Что такое 4G LTE: разновидности и особенности стандарта связи четвёртого поколения
В предыдущей статье мы уже рассматривали стандарты третьего поколения под общим названием 3G. Однако, быстрыми темпами распространяется связь уже четвёртого поколения — 4G. Основным стандартом в 4G на данный момент является LTE. Строго говоря, LTE не был первым стандартом четвёртого поколения, первым широко распространённым был стандарт WiMAX. В нём первое время работала сеть Yota, а некоторые операторы используют WiMAX до сих пор. Максимальная скорость WiMAX 40 Мбит/с, однако реальные показатели лежат в диапазоне от 10 до 20 Мбит/с.
LTE FDD и LTE TDD: в чём отличия?
Грубо говоря, FDD — это параллельный LTE, а TDD — последовательный LTE. Например, при ширине канала в 20 МГц в FDD LTE часть диапазона (15 МГц) отдаётся для загрузки (download), а часть (5 МГц) для выгрузки (upload). Таким образом каналы не пересекаются по частотам, что позволяет работать одновременно и стабильно для загрузки и выгрузки данных. В TDD LTE всё тот же канал в 20 МГц полностью отдаётся и как для загрузки, так и для выгрузки, а данные передаются в ту и другую сторону поочерёдно, при этом приоритет имеет всё таки загрузка. В целом FDD LTE предпочтительнее, т.к. он работает быстрее и стабильнее.
Частоты LTE
Сети LTE (FDD и TDD) работают на разных частотах в разных странах. Во многих странах эксплуатируются сразу несколько частотных диапазонов. Стоит отметить, то не всё оборудование умеет работать на разных «бэндах», т.е. частотных диапазонах. FDD-диапазоны нумеруются с 1 по 31, TDD-диапазоны с 33 по 44. Существуют дополнительно несколько стандартов, которым еще не присвоены номера. Спецификации на частотные полосы называются бэндами (BAND). В России и Европе в основном используются band 7, band 20, band 3 и band 38.
Частоты LTE в России
Приведём список частотных диапазонов сетей 4G LTE в России операторов «большой четвёрки» (данные на конец 2019 года). Существуют также региональные сети 4G LTE местных операторов, работающих в других частотных диапазонах, однако в рамках данной статьи мы их рассматривать не будем.
Частотное распределение каналов сотовой связи в России
Скорость 4G LTE
Самым главным критерием, который особенно интересует абонентов, т.е. пользователей сетей 4G LTE, является скорость передачи данных. А скорость прежде всего зависит от ширины (полосы) частотного диапазона того или иного оператора, а так же типа дуплекса, используемого в сети.
Данные показатели характерны для сетей LTE cat.4, которые в данный момент наиболее распространены.
В сетях LTE-Advanced (LTE cat.6, LTE cat.9 и т.д.) происходит агрегация, т.е. суммирование полос на разных частотных диапазонах, таким образом достигается существенный прирост скорости 4G LTE. К примеру, если сложить полосу 10 МГц из одного диапазона и полосу 20 МГц из другого диапазона, получим полосу 30 МГц и скорость 225 Мбит/с. В некоторых странах уже сейчас работают агрегации до четырёх полос (LTE cat. 12), что даёт скорость до 600 Мбит/с и выше. Самая современная на данный момент (конец 2020 года) категория LTE — это LTE cat.20 с агрегацией семи каналов по 20 МГц (7×20 = полоса 140 МГц) и скоростью до 2000 Мбит/с. Это огромная скорость передачи данных для беспроводных сетей. Подробнее о реальной скорости интернета в сетях 4G LTE в нашей статье.
Оборудование для 4G интернета
Для подключения к сетям 4G LTE необходимо хотя бы простейшее оборудование: смартфон, планшет, модем или роутер. Мобильные (переносные) устройства типа смартфона или планшета мы не рассматриваем, т.к. это устройства прежде всего для связи, а не для обеспечения выхода в интернет. А вот 4G-модем или 4G-роутер — это как раз те устройства, которые чаще всего и используются для обеспечения основного или резервного канала доступа в интернет. Модем может быть использован как для одного компьютера через USB-разъём, так и для нескольких устройств через совместимый Wi-Fi-роутер. В таком случае роутер раздаёт получаемый от модема интернет по воздуху через Wi-Fi или по проводу через Ethernet. 4G-роутер — это тот же роутер, только с интегрированным внутрь модемом.
Для полноценного использования потенциала сетей 4G LTE рекомендуется подключение наружных 4G-антенн к модему или роутеру. В этом случае принимается максимально качественный и мощный сигнал от базовой станции, а значит обеспечивается максимально скоростное и стабильное соединение. Подробнее о типах антенн и особенностях их подключения в нашей статье.
Перспективы 4G LTE
Несмотря на то, что стандарт 4G LTE появился уже несколько лет назад, во многих регионах нашей страны до сих пор нет даже сетей 3G. Так что ещё есть куда расти. В мире тестируют сети уже 5-го поколения (5G), но в реальных условиях сети 4G LTE ещё долго будут господствовать, благо операторы их активно развивают.
Во многих случаях 4G интернет является не только альтернативной проводному подключению, но и безальтернативным единственным вариантом, в том числе экономически целесообразным. Отдалённые объекты, прокладка провода к которым связана с определёнными сложностями или риском, а иногда и вовсе невозможна, тоже нуждаются в подключении к сети Интернет. Зачастую возможно подключить 4G интернет даже там, где покрытие сетей LTE отсутствует. Для этого используются специальные 4G антенны, которые ловят и усиливают сигнал 4G LTE. Чтобы правильно подобрать антенну, надо знать, сеть какого оператора необходимо поймать, на какой частоте она работает, а также в каком режиме дуплекса (FDD или TDD). Наши специалисты определят тип сигнала, замерят его параметры, подберут соответствующее оборудование для обеспечения быстрого и стабильного выхода в Интернет через сеть 4G LTE.
LTE: как работает и правда, что всё готово?
Раньше вопросов про LTE задавали много. Сегодня остался самый главный: когда? Когда это счастье придет к нам, в Россию? Еще месяц назад я не знал, что отвечать людям. Сильно комплексовал по этому поводу, ведь так близок к теме. Сомневался, то ли конец 2012-го, то ли начало 2013-го. Никакой определенности! Но сейчас, после исторического решения ГКРЧ от 8 сентября, всё, наконец, стало ясно.
Я слоупок, что такое LTE?
LTE — Long Term Evolution (англ., долгосрочная эволюция). Когда ученые доводили до ума 3G (он же UMTS, он же WCDMA) в рамках проекта 3GPP, они «рассчитались на первый-второй». Половина стала «докручивать» 3G до HSPA: это были минорные доработки радиоинтерфейса при сохранении основы — принципа кодового разделения каналов (CDMA). Планировали закончить быстро, поэтому называли между собой краткосрочной эволюцией. Другую половину озаботили вопросом: а что, если абоненты захотят мобильного интернета на скоростях на порядок выше, чем в 3G? Такие вопросы быстро не решаются. Тут думать нужно, крепко и долго. Отсюда и эволюция долгосрочная — LTE. Маркетологи, кстати, часто называют LTE 4G.
Про железо
Базовые станции LTE не содержат ничего сверхъестественного. Там есть радиомодули (они же приемопередатчики, TRXы), блок цифровой обработки сигнала (BBU), интерфейсные платы (FE/GE порты, электрические, оптические). Радиомодули бывают выносные — RRU. Монтируются вблизи антенны (для уменьшения потерь в ВЧ-фидере), к BBU подключаются по отпике (стандарт CPRI). Всё как в БС 3G, но называются красиво — evolved NodeB (дословно — продукт эволюции «узла Б», т.е. собственно БС 3G).
Базовая станция 
Базовая станция
А поскольку БС разных стандартов больше похожи, чем отличаются, производители быстро догадались делать всё «в одном флаконе». Решение называется SingleRAN. Одна БС на 3 стандарта: GSM, 3G и LTE. Очень удобно оператору с точки зрения экономии места и питания на сайте, сокращения времени на монтаж и так далее. Мы такие уже начали закупать и устанавливать на сети. Так что, как только, так сразу…
Для LTE не нужны какие-то особенные антенны. Вполне подойдут обычные панельные антенны с кросс-поляризацией. Они, например, используются в сетях GSM и в 3G. Правда, если в GSM и 3G две поляризации обычно используются на прием, а на передачу только одна (схема 2Rx/1Tx), то в LTE обе поляризации задействованы по полной, и на прием, и на передачу (схема 2Rx/2Tx). Это необходимо для реализации технологии MIMO2х2. На первом этапе внедрения LTE этого будет достаточно. Дальше пропускную способность сектора можно будет увеличить, добавив еще по одной кросс-пол антенне. Получится схема 4Rx/4Tx и MIMO4х4. Главное разнести антенны в пространстве на достаточное расстояние (порядка 10 длин волн).
Что еще из «железа»? Контроллера сети доступа (как BSC в GSM, или RNC в 3G), как отдельного физического и логического узла в сети LTE, нет, БС подключаются напрямую к узлам Core, причем исключительно по IP. Core используется только пакетный. Называется EPC (evolved Packet Core). К нашему счастью, относительно новый обычный Packet Core превращается в EPC путем апгрейда софта. Функционал MME (узел управления мобильностью в LTE) можно накатить на используемый для GPRS/3G узел SGSN, а с функциями PGW/SGW должен уметь справляться GGSN. Не скажу, что все SGSN/GGSN-ы «Билайна» HW-ready к LTE, но мы уверенно движемся в этом направлении.
Плюс SAE-HSS (хранилище абонентских профайлов), который также поднимается на существующей HW-платформе ngHLR’a. Вот, собственно, и вся сеть LTE.
Архитектура LTE
Про транспорт
GE-порты на БС. Это, как любил говаривать Винни Пух, неспроста: вы же наверняка понимаете, какой должен быть backbone при таком backhaul’e! Если у кого-нибудь из уважаемых читателей есть несколько свободных миллиардов долларов, могу подсказать, как потратить их с пользой…
Про частоты
Про скорости
Максимальные скорости передачи данных – ключевой показатель крутости стандарта для конечных пользователей. И LTE реально крут! Можно долго говорить о теоретических возможностях разных стандартов, перспективах их развития и так далее, но то, что абонентам в уже работающих сетях LTE доступны скорости более 100 Мбит/с – это факт. И это только начало светлого будущего: уверен, что достижение в сетях LTE скоростей до 1 Гбит/с – вопрос нескольких лет. Дальше посмотрим. Скорее всего, нужен будет очередной прорыв, как в теории радиосвязи, так и в технологии производства элементной базы.
Про покрытие
Зона покрытия одной БС в LTE может быть абсолютно разной. От чего это зависит прежде всего? Правильно! От используемого диапазона частот. Если сравнить крайние варианты, то площадь покрытия одной eNodeB, работающей в самом нижнем LTE-диапазоне (700 Мгц) оказывается, при прочих равных, в 5-6 раз больше, чем для базы, работающей в 2.5 ГГц. В условиях городской застройки радиус соты, таким образом, может быть от нескольких сот метров до нескольких километров. Что касается рекорда по дальности действия БС LTE, он был установлен в ходе трайла греческого оператора Cosmote на оборудовании Huawei в начале этого года – на расстоянии 102 км от БС была получена скорость передачи 135 Мбит/с. Конечно, это была прямая видимость и один абонент в соте. Но с точки зрения предельных возможностей стандарта – довольно убедительно.
Про гаджеты
Доступные сейчас на рынке абонентские устройства с поддержкой LTE включают (по типам):
USB-модемы (на картинке – Huawei E398) 
Смартфоны (на фото – HTC Thunderbolt, OS Android) 
Планшет (на фото – Samsung Galaxy Tab 10.1, OS Android) 
Портативный LTE/Wi-Fi Hotspot (на фото – Samsung SCH-LC11) 
Ноутбук (на картинке HP Pavilion DM1-3010NR)
На данный момент на рынке доступно уже более 100 абонентских устройств с поддержкой LTE и это количество растет с каждым днем. Основные игроки на этом рынке – наши старые знакомые: Samsung, LG, HTC, ZTE, Huawei.
Про опыты
Посмотреть, как работает LTE вживую, хотелось очень давно. Первый раз довелось в начале прошлого года в Стокгольме. Спасибо коллегам из Ericsson, позвали посмотреть на первую в мире коммерческую сеть LTE – Telia-Sonera. Честно признаться, был немного разочарован. Скорости, пока катались по городу на микроавтобусе, колебались в пределах от 0 до 8 Мбит/с. К тому же, соединение постоянно рвалось. Коллеги оправдывались тем, что сеть пока не оптимизирована, БС мало, диапазон высокий — 2.5 Ггц. Всё, конечно, понятно, но хотелось чуда.
По приезде из Швеции задумали построить пилотную сеть LTE в одной из наших стран. Проще всего договориться с Регулятором о выделении (на время пилота) частот под LTE оказалось в Казахстане. Диапазон частот выбрали самый низкий из доступных – 700 Мгц (точнее band 13, именно те номиналы, на которых строит сеть американский Verizon). К концу октября 2010 построили в сотрудничестве с Alcatel-Lucent сети в двух главных городах Казахстана (Астане и Алматы). То что получилось показали и чиновникам, и журналистам, и наиболее интересующимся из потенциальных клиентов. Подробнее можно почитать здесь.
Про голос
Нужна ли передача голоса в LTE? С одной стороны, стандарту мобильной связи, претендующему на роль глобального, без базовой связной услуги оставаться, вроде как, неприлично. С другой – представить, что покрытие LTE появится там, где нет GSM или 3G, сложно. То есть без голоса абонент всяко не останется.
Рано или поздно придёт LTE-Advanced, потребуются дополнительные частоты. А где их взять, как не у сетей GSM и 3G? Тогда LTE останется один на один с абонентом, которому, как и раньше, нужно будет поговорить — а, значит, голос в LTE обязательно будет, вопрос времени. Сейчас в первых коммерческих сетях, для предоставления голосовых звонков реализована функция CS Fallback. Получив по служебному каналу в сети LTE сообщение о входящем вызове, абонентское устройство переключается в режим GSM или 3G и информирует сеть о готовности принять вызов. После этого звонок проключается через GSM/3G CS Core.
CS Fallback в действии
В будущем, при переходе к all-IP архитектуре, голос в мобильных сетях останется только в виде VoIP. Тогда вопрос выбора сети радиодоступа, через которую будут идти голосовые звонки, сведется к емкостным характеристикам – чем больше пропускная способность сектора, тем больше одновременных звонков он может обслужить.
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.
