Принципы построения и расчета сетей мобильной связи стандарта LTE

Основные этапы развития технологии LTE

К 1991 году относят рождение поколения сотовой связи 2G - GSM (Global System for Mobile Communications) стандарт. Его диапазон частот был 890-960 МГц, а затем и 1800 МГц. Во втором поколении связь стала более качественной за счет оцифровки звука. Однако из-за того, что уровень сигнала был слишком низким, GSM-операторы вынуждены были размещать большое количество базовых станций, чтобы люди не испытывали проблем со связью. Скорость передачи данных внутри GSM не превышает 9,6 кбит/с, что не позволяет передачу более высококачественного звука или видео.

В декабре 1998 года было создано объединение нескольких организаций, занимающихся стандартизацией в области телекоммуникаций, получившее название 3GPP (3rd Generation Partnership Project) подписанием «Соглашения о партнерстве по проекту в области технологий третьего поколения». Это позволило объединить усилия по созданию новых технологий и обеспечить полную совместимость оборудования (см. рис. 4.1).

В скором времени консорциумом были разработаны цифровые системы мобильной связи второго поколения (2G), описанные в Release 99, который определяет универсальную наземную сеть радио доступа (UTRAN) UMTS и особенности интерфейса 3G, технологию W-CDMA Технология CDMA основывается на кодовом разделении каналов, а технология GSM - на временном. Однако обе являются технологиями с коммутацией каналов с максимальной скоростью передачи данных - 384 кбит/c. И разрабатывались они для передачи голоса.

Рисунок 4.1 - Публикации Международного Союза Электросвязи и подход к основополагающему LTE Release 8

Release 4 был следующим сборником технических спецификаций стандарта UMTS, в котором вводятся изменения в архитектуру базовой сети CN (Core Network), представленные на рисунке 4.2:

1) шлюз данных MGW (Media Gateway), управляющий потоками данных, создаваемых абонентами сети с использованием протоколов GTP/IP (GPRS Tunneling Protocol);

2) сервер центра коммутации подвижной связи MSC (Mobile Switching Center) и шлюз сигнализации SGW (Signaling Gateway), которые управляют функциями соединения вызова и сигнализации, что позволяет в MSC логически разделять пользовательские данные и служебную информацию.

Рисунок 4.2 - Изменения в архитектуре сети Release 4

Для передачи различных данных с использованием коммутации пакетов, и для повышения эффективности использования радиоресурсов, были разработаны надстройки GPRS и EDGE, что позволило увеличить пропускную способность каналов GSM сетей. Использоапние данных стандартов принято считать промежуточным между вторым (2G) и третьим (3G) поколением сетей.

Стандарт 3G был разработан Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и носит название IMT 2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Под этой аббревиатурой объединены пять стандартов, и только некоторые из них обеспечивают полное покрытие в различных диапазонах, поэтому фактически только они могут рассматриваться в качестве полноценных 3G решений.

Сейчас активно используются три основных стандарта 3G из пяти:

1) UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service);

2) CDMA2000;

3) WCDMA (Wide CDMA).

Согласно стандартам IMT-2000, сети 3G обеспечивают следующие скорости передачи данных:

1) абонентам с высокой мобильностью (до 120 км/ч) - не менее 144 кбит/с,

2) для абонентов с низкой мобильностью (до 3 км/ч) - 384 кбит/с,

3) для неподвижных объектов на коротких расстояниях - 2,048 Мбит/с.

Сеть мобильной связи третьего поколения, благодаря высокой скорости передачи данных, позволяет осуществлять видеозвонки, реализовывать различные мультимедийные сервисы, требующие высокую скорость передачи данных, а также предоставляет высокоскоростной доступ к сети Интернет, Главным отличием 3G от сетей второго поколения является индивидуализация, т.е. присвоение каждому абоненту IP-адреса. Еще один плюс - абоненты могут находиться в сети постоянно, не беспокоясь о материальных средствах, так как оплата насчитывается не за время, а за трафик.

Развитие сетей третьего поколения продолжается и в 2002 году 3GPP выпускает Release 5, в котором поверх технологии W-CDMA добавляется технология высокоскоростной передачи данных HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access). За счет более сложной организации разделения ресурсов радиоинтерфейса между пользователями, а также применения 16 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), скорость передачи данных в направлении конечного пользователя (канал DL) была повышена до 14,4 Мбит/с. Данный релиз стал заключительным этапом создания базовой сети CN на IP технологии. В новой архитектуре системы UMTS предоставление мультимедийных IP-услуг обеспечивалось с помощью включения еще одного PS-домена, называемого IMS (IP Multimedia Subsystem), входящего в состав базовой сети CN. Этот домен присоединялся к узлу GGSN и к медиа-шлюзу MGW и использовал протокол SIP (Session Initiation Protocol) как средство для установления сеансов передачи мультимедийных данных, поддерживающих мобильность абонентов и переадресацию вызовов. Другим изменением базовой сети CN, введенным техническими спецификациями Release 5, стала интеграция функций базы данных HLR и устройства аутентификации и контроля AuC в единый сервер HSS (Home Subscriber Server), который для управления вызовами и сеансами передачи данных содержит информацию о каждом абоненте, прописанном в базе данных домашней сети. Вводимые изменения отражены на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 - Изменения в архитектуре сети Release 5

В Release 6 добавляется технология высокоскоростной передачи данных HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Скорость передачи данных в направлении от абонента (канал UL) была повышена до 5,7 Мбит/с. Данный релиз ввел ряд технологических новшеств:

1) поддержку мультимедийного вещания MBMS (Multimedia Broadcast/Multicast Service);

2) адаптивные многоскоростные широкополосные кодеки AMR-WB+, позволяющие передавать и принимать речь и музыку с уровнем качества CD;

3) новые диапазоны частот 2100/1900/1800/900/800 МГц в абонентских терминалах и сети радиодоступа UTRAN;

4) использование IP-технологии в цепочке «базовая сеть -> сеть радиодоступа -> абонентский терминал» (CN/RAN/Terminal).

Вводимые изменения отражены на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 - Изменения в архитектуре сети Release 6

Release 7 представляет вторую фазу развития технологии высокоскоростного радиодоступа для передачи данных в канале «вверх» HSUPA и усовершенствованную базовую сеть на платформе E-IMS (Enhanced IMS). Скорость в DL повышается до 28 Мбит/с благодаря расширению полосы частот до 10 МГц и применении более сложной модуляции 64 QAM, в UL также происходит повышение скорости до 11 Мбит/с. Предусматривается технология MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) с многоканальными входами/выходами для дальнейшего увеличения эффективности использования радиоспектра. В этом релизе также определена платформа MMTel (Multimedia Telephony Service) как единая конвергентная архитектура с мультимедийной связью, использующая IMS для мобильного и фиксированного фрагментов сети. Кроме того, появились новые технические решения для системы UMTS:

1) высокоскоростной режим передачи данных на основе временного разделения каналов TDD (7.68 Мбит/с);

2) повышенная функциональность модуля идентификации абонента сети UMTS (UMTS Service Identity Module — USIM), позволяющую осуществлять загрузку специальных программ и данных в модуль USIM;

3) различные сервисные приложения (мультимедийные услуги, определение местоположения абонента, видео и речевые услуги).

Требования пользователей беспроводной сети увеличиваются. Мобильные сети все чаще используются для работы с Интернетом, сотовая связь уже становится опцией по сравнению со всеми функциональными возможностями современных телефонных аппаратов. Поэтому основной целью исследований технологии LTE, которые начались в конце 2004 года, был выбор технологии физического уровня, способной обеспечить еще более высокую скорость передачи данных. Именно Release 8, утвержденный в 2008 году и включающий в себя архитектурные и функциональные требования к системам LTE, положил начало новейшим революционным сетям мобильной связи четвертого поколения (4G). Разработчики отказались от технологии радиоинтерфейса W-CDMA и перешли к более современной технологии OFDMA в DL и SC-FDMA в UL, которые позволяют повысить скорость передачи данных по стандарту LTE до 173 Мбит/с на прием (DL) и 58 Мбит/с на передачу (UL). 3GPP описывает дальнейшую модернизацию технологии HSPA+ с повышением скорости до 42 Мбит/с в DL и 14 Мбит/с в UL.

Такие скорости могут быть достигнуты за счет использования метода модуляции 64 QAM и метода MIMO, основанного на использовании наборов антенн на приеме и передаче. Кроме того, может использоваться принцип приема-передачи одновременно на нескольких несущих, что и позволяет в соответствующее число раз увеличить пиковую скорость.

Совершенствование функциональных возможностей LTE в Release 9 заключается в реализации многодиапазонной передаче данных в одном физическом канале, дальнейшем расширении возможностей сети радиодоступа E-UTRAN, внедрении новых сценариев высокоскоростной передачи данных.

В сети LTE предусмотрено предоставление системы предупреждения о массовой опасности PWS (Public Warning System), а также введение системы контроля специальных услуг, дальнейшее развитие мультимедийных речевых услуг VoIP (IMS), широковещательных услуг MBMS, услуг определения местоположения абонентов.

Расширение эксплуатационных возможностей LTE будет состоять в создании сервисно-ориентированной архитектуры системы поддержки эксплуатации OAM&P (Operations, Administration, Maintenanceand Provisioning), расширении возможностей контроля эксплуатационных параметров сети радиодоступа Е-UTRAN и базовой сети SAE, введении новых функций самоконфигурирования и самовосстановления в системе ОАМ&Р.

Новые сценарии развития сетей LTE будут основаны на внедрении новых диапазонов LTE/UMTS 3500 МГц, LTE/UMTS 800 МГц, LTE/UMTS 1500 МГц, введении ретрансляторов для режима 1.28 Мбит/с TDD, обеспечении совместной работы базовой сети SAE и подсистемы IMS Stage 3, совершенствовании механизмов взаимодействия с внешними сетями радиодоступа.

В марте 2011 года 3GPP была выпущена спецификация Release 10, носящая название LTE-Advanced. Она предусматривает расширение полосы частот и агрегацию спектра, имеет расширенные возможности многоантенной передачи данных, поддерживает функции ретрансляции. В Релизе представлены основные требования к LTE Advanced, установленные Рекомендациями МСЭ-Р ITU-R M (IMT RSPEC) к сетям 4G:

1) максимальная скорость передачи данных в линии «вниз» - до 1 Гбит/c, в линии «вверх» - до 500 Мбит/c;

2) ширина канала в линии «вниз» до 100 МГц, в линии «вверх» - 60 МГц;

3) максимальная эффективность использования спектра в линии «вниз» - 30 бит/с/Гц, в линии «вверх» - 15 бит/с/Гц.

Release 11 направлен на улучшение технологии LTE Advanced и включает в себя следующие изменения:

1) дальнейшее увеличение каналов (числа антенн) для технологии MIMO в линии «вниз»;

2) сочетание большинства частотных диапазонов LTE Advanced;

3) разработка решений с меньшей стоимостью для терминалов M2M;

4) улучшение покрытия сетей LTE Advanced;

) совершенствование системы самооптимизации сети (SON);

6) улучшение мобильной ретрансляции внутри сети.

Release 12 и 13 включают в себя эволюционные улучшения всей технологии радиодоступа, например: новые комбинации для объединения трех каналов в направлении DL и двух каналов в UL. Объединение несущих позволяет операторам предоставлять высокие скорости передачи данных и более гибко использовать выделенный спектр 700 МГц – 3.5 ГГц. Произошло внедрение 3D MIMO антенн. Благодаря использованию MIMO 8x8 возрастает спектральная эффективность, сохраняя высокие скорости передачи данных. Также в данных релизах прорабатывалось использовании технологии LTE для экстренных служб и служб безопасности. Произведено повышение энергоэффективности и энергосбережения сети.

В таблице 4.1 собрана информация по развитию сетей от 1G до 4G.

В июне 2015 года МСЭ разработал план развития технологии и определил её название — «IMT-2020», а внедрение стандарта планируется к 2020 году. Данная технология положит начало сетям пятого поколения мобильной связи (5G). В опытных сетях скорость передачи данных доходит до 7 Гбит/с. Первые тесты технологии 5G проведены в России в июне 2016 оператором связи МегаФон совместно с Huawei. В сентябре 2015 года МТС при тестировании на канале связи с частотой 4,65-4,85 ГГц была достигнута скорость передачи данных 4,5 Гбит/сек. 22 сентября 2016 года Российский оператор сотовой связи «Мегафон», на бизнес-саммите в Нижнем Новгороде, запустили самый быстрый в мире мобильный 5G-Интернет. В ходе испытаний была достигнута скорость передачи данных 4,94 Гбит/с - через построенную сеть передавался панорамный ролик в разрешении 8К Ultra HD (7680×4320 точек). Лидером разработок данной технологии становится китайская компания Huawei, осуществляющая крупные инвестиции в данную технологию. По заявлению Eric Xu, CEO Huawei, компания вложит около $600 млн. во внедрение технологий беспроводных сетей, позволяющих достичь скоростей передачи данных выше 10 Гбит/с. Основой архитектуры сети следующего поколения станет технология SDN (программно-определяемая сеть). В сетях пятого поколения будут применяться умные антенны, способные менять диаграмму направленности в зависимости от потребностей абонентов в конкретных условиях. К примеру, если в соте в данный момент времени обслуживается один абонент, данные для него будут идти по узконаправленному каналу, что повысит отношение сигнал\шум и позволит повысить скорость передачи данных. Перечислим основные требования, предъявляемые к сетям 5G:

1) Пропускная способность сети свыше 10 Гбит/сек;

2) Поддержка одновременного подключения до 100 млн. устройств/км²;

3) Задержка передачи данных на радиоинтерфейсе не более 1 мс.

Потенциальные технологии в стандарте 5G:

1) Технология MIMO найдет применение и в сетях 5G. В новых сетях должно возрасти количество используемых антенн на приемопередатчиках;

2) Переход в диапазон сантиметровый и миллиметровый волн;

3) Поддержка как уже существующих стандартов, таких как UMTS, GSM, LTE, так и других, например, Wi-Fi, WiMax;

4) Технология D2D (device-to-device) позволяет устройствам, находящимся неподалеку друг от друга, обмениваться данными напрямую, без участия сети 5G, через ядро которой пройдет сигнальный трафик.

Таблица 4.1- Техническая информация по развитию сетей от 1G до 4G