Семинар оказался далеко не ординарным событием среди тысяч мероприятий по технологиям мобильной связи, ежегодно организуемых по всему миру. Как выяснилось довольно скоро, прозвучавшие на нем предложения о путях эволюции интерфейсов UTRAN стали фундаментом разработки новых стандартов мобильной связи. В первую очередь, речь идет о развитии сетей UMTS, которые, согласно прогнозам аналитиков, в ближайшие годы ожидает бурный рост (рис. 1).

Прозвучавшие на семинаре ключевые требования к разработке новых стандартов заключались в следующем. Необходимо снизить стоимость систем в пересчете на 1 бит передаваемых данных, расширить спектр услуг для абонентов без роста издержек, повысить уровень удовлетворенности потребителей, достичь большей гибкости использования задействуемых областей радиоспектра и полос, которые будут выделены в будущем, упростить сетевую архитектуру и перейти на открытые интерфейсы, не сильно повысив энергопотребление терминальных устройств. Усовершенствования имеющихся интерфейсов UTRAN должны иметь достаточно радикальный характер (чтобы работа над новыми стандартами оправдала себя), но не содержать новшеств, без которых вполне можно обойтись.

Итоги работы семинара и активная поддержка выдвинутых на нем инициатив членами консорциума 3GPP привели к тому, что уже в декабре 2004 года стартовал исследовательский проект UTRA & UTRAN Long Term Evolution, призванный перевести качественные требования на язык количественных показателей и конкретных технологий. Предполагалось, что в новых стандартах будут предусмотрены значительное увеличение пиковых значений скорости передачи данных в нисходящем и восходящем направлениях, рост пропускной способности на границе соты, повышение спектральной эффективности, сокращение задержек передачи, возможность использования рабочих полос частот разной ширины, снижение энергопотребления терминальных устройств, поддержка хэндовера с сетями более ранних стандартов, доступность сервисов при высоких скоростях передвижения абонента.

Через какое-то время стало очевидно: совершенствование сетей UMTS, которое минимум на десятилетие обеспечит им прочные позиции на рынке высокоскоростной беспроводной передачи данных (прежде всего, в условиях жесткой конкуренции с сетями WiMAX), не может ограничиться только интерфейсной частью. Оно обязано затронуть системную архитектуру и технологии передачи данных в нисходящем и восходящем направлениях. В результате работа над новым семейством стандартов E-UTRAN (Evolved UTRAN) разбилась на три направления — System Architecture Evolution (SAE), Long Term Evolution (LTE) и HSPA Evolution (HSPA+). Эти термины и соответствующие технические характеристики были официально сформулированы в документе Mobile Broadband: The Global Evolution of UMTS/HSPA Release 7 and Beyond, опубликованном консорциумом 3GPP в июле прошлого года (среди профессионалов он больше известен как 3GPP Rel-7). Здесь мы поговорим о спецификациях LTE.

От пожеланий — к цифрам

Российские сотовые абоненты, которые для мобильного доступа к Internet используют технологию GPRS, воспринимают технические параметры сетей 3G очередного поколения как выдержку из хайтековского фантастического романа (см. таблицу). В сетях, соответствующих спецификациям LTE, передача данных в нисходящем направлении должна осуществляться со скоростью 100 Мбит/с, а в восходящем — 50 Мбит/с (оба показателя относятся к полосе частот шириной 20 МГц). Сети LTE смогут одновременно поддерживать минимум 200 активных абонентов на каждую соту в спектральной полосе шириной 5 МГц. Для реализации услуг VoIP и других сервисов, чувствительных к задержкам передачи трафика, предусмотрено значительное снижение последних. Согласно предварительной версии стандарта, при малой нагрузке (один абонент работает с одним потоком данных) задержка передачи коротких IP-пакетов не будет превышать 5 мс.

Доступная абоненту пропускная способность в пересчете на 1 МГц должна в нисходящем направлении в 3–4 раза превзойти аналогичный параметр сетей HSDPA, а в восходящем быть в 2–3 раза большей пропускной способности расширенного канала (Enhanced Uplink), описанного в документе 3GPP Rel-6. Точно такие же пропорции установлены для спектральной эффективности нисходящего и восходящего каналов в условиях высокой загрузки сети.

Более расплывчатые показатели сформулированы для обмена данными с быстро перемещающимся абонентом. Предполагается, что оптимальные параметры передачи будут поддерживаться на скоростях до 15 км/ч. Высокоскоростная передача данных должна оставаться доступной и при движении абонента со скоростью 15–120 км/ч, но конкретный диапазон значений пропускной способности не уточняется. Наконец, в целом поддержка мобильности в сотовых сетях LTE должна сохраняться вплоть до скоростей 350 км/ч, а в отдельных случаях, определяемых используемым радиоспектром, — до 500 км/ч!

Сформулированы новые требования и к размерам сот. Максимальные значения пропускной способности, спектральной эффективности и поддержка мобильности должны сохраняться на расстоянии 5 км от базовой станции. При удалении от нее на 30 км предусмотрено слабое ухудшение этих характеристик. Авторы спецификаций не исключают даже, что иногда радиус действия базовой станции может доходить до 100 км.

Среди других характеристик будущих сетей LTE отметим одновременную поддержку голосового трафика и расширенных широковещательных мультимедиа-услуг (Multimedia Broadcast Multicast Service, MBMS), которая будет достигнута без существенного усложнения терминальных устройств. Сети LTE станут поддерживать хэндовер с системами, основанными на нынешних технологиях радиодоступа 3GPP GERAN/UTRAN, с восстановлением сервисов реального времени менее чем за 300 мс. Такие сети обеспечат сквозное управление QoS и возможность выравнивания нагрузки между разными технологиями радиодоступа. Разработчики стандарта исходили из того, что оборудование LTE должно использовать спектр, выделенный под действующие сети 2G и 3G, уметь работать в полосах радиоспектра разной ширины (1,25; 1,6; 2,5; 5; 10; 15 и 20 МГц) в обоих направлениях передачи, поддерживать дуплексные технологии TDD и FDD.

Итак, по техническим характеристикам сети LTE значительно превосходят системы, соответствующие базовым стандартам группы 3G и даже спецификациям HSDPA/HSUPA. В этой связи некоторые эксперты называют LTE сетями поколения 3,99, подчеркивая как их явную близость к системам четвертого поколения, так и отличия от технологий «истинных» сетей 4G.

И невозможное возможно

Надо ли говорить, что внести в проект будущего стандарта невиданные ранее значения пропускной способности, спектральной эффективности и радиуса зоны действия базовой станции — дело нехитрое. Куда сложнее создать технологии, которые обеспечат реализацию запланированных параметров.

Задолго до завершения работ над стандартом LTE его авторы сошлись на том, что двумя ключевыми технологиями сетей нового типа будут ортогональное многочастотное уплотнение (OFDM) и применение множественных антенн (MIMO). Выбор алгоритмов OFDM для передачи данных на отдельной несущей и OFDMA для множественного доступа продиктован высокой устойчивостью OFDM-сигнала к интерференционным помехам. Как известно, это качество достигается благодаря разделению передаваемых данных по нескольким близким взаимно ортогональным частотам (поднесущим) и специальным методам коррекции ошибок передачи. В последние годы преимущества OFDM были проверены на практике благодаря применению этого алгоритма в сетях Wi-Fi и WiMAX.

Спецификации LTE предусматривают использование максимум 2048 поднесущих, разнесенных друг относительно друга на 15 кГц. Теоретически, абонентским LTE-терминалам предстоит научиться воспринимать сигналы на всех 2048 поднесущих, но на практике базовая станция будет задействовать лишь малую их часть, что позволит любому терминалу обмениваться данными с любой базовой станцией. Для модуляции собственно OFDM-сигнала в зависимости от условий передачи могут служить алгоритмы QPSK, 16QAM и 64QAM (см. таблицу).

Конкретные реализации метода OFDM в сетях LTE будут разными для нисходящего и восходящего соединений. Это связано с различиями как скоростей передачи трафика в противоположных направлениях, так и оборудования на разных концах соединения. Скажем, для передачи данных в восходящем направлении предполагается использовать метод доступа с единой несущей (Single Carrier FDMA, SC-FDMA). Это позволит решить одну из ключевых проблем сетей третьего поколения на базе технологии кодового уплотнения каналов (CDMA) — устранить значительные различия между пиковыми и средними значениями энергопотребления и обусловленную ими низкую эффективность усилителей мощности на передающем конце соединения, которая приводит к заметному уменьшению времени работы аккумуляторов.

Отметим также, что OFDM-уплотнение позволяет достичь высоких скоростей передачи данных, а ведь это — один из основных мотивов разработки LTE. Другая идея, способствующая достижению той же цели, — применение технологии множественных антенн (Multiple Input, Multiple Output, MIMO). Она также прекрасно зарекомендовала себя в разных приложениях, прежде всего — в сетях Wi-Fi. Установка нескольких антенн на передающем и принимающем концах соединения позволяет передавать данные в радиоэфире по нескольким путям, достигая роста интенсивности трафика без увеличения уровня помех (рис. 2).

Как и в случае с OFDM, реализации технологии MIMO будут различными на двух концах соединения, но на сей раз основная причина этого состоит в стремлении снизить стоимость абонентского оборудования. Для нисходящего соединения вполне достаточно двух антенн на базовой станции и двух на мобильном терминале, хотя авторы спецификаций LTE не исключают использования конфигураций с четырьмя антеннами. При передаче трафика от терминала к базовой станции будет задействована многопользовательская схема (Multi-User MIMO, MU-MIMO). Она предполагает наличие единственной передающей антенны на абонентском терминале, что позволяет уменьшить стоимость последнего. В данной конфигурации по одному и тому же радиоканалу может передаваться восходящий трафик сразу от нескольких абонентов, но к интерференции это не приведет благодаря применению взаимно ортогональных начальных комбинаций символов в потоках данных.

Стремительная эволюция

Первые идеи, ставшие основой новой технологии сетей сотовой связи, прозвучали около трех лет назад. Аббревиатуру LTE официально ввели в обиход летом 2006 года, а уже на февральском 3GSM Congress 2007 года об LTE заговорили, что называется, на каждом углу. Принятие окончательной версии стандарта LTE было запланировано на то время, когда писалась эта статья. Аналитики ожидают, что первые коммерческие сети LTE появятся в 2009–2010 годах, а наиболее оптимистично настроенные эксперты называют даже 2008 год.

Такие темпы не могут не удивлять. Локомотив смены телекоммуникационных технологий, подгоняемый обострением конкуренции, насыщением абонентской базы, ростом запросов пользователей и необходимостью снижения издержек, несется на всех парах. И только те, кто «рулят» этим процессом, видимо, по привычке продолжают называть происходящее долговременной эволюцией.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями