени сложности устройства ретранслятора и увеличение временной задержки доставки данных. Подъем еще выше, на третий уровень, означает, что ретранслятор будет способен устанавливать сеансы связи и осуществлять процедуру хэндовера, то есть, по сути, он превратится в полноценный узел eNodeB. Выбор различных вариантов функционирования ретранслятора повышает вариативность при проектировании, построении и развитии сети, а сам принцип ретрансляции позволяет расширить зону охвата и улучшить качество связи на границах сот при общей оптимизации стоимости сети.

Рассмотренные выше меры, наряду с рядом других алгоритмов, позволяют LTE Advanced в полной мере соответствовать требованиям к системам IMT Advanced/4G (см. Таблицу 2). Спецификации, где они будут документально оформлены (Release 10), должны появиться уже в текущем году, а первые инсталляции систем LTE Advanced — в 2012 году.

 

ИГРА В ДОГОНЯЛКИ

Что же WiMAX? В части принятия стандартов сторонникам этой технологии, похоже, удастся немного обогнать разработчиков из 3GPP: выпуск стандарта 802.16m был обещан на конец 2010 года, и хотя на момент написания данной статьи (начало февраля 2011 года) официально доступен лишь рабочий вариант (draft) № 11, по-видимому, никаких серьезных изменений в спецификациях уже не будет. Запуск сетей, основанных на технологии 802.16m, ожидается в 2012 году. Возможно, существенные технические улучшения и признание WirelessMAN Advanced технологией 4G даст дополнительный толчок развитию сетей WiMAX.

Для достижения требуемой от систем 4G гигабитной скорости в технологии WiMAX применен абсолютно тот же прием, что и в LTE: объединение нескольких несущих по 20 МГц в полосу шириной до 100 МГц. Точно так же можно агрегировать и соседние, и разнесенные по спектру полосы. Не меньшее внимание уделено и развитию схем MIMO. Для систем 802.16m поддержка схем MIMO 2x2 на линии вниз и MIMO 2x1 на линии вверх признана обязательной, тогда как в предыдущем варианте WiMAX (IEEE 802.16e) технологии MIMO были описаны, но жесткие требования по их реализации отсутствовали. Максимальными по числу задействованных антенн (передаваемых потоков) для систем 802.16m являются схемы MIMO 8x8 (вниз) и 4x4 (вверх). Как и в LTE предусмотрена возможность применения однопользовательского (SU-MIMO) и многопользовательского (MU-MIMO) режимов.

В 802.16m предложен ряд алгоритмов для снижения временной задержки передачи пакетов, что особенно важно для голосовых и других приложений реального времени. Если в системах 802.16e длина кадра могла варьироваться от 2 до 20 мс, то стандартом 802.16e она жестко определена в 5 мс (хотя для передачи данных предусмотрена возможность объединения до четырех стандартных кадров в суперфрейм длиной 20 мс). Фиксированная длина кадра делает передачу данных более предсказуемой и позволяет избежать ситуаций, когда кадр с голосовой информацией вынужден «ждать», пока проследует длинный кадр с данными. Использование кадров длительностью 5 мс облегчит сопряжение систем 802.16m с другими системами, например, с той же LTE, в которой применяются кадры 5 и 10 мс. В целом задержка в системах 802.16m должна быть ниже 10 мс (для сравнения, в 802.16е она составляет примерно 20 мс), что соответствует требованию IMT Advanced.

В свое время сторонники LTE активно критиковали относительно низкую энергетическую эффективность терминалов WiMAX. Если WiMAX использует технологию Orthogonal FDMA (OFDMA) на линиях вниз и вверх, то в системах LTE, где сигналы вниз передаются по OFDMA, для передачи вверх был выбран метод Single Carrier FDMA (SC FDMA), применение которого позволяет существенно снизить энергозатраты терминала и увеличить время его автономной работы без подзарядки. Критика оказалась услышанной, и в стандарте 802.16m значительно улучшены режимы сна (Sleep Mode) и ожидания (Idle Mode). В частности, в нем предусмотрен алгоритм, который в зависимости от текущего состояния трафика способен динамически подстраивать размер «окна» (период) сна и прослушивания сети. А находясь в режиме ожидания, терминалы теперь смогут периодически откликаться на широковещательные запросы, но не регистрироваться на конкретной базовой станции 802.16m.

Среди других функций, обещанных для систем 802.16m, выделим поддержку фемтосот и узлов-ретрансляторов, повышение эффективности широковещательных и групповых рассылок, развитие средств определения местоположения терминала — как на основе GPS, так и с применением других методов. Кроме того, одним из ключевых направлений развития всех сетей, включая WiMAX и LTE, является реализация принципов самоорганизующихся сетей (Self Organized Network, SON). К числу базовых возможностей SON относится автоматизация процедур конфигурации, что дает возможность внедрять новые сетевые узлы по принципу Plug and Play, осуществлять быстрое переконфигурирование сетей и ремаршрутизацию трафика, например в случае аварий. Средства самооптимизации позволят в будущем автоматически подбирать характеристики сети для обеспечения требуемого уровня обслуживания приложений при изменении уровня трафика и других условий.

В целом новая технология 802.16m позволит существенно повысить спектральную эффективность сетей WiMAX. На линии вниз ее максимальный уровень (в расчете на сектор) составит 15 бит/с/Гц (для 802.16е — 6,4 бит/с/Гц), а на линии вверх — 6,75 бит/с/Гц (для 802.16е — 2,8 бит/с/Гц). Все в строгом соответствии с требованиями IMT Advanced (см. Таблицу 2).

 

LTE В ЗАКОНЕ

В конце января текущего года был утвержден план использования частот «в рамках развития перспективных радиотехнологий в Российской Федерации», к которым отнесены, в частности, LTE и WiMAX. Для них предполагается выделить частотные ресурсы в диапазонах 2,3–2,7 МГц (эксплуатируемые сегодня в России сети WiMAX работают на частотах 2,5–2,7 и 3,5 МГц). Кроме того, для LTE предлагаются частоты в диапазонах 800 и 900 МГц. В качестве срока проведения конкурса или выпуска решения ГКРЧ указан 2014 или 2015 год, на те же сроки правительство запланировало и начало предоставления услуг LTE. Это несколько расходится с озвученными планами операторов: так, представители «Скартел» заявляли о намерении развернуть сети LTE уже в текущем году, а «МегаФон», будучи генеральным партнером Олимпиады-2014, планировал охватить услугами LTE олимпийские объекты в Краснодарском крае в следующем году.

Впрочем во всем есть свои плюсы: к указанному в правительственном документе сроку, обусловленному необходимостью расчистки соответствующих частот, уже будут обкатаны решения LTE Advanced и WirelessMAN Advanced, а потому россияне смогут получить действительно самые современные услуги. Смущает то, что в том же документе рекомендуемые на одного оператора полосы не превышают 40 МГц, а значит, получить максимальную скорость передачи информации не удастся. Да и как наши сотовые операторы смогут справиться со стремительным ростом трафика мобильной передачи данных в ближайшие три-четыре года? Сделать это без помощи технологий 4G будет очень сложно.

Александр Барсков — ведущий редактор «Журнала сетевых решений/LAN». С ним можно связаться по адресу: ab@lanmag.ru.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

Купить номер с этой статьей в PDF