Почему LTE это не 4G?
Последние несколько лет идет бурная разработка и внедрение сетей стандарта Long Term Evolution (LTE). Большие и не очень операторы мобильной связи по всему миру активно продвигают эту технологию как технологию связи четвертого поколения (4G). Действительно ли LTE является технологией 4G? Ответ на этот вопрос ниже.
Немного истории
Для начала кратко вспомним, что было до LTE и каким путем развивалась мобильная связь. Рисунок ниже нам в этом поможет.
Началось все еще на границе 70-хх и 80-хх годов XX века. В это время были разработаны первые аналоговые системы мобильной связи (APMS, NMT-450, TACS) в нескольких странах (США, Япония, Северная Европа). Именно эти технологии принято относить к первому поколению (1G). Первой сетью, которая была запущена в коммерческую эксплутацию, является сеть стандарта APMS и было это в Чикаго.
Примерно через 10 лет уже были разработаны цифровые системы мобильной связи второго поколения (2G). Наиболее известными из них являются технологии CDMA и GSM. Технология CDMA основывается на кодовом разделении каналов, а технология GSM — на временном. Однако, обе являются технологиями с коммутацией каналов. И разрабатывались они для передачи голоса. Для того, чтобы передавать различные данные с использованием коммутации пакетов, и для повышения эффективности использования радиоресурсов, были разработаны надстройки GPRS и EDGE.
Следующим этапом в развитии мобильных систем связи является появление представителей третьего поколения (3G), а именно стандарта UMTS. Технология UMTS позволила увеличить скорости передачи данных, а также с самого начала поддерживала как коммутацию каналов, так и коммутацию пакетов. Дальнейшее развитие данной технологии (HSPA) обеспечивает еще большее увеличение скоростей передачи данных (вплоть до
И вот тут появляется технология LTE. А на сегодняшний день есть уже ее продолжение в виде LTE-Advanced (LTE-A). К какому же поколению отнести эти технологии и чем они между собой отличаются? Давайте разбираться.
Требования к 4G
Тут все очень просто. Есть международный союз по телекоммуникациям, который называется ITU (International Telecommunications Union). Именно этот союз и определил требования к сетям четвертого поколения. Список требований называется IMT-Advanced (International Mobile Telecommunication-Advanced).
К основным требованиям относятся: пиковая спектральная эффективность, поддерживаемая ширина радиоканала и задержка передачи данных. В качестве значений этих характеристик, которыми должны обладать системы четвертого поколения, были выбраны следующие:
— пиковая спектральная эффективность: нисходящий канал (от базовой станции к абоненту) 15 бит/с/Гц; восходящий канал (от абонента к базовой станции) 6,75 бит/с/Гц
— поддерживаемая ширина канала: вплоть до 40 МГц
— задержка передачи данных: не в нагруженной системе не должна превышать 10 мс.
Удолетворяет ли данным требованиям технология LTE?
Технологии LTE и LTE-A
Как мы видим, LTE полностью отвечает только требованиям по задержке для систем четвертого поколения. Требованиям ни по спектральной эффективности, ни по поддерживаемой ширине канала, предъявляемым к 4G, технология LTE не отвечает. Соответственно, ее нельзя относить к технологиям четвертого поколения. Все заявления о том, что LTE — это 4G, следует рассматривать как чисто маркетинговый ход и не более того.
Что же тогда является технологиями 4G? Давайте посмотрим на те самые характеристики технологии LTE-Advanced:
— пиковая спектральная эффективность: нисходящий канал 30 бит/с/Гц (при MIMO 8×8); восходящий канал 16,1 бит/с/Гц (при MIMO 4×4)
— поддерживаемая ширина канала: до 100 МГц
— задержка передачи данных:
Вот это и есть настоящий 4G!
За счет чего же LTE-A удается добиться таких показателей? К основным причинам стоит отнести использование следующих технологий:
— увеличение количества передающих и приемных антенн вплоть до 8 с каждой стороны (MIMO 8×8)
— Carrier Aggregation — объединение частотных каналов, суммарная ширина которых может достигать 100 МГц
— Coordinated Multipoint (CoMP) transmission/reception — обслуживание одного абонента несколькими базовыми станциями
— HetNet — гетерогенные сети, использование пико- и микро- базовых станций.
О каждом из этих пуктов можно написать не одну статью. Если найдутся заинтересованные читатели, я попробую их кратко осветить в своих следующих работах.
Как выбрать 3G/4G модем (2019)
Благодаря стараниям маркетологов сотовых компаний, о том, что такое 3G/4G-модем и зачем он нужен, знают все – от школьников до пенсионеров. Поэтому, когда возникает необходимость срочно подключить компьютер к Интернету, многие, не раздумывая, идут в ближайший салон связи и покупают первый приглянувшийся «свисток».
Обычно этого действительно достаточно – в городской черте большинство операторов обеспечивают примерно равные скорости подключения и условия приема. Но модем часто используется для подключения к Интернету за городом, а вот там уже начинаются проблемы со скоростью – иногда не то что фильм онлайн посмотреть, просто загрузки сайта приходится по несколько минут ждать. Человек терпит, мучается, не зная, что если бы он подошел к выбору модема более вдумчиво, проблем можно было бы избежать.
Дело в том, что выбор модема не сводится к перебору параметров оборудования. На скорость соединения большее влияние оказывает не начинка модема, а характеристики и уровень сигнала сети выбранного оператора. Поэтому алгоритм выбора 3G/4G-модема выглядит следующим образом:
1. Выбрать оператора сотовой связи:
1.1. Определить, какие операторы сотовой связи имеют 4G и 3G сети в нужном вам районе.
1.2. Определить, у какого из них наилучшее покрытие нужного района, самый высокий уровень сигнала и скорость в сети Интернет.
1.3. Определить, в каком диапазоне работает сеть выбранного оператора в вашем городе.
2. Подобрать соответствующий модем.
Рассмотрим эти шаги подробнее.
Выбор оператора сотовой связи
Покрытие области сетями третьего и четвертого поколений можно посмотреть на сайтах операторов – на многих из них есть карта покрытия, где можно определить зону уверенного приема 4G и 3G сетей.
Также можно воспользоваться независимым сервисом Минкомсвязи России. Сервис «Качество связи» (существует как в браузерной, так и в мобильной версии) удобен тем, что позволяет на одном экране сравнить карту покрытия нескольких (до 4х одновременно) операторов. Кроме того, этот сервис использует для построения карты информацию со смартфонов пользователей приложения «Качество связи», поэтому дает максимально достоверную картину.
Сервис использует ту же технологию, что и «Яндекс.Пробки», информация о наличии сигнала в основном идет от участников дорожного движения, поэтому карта покрытия «привязана» к дорогам. Это вовсе не значит, что вне дорог покрытия нет.
Сети четвертого поколения (4G) обеспечивают более высокую скорость соединения, поэтому обратить внимание следует, в первую очередь, на них. И только если в нужной вам области нет покрытия сетями 4G, можно рассматривать менее скоростные варианты – 3G и 2G.
Если в нужном районе уверенный прием 4G обеспечивает более одного оператора, это еще не значит, что скорость Интернета в них будет одинакова. Скорость зависит еще и от ширины канала и от загруженности сети.
У российских LTE сетей ширина канала может быть от 5 до 40 МГц, скорость передачи данных меняется пропорционально. Так, для канала в 10 МГц максимальная скорость 4G LTE будет равняться 75 Мбит/с, а для 40 МГц – 300 Мбит/с.
При FDD передача в обе стороны идет одновременно, часть диапазона используется для исходящих данных, часть – для входящих. Например, при ширине канала в 20 МГц, 15 МГц отдаётся для загрузки (download), а 5 МГц для выгрузки (upload).
При TDD для передачи в обе стороны используется вся ширина канала, но передача и прием производятся по очереди.
У каждого вида имеются свои преимущества и недостатки, но в целом, FDD быстрее и стабильнее, хотя на практике вид дуплекса заметного влияния на скорость соединения не оказывает.
Весь выделенный для LTE диапазон разделен на несколько полос (band), в России используются следующие из них:
Чтобы точно выяснить параметры частоты выбранного провайдера в вашей местности, можно воспользоваться данными, собранными пользователями сайта 4pda (вкладка частоты и операторы). Определите, какие частотные полосы (band) использует выбранный оператор в вашем регионе – эта информация потребуется при выборе модема.
Уровень сигнала можно проверить, установив на смартфон с SIM-картой выбранного оператора приложение «Network Cell Info» или аналогичное.
Здесь нам важны параметры RSRP – мощность сигнала – и RSRQ – качество сигнала (обратите внимание, что у обоих значения отрицательные). Чем величина параметра выше, тем лучше. Иногда вместо RSRP отображается другой индикатор мощности – RSSI.
Также в некоторых приложениях отображаются параметры SINR(CINR) и EC/lo, характеризующие отношение сигнал/шум для сетей 4G и 3G.
Чтобы окончательно убедиться в хорошей скорости Интернета, обеспечиваемой выбранным оператором в нужной вам точке, можно проверить эту скорость с помощью смартфона с СИМ-кой выбранного оператора и соответствующим тарифом (без ограничений скорости трафика), зайдя на один из сайтов, проверяющих скорость передачи данных, например, на www.speedtest.net. Лучше проводить проверку вечером – с 19 до 23 часов – в это время нагрузка на сеть максимальна.
Но что делать, если сетей четвертого поколения в нужной вам точке нет, а есть только 2G/3G? В этом случае следует выяснить, какой именно стандарт там присутствует. В зависимости от этого скорость интернета может меняться в сотни раз – и это в пределах одного поколения.
К сожалению, ни на картах покрытия самих операторов, ни на неофициальных сайтах нет информации, в какой точке России какая 3G технология используется. Единственный универсальный способ определить вид 3G сети в конкретной точке – использовать смартфон с SIM-картой оператора, предоставляющего 3G сеть. В строке статуса подключенного к Интернету смартфона есть символы, определяющие протокол соединения.
Сравнение максимальных скоростей, обеспечиваемых различными сетями 2G, 3G и 4G приведено в таблице:
Теперь, выбрав оператора и узнав параметры предоставляемого им соединения, можно приступить к выбору модема.
Характеристики 3G и 4G модемов
Тип модема определяет, может ли он подключаться к сетям 4 поколения (4G) или только третьего (3G).
Под 4G сетями подразумеваются наиболее распространенный сейчас стандарт LTE (хотя по изначальной классификации этот стандарт относился к 3+), LTE-Advanced и WiMAX. LTE-Advanced на сегодняшний день присутствует во многих крупных городах, но зона покрытия пока уступает «обычному» LTE. WiMAX, одно время считавшийся очень популярным и перспективным, на текущий момент с территории России практически исчез.
Третье поколение мобильной связи включает 5 стандартов, но рассматривать их все смысла нет, практический интерес могут представлять только три технологии стандарта UMTS/WCDMA: UMTS, HSPA и HSPA+.
Протоколы передачи данных.
Чтобы модем по максимуму использовал предоставляемые сотовым оператором возможности, он должен поддерживать наиболее скоростные протоколы, действующие в вашей местности.
4G: IMT-Advanced – подразумевает поддержку сетей 4G (LTE-A); LTE BXX – поддержка сети LTE в диапазоне band XX
На поддержку сетей 2G можно не обращать внимания – она есть во всех моделях модемов.
Интерфейсопределяет способ подключения модема к компьютеру и говорит о его возможностях.
Интерфейс USB используется в компактных модемах, с их помощью можно легко и быстро обеспечить подключение к Интернету ноутбука или планшета.
Для подключения к Интернету через интерфейс Ethernet 10/100 Base-T, компьютер должен иметь сетевую карту и соответствующий разъем – у планшетов и тонких ноутбуков с этим могут быть проблемы. Зато такой модем может использоваться для организации домашней сети с доступом к Интернету; многие модемы с интерфейсом Ethernet имеют несколько разъемов и могут работать в качестве роутера, раздавая Интернет на несколько компьютеров.
Есть и модели, способные создавать сеть WiFi, такие фактически уже являются полноценными роутерами со встроенным 3G/4G модемом. Убедиться в этом можно, посмотрев на функции модема – наличие опций «DHCP сервер», «Dynamic DNS», и «NAT» говорит как раз о том, что модем может работать как роутер.
Подключение антенны – весьма немаловажный параметр при использовании модема в зонах неуверенного приема. Существует множество различных усилителей интернет-сигнала, способных обеспечить доступ в Интернет на большом удалении от базовых станций, но для этого у модема должен быть разъем для подключения антенны.
Некоторые модемы имеют два антенных разъема – для усиления сигнала достаточно подключить антенну к основному разъему, но при работе в LTE-A и HSPA+ сетях наличие второй антенны может увеличить скорость соединения.
Варианты выбора 3G/4G-модема
Вы хотите быть «на связи» за городом или в поездке, где есть покрытие только сетями 3G? В этом случае вам будет достаточно 3G-модема.
4G-модем позволит получить высокоскоростной доступ к Интернету без каких-либо кабелей – лишь бы был уверенный прием 4G сети.
Чтобы быстро и просто подключить к Интернету компьютер или планшет, выбирайте среди модемов с интерфейсом USB – и в большинстве случаев для выхода в Сеть вам потребуется только воткнуть модем в любой порт USB.
Если вы опасаетесь, что скорость соединения будет низкой из-за слабого сигнала, выбирайте среди моделей с возможностью подключения антенны.
Введение в LTE-Advanced
Стандарт LTE-Advanced (LTE-A) является дальнейшим развитием стандарта LTE, разработанного на основе технологии 3GPP. LTE-A будет соответствовать или превышать требования Международного союза электросвязи (МСЭ) к стандарту радиосвязи четвертого поколения (4G), известного как IMT-Advanced. LTE-Advanced был изначально определен как часть версии 10 спецификаций 3GPP с приостановленной до марта 2011 г. конкретизацией функций. Спецификации LTE будут развиваться в последующих выпусках 3GPP.
В октябре 2009 г. партнеры 3GPP официально представили LTE-Advanced для сектора радиосвязи МСЭ (МСЭ-Р) в качестве кандидата на 4G IMT-Advanced. Публикация МСЭ спецификации IMT-Advanced ожидается к марту 2011 г. Поскольку все больше операторов беспроводной связи объявляет о планах по развертыванию LTE в сетях следующего поколения, интерес к LTE-Advanced растет.
Ниже приводится наиболее важная информация из рекомендаций по применению компании Agilent по этой теме.
В технико-экономическом обосновании для LTE-Advanced партнеры 3GPP определили, что LTE-Advanced будет соответствовать требованиям МСЭ-Р к 4G. Результаты исследования опубликованы в техническом отчете (ТО) 3GPP 36.912. Кроме того, было установлено, что спецификация LTE 3GPP, версия 8, может соответствовать большинству требований 4G за исключением спектральной эффективности восходящего канала и пиковой скорости передачи данных. Такие повышенные требования связаны со следующими особенностями LTE-Advanced:
– расширенные полосы пропускания, полученные за счет объединения нескольких несущих;
– более высокая эффективность, полученная за счет расширенного множественного доступа к восходящему каналу и использования нескольких антенн (передовые технологии MIMO).
В настоящее время рассматриваются другие расширения для версии 10 и последующих релизов, хотя они не являются критическими для соответствия требованиям 4G:
– координация многоточечных передачи и приема (CoMP);
– ретрансляция;
– поддержка гетерогенных сетей;
– усовершенствование самооптимизирующейся сети (SON);
– усовершенствование мобильности базовых станций HeNB (Home enhanced-node-B);
– ВЧ-требования к абонентскому базовому оборудованию (СРЕ) фиксированной беспроводной связи.
Требования к характеристикам системы LTE-Advanced в большинстве случаев будут превышать требования к системам IMT-Advanced. Выполнение требования МСЭ к пиковой скорости передачи данных 1 Гбит/с будет реализовано в LTE-Advanced за счет устройств 4×4 MIMO в полосе частот передачи шире 70 МГц [8]. Относительно спектральной эффективности сегодняшний стандарт LTE (выпуск 8) удовлетворяет требованиям 4G к нисходящему, но не к восходящему каналу.
В таблице 1 приведены данные сравнения ожидаемых характеристик спектральной эффективности для стандартов LTE, LTE-Advanced и IMT-Advanced. Отметим, что пиковая скорость в LTE-Advanced существенно выше, чем требуется для 4G, что подчеркивает желание реализовать пиковые характеристики в 4G LTE, хотя ожидаемые усредненные характеристики ближе к требованиям МСЭ. Стоит отметить, что пиковые ожидаемые характеристики за счет их выполнения в идеальных условиях часто легче продемонстрировать, чем усредненные. Однако в ТR 36.913 заявлено, что целевые показатели для средней спектральной эффективности и для пропускной способности на границе соты должны иметь больший приоритет, чем целевые показатели пиковой спектральной эффективности и других функций, таких как VoIP capacity5. Таким образом, при разработке LTE-Advanced необходимо сосредоточиться на решении реальных проблем повышения характеристик связи в середине и на границе соты.
Характеристика
Подкатегория
Целевые показатели LTE 1
Целевые показатели LTE-Advanced 2
Целевые показатели IMT-Advanced (4G) 3
Пиковая спектральная эффективность, бит/с/Гц
Спектральная эффективность нисходящего канала соты, бит/с/Гц, 3 км/ч, расстояние между станциями — 500 м
Спектральная эффективность нисходящего канала на границе соты, бит/с/Гц, 5%, 10 пользователей, расстояние между станциями — 500 м
В дополнение к диапазонам, определенным в настоящее время для LTE версии 8, в ТR 36.913 приведены следующие новые диапазоны:
– 450—470 МГц;
– 698—862 МГц;
– 790—862 МГц;
– 2,3—2,4 ГГц;
– 3,4—4,2 ГГц;
– 4,4—4,99 ГГц;
Некоторые из этих диапазонов в настоящее время формально включены в спецификации 3GPP версий 9 и 10. Заметим, что полосы частот рассматриваются независимо от версии спецификации. Это означает, что можно выпускать изделия, соответствующие более ранней версии, с диапазоном, не определенном для более поздней версии.
LTE-Advanced может работать с различной шириной спектра, в т.ч. с полосой частот более 20 МГц в версии 8, за счет чего достигается более высокая производительность и целевая скорость передачи данных. Хотя желательно иметь каналы шириной более 20 МГц, расположенные на смежных частотах, ограниченная доступность частотного ресурса означает, что необходимо объединение каналов из разных диапазонов для удовлетворения повышенных требований к пропускной способности. Этот вариант был разрешен в спецификации IMT-Advanced.
Для достижения целевой пиковой скорости передачи данных 1 Гбит/с в нисходящем канале системы 4G потребуется более широкая полоса пропускания, чем в настоящее время указана в версии 8 LTE. На данный момент LTE поддерживает ширину полосы канала 20 МГц и маловероятно, что спектральную эффективность можно значительно улучшить относительно текущих целевых показателей LTE. Следовательно, имеется только один путь существенно повысить скорость передачи данных — расширить полосу пропускания канала. В IMT-Advanced установлен верхний предел 100 МГц относительно предполагаемого значения 40 МГц для получения минимальных показателей.
Поскольку большинство диапазонов занято и смежные каналы с полосой 100 МГц недоступны для большинства операторов, МСЭ позволил создать более широкополосные каналы через объединение смежных и несмежных компонентных несущих. Таким образом, спектр одного диапазона может быть добавлен к спектру другого диапазона в абонентском оборудовании, которое поддерживает несколько трансиверов. На рисунке 1 приведен пример объединения соседних каналов, в котором два канала с полосой 20 МГц расположены на смежных частотах. В этом случае объединенная полоса пропускания перекрывает минимально требуемые 40 МГц и может поддерживаться одним трансивером. Однако если бы в этом примере были использованы не смежные каналы или они располагались бы в соседних частотных диапазонах, то потребовалось бы несколько трансиверов.
Термин «компонентная несущая», используемый в данном контексте, относится к любой из полос, определенной в версиях 8/9 LTE. Для удовлетворения требований МСЭ 4G в технологии LTE-Advanced будут поддерживаться три сценария агрегации компонентных несущих: агрегация смежных несущих внутри диапазона, несмежных несущих внутри диапазона и несмежных несущих в разных диапазонах. Разнос между центральными частотами смежно-агрегированных компонентных несущих будет кратен 300 кГц для совместимости с частотой растра 100 кГц в версиях 8/9 и в то же время для того, чтобы сохранить ортогональность поднесущих, разнос между которыми составляет 15 кГц. В зависимости от сценария агрегации разнос n × 300 кГц можно уменьшить путем вставки небольшого количества неиспользованных поднесущих между смежными компонентными несущими. В случае смежной агрегации можно задать более широкий промежуток между компонентными несущими, но это потребует определения новых, немного более широких компонентных несущих.
Абонентское оборудование (АО) LTE-Advanced, обладающее возможностями приема или передачи с агрегацией несущих, будет способно одновременно принимать или передавать несколько компонентных несущих. Тем не менее абонентское оборудование в соответствии с версиями 8 или 9 сможет одновременно принимать и/или передавать только одну компонентную несущую. Компонентные несущие должны соответствовать версиям 8 и 9 LTE.
В версии 10 максимальный размер одной компонентной несущей ограничен 110 ресурсными блоками (РБ), хотя по соображениям простоты и обратной совместимости маловероятно, что будет указано что-то другое, кроме предложенного значения 100 РБ. Возможна агрегация до пяти компонентных несущих. В абонентском оборудовании LTE-Advanced не может быть использовано больше компонентных несущих для восходящего канала, чем для нисходящего. В стандартной реализации TDD (временной метод дуплексного разделения каналов) количество компонентных несущих для восходящего и нисходящего канала, как и полоса пропускания каждого из них, должны быть одинаковыми.
Чтобы установить соответствие между физическим уровнем (PHY) и интерфейсом уровня управления доступом к среде (MAC), потребуется один транспортный блок (в отсутствие пространственного мультиплексирования) и один объект HARQ для каждой запланированной компонентной несущей. (HARQ представляет собой протокол управления повторной передачей). Каждый транспортный блок будет соответствовать только одной компонентной несущей. В абонентском оборудовании может быть предусмотрена одновременная работа на нескольких компонентных несущих. Подробная информация о том, как будет осуществляться передача сигналов управления при нескольких несущих, находится в стадии разработки.
Методы агрегации не являются новыми для 4G — агрегация уже использовалась в технологиях HSPA и 1xEV-DO, версия B. Однако предложенное в 4G расширение агрегации до 100 МГц в нескольких диапазонах является технически проблематичным из-за высокой стоимости и сложности абонентского оборудования, поддерживающего данную технологию. Кроме того, операторы должны будут решить, какие диапазоны выбрать для агрегации, и пройдет некоторое время, прежде чем различные производители оборудования достигнут взаимопонимания по этому вопросу. Организация 3GPP первоначально определила 12 вероятных сценариев реализации для определения требований к побочным излучениям, максимальной мощности и другим факторам, связанным с совмещением различных радиочастот в одном устройстве. Однако из-за большого количества сценариев и ограниченного времени исследование для выпуска 10 LTE-Advanced изначально ограничено двумя сценариями — одним примером для режима TDD внутри диапазона и одним примером для режима FDD в разных диапазонах. В июне 2010 г. для групп 3 и 7 был добавлен третий сценарий, как показано в таблице 2. Этот сценарий важен для европейских компаний, где использование недогруженного диапазона 1800 МГц, в настоящее время выделенного для GSM, является существенным преимуществом.
Категория абонентского оборудования
Характеристики АН для нисходящего канала
кол-во КУ/полоса, MГц [предварительно]
Уровни нисходящего канала
макс. кол-во уровней [предварительно]
