Введение в LTE

Введение  в LTE

   
Мобильный широкополосный доступ становится все более распространенным, по мере того, как подрастает интернет-поколение, а вместе с ним и потребность  иметь возможность широкополосного доступа везде, где бывает современный человек, а не только дома или в офисе. Из прогнозируемого числа в 1.8 млрд людей, которые к 2012 году обзаведутся широкополосным доступом, примерно две трети будут пользоваться им в мобильном варианте, причем большинство таких пользователей получат услуги мобильного ШПД благодаря сетями с поддержкой HSPA (High Speed Packet Access) и LTE (Long Term Evolution).  
 
Все, кому это нужно, уже сегодня могут серфить интернет или посылать сообщения электронной почты с ноутбуков, поддерживающих технологию HSPA, постепенно заменяя фиксированные DSL-модемы беспроводными HSPA-модемами или USB-донглами, а также отправляя или получая видео или музыку с помощью телефонов 3G. Но когда появится LTE, пользоваться подобными услугами станет значительно комфортнее. Более того, в сетях LTE наверняка появятся и другие услуги из числа тех, которые весьма требовательны к пропускной способности канала связи, как, например, интерактивное ТВ, мобильный видео-блоггинг, современные онлайновые игры или профессиональные услуги.  
 
Переход к LTE сулит несколько важных преимуществ для абонентов и операторов  
 
Производительность и емкость. Одно из требований, предъявляемых стандартом к системам LTE - поддерживать пиковые скорости загрузки данных из сети вплоть до 100 Мбит/с. Сама по себе технология позволяет реализовать в ее рамках еще более высокие скорости, например, более 200 Мбит/с, и компания Ericsson, например, уже демонстрировала работу системы LTE с пиковой скоростью примерно 150 Мбит/с. Более того, время отклика на посылку короткого пакета данных в радиоподсистеме RAN (Radio Access Network) сети LTE должно быть не более 10 мс. Это означает, что LTE, более, чем любая другая технология, отвечает ключевым требованиям, предъявляемым к системам 4G.  
 
Простота. Прежде всего, LTE способна работать в полосе частот различной ширины, начиная от значений заметно ниже 5 МГц (1.5 МГц) и вплоть до полосы 20 МГц. LTE также может быть реализована на основе различных принципов разделения сигналов, частотного и временного - FDD (Frequency Divission Duplex) иTDD (Time Division Duplex). До настоящего времени, 3GPP предусмотрела для работы систем LTE десять парных и четыре непарных частотных диапазона. Планируется выделение и других диапазонов. Это означает, что оператор может первоначально запускать LTE в "новых" диапазонах, где обычно проще получить полосы в 10 МГц или даже 20 МГц, а затем постепенно внедрять LTE во всех доступных диапазонах. Кроме того, продукты радиоподсистемы LTE будут обладать набором свойств, которые упростят строительство и управление сетей следующего поколения. Например, такие функции, как "включил и работай", автоконфигурация и автооптимизация упростят и снизят затраты на запуск и управление сетями. В третьих, сети LTE будут строиться в параллель с упрощенными, основанными на IP-протоколе опорными и транспортными сетями, что позволит упростить строительство, эксплуатацию систем LTE и ввод новых услуг.  
 
Широкий выбор терминалов Кроме мобильных телефонов, в сетях LTE будет работать много компьютеров и устройств потребительской электроники, таких, как ноутбуки, нетбуки, игровые устройства и камеры, оснащенные встроенным модулем работы с LTE-сетью. Поскольку LTE обеспечивает поддержку хендоверов и роуминга с существующими мобильными сетями, все эти устройства с первого же дня запуска смогут пользоваться преимуществами уже существующего покрытия сетей 2G/3G. 

 
 
Таким образом, внедряя LTE, операторы  смогут наиболее эффективным образом  использовать выделенные им частоты, а  также достичь стоящих перед  ними бизнес-целей в области мобильного широкополосного доступа и мультимедийных услуг.  

Число абонентов  широкополосного доступа к 2012 году, как ожидается, может достичь 1.8 млрд. Практически две трети от этого  количества, будут использовать мобильный  широкополосный доступ. Трафик передачи мобильных данных, как ожидается, к 2010 году превзойдет по объему трафик передачи речи, что предъявляет высокие  требования к мобильным сетям, как  в настоящее время, так и в  будущем.

Рис.1 Рост пользования  широкополосным доступом в 2005-2012 годах 

Есть существенные основания для того, чтобы ожидать  резкого роста мобильным широкополосным доступом.

Прежде всего, потребители поняли и оценили  преимуществ мобильного широкополосного  доступа. Большинство людей уже  используют мобильные телефоны и  многие кроме того подключают свои ноутбуки к беспроводным сетям. Шаг  к полному мобильному широкополосному  доступу интуитивен и понятен, особенно, если речь идет о сети LTE, обеспечивающей качественное покрытие и роуминг  с существующими сетями 2G и 3G.

Кроме того, опыт, полученный при эксплуатации сетей с поддержкой HSPA показал, что если оператор обеспечивает качественное покрытие, предоставляет необходимые услуги и терминалы, использование мобильного широкополосного доступа быстро обретает популярность. 

Пакетный трафик передачи данных начал опережать  трафик передачи голоса уже в мае 2007 в среднестатистических сетях 3G (WCDMA), см. рисунок 2. Основная причина  того, что это стало реальностью, появление на сетях поддержки HSPA. Карточки беспроводных модемов HSPA и  USB-донглы обрели популярность. Некоторые операторы отмечают четырехкратный прирост трафика передачи данных в течение всего трех месяцев с момента запуска HSPA.

рис.2 Рост трафика речи и данных в сетях WCDMA во всем мире

 
 
Во многих случаях, мобильный широкополосный доступ может конкурировать с  фиксированным ШПД по цене, производительности, защищенности и, безусловно, по удобству. Пользователи могут лучше организовывать свое время, используя мобильный доступ, нежели настраивая подключение к беспроводной LAN, при этом рискуя безопасностью или потерей покрытия.

В третьих, число доступных беспроводных приложений существенно вырастает в мобильных сетях. Социальные сети, поисковые машины, приложения, обеспечивающие индикацию присутствия (presence), сайты для совместного использования контента, такие, как YouTube, - это лишь несколько примеров. Благодаря мобильности, эти приложения становятся существенно более ценными для пользователей. Особенно интересен контент, производимый пользователями (UGC), поскольку его распространение оказывает влияние на профиль типового пользователя, в частности, растут требования к аплинку. Высокие пиковые скорости и уменьшенное время отклика в сетях LTE позволяют обеспечить поддержку приложений реального времени, таких, как гейминг и IPTV. 

Операторы, которые  ведут свой бизнес в ситуации постоянного  роста конкуренции, соревнуются  не только с другими операторами, но также и с новыми участниками  рынка и новыми бизнес моделями. Однако, появление новых бизнес моделей также означает и новые возможности. В современной ситуации, у мобильных операторов есть преимущество, состоящее в том, что они могут предоставлять конкурентные услуги мобильного ШПД на базе уже сделанных инвестиций в 2G и 3G.

Именно поэтому  операторы столь активны в  формулировании стратегий и требований к мобильному ШПД, в их работе с организациями, которые занимаются стандартизацией. Некоторые из операторов, входящих в число мировых лидеров, вендоры и исследовательские институты объединилис силы в рамках Next Generation Mobile Networks Ltd. (NGMN, Сети мобильной связи следующего поколения). NGMN работает в тесном сотрудничестве с существующими организациями, занимающимися стандартизацией и установила четкие цели по производительности, рекомендации фундаментального порядка и сценарии внедрения будущих сетей мобильного ШПД с большой территорией покрытия. Императив NGMN в отношении видения эволюции технологий после 3G, включает:

1. Эффективное переиспользование существующих активов, включая спектр  
 
2. Конкурентоспособность в терминах общего предложения для клиентов (поддержка ценовой эффективности, тотального низкого времени отклика и эффективного по цене "всего онлайн") с момента запуска и с опережением конкурентных технологий, с добавлением уникальной ценности, за счет поддержки эффективного по цене комплексного обеспечения QoS (Quality of Service), мобильности и роуминга.  
 
3. Не должна оказывать воздействия на существующую программу развития HSPA.  
 
4. Новый режим IPR, который бы поддержал лицензирование таким образом, чтобы обеспечивалась большая "прозрачность" и предсказуемость полной стоимости IRP дл операторов, провайдеров инфраструктурных решений и производителей устройств.

Хотя NGMN этого  и не отмечал, но LTE отвечает требованиям NGMN.

Стандартизация LTE

    LTE - это следующий существенный  шаг в развитии мобильной радиосвязи, который оформлен, как Release 8 3GPP (3rd Generation Partnership Project). LTE использует ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) в качестве технологии радиодоступа, вместе с усовершенствованными антенными технологиями.

    3GPP - это коллективное соглашение, основанное  в декабре 1998 года, которое объединило  несколько организаций в области  стандартизации телекоммуникаций, известных, как "партнеры-организаторы". В настоящее время "партнерами  организаторами" являются ARIB, CCSA, ETSI, ATIS, TTA и TTC. Исследователи и инженеры  разработчики со всего мира, представляющие  более 60 операторов, вендоров и исследовательских институтов, участвуют в совместных попытках сформулировать стандарт радиодоступа LTE. [Нельзя не отметить, что в декабре 2008 года, эти попытки увенчались успешным выпуском соответствующего стандарта].

Кроме LTE, 3GPP разработал также "плоскую" сетевую архитектуру, основанную на использовании IP. Эта  архитектура определена, как часть  разработок в рамках проекта System Architecture Evolution (SAE, эволюция системной архитектуры). Были разработаны архитектура и концепции LTE-SAE для эффективной поддержки массового использования любых услуг на базе интернет протокола. Архитектура основана на эволюции существующей базовой сети GSM/WCDMA в сторону упрощения операций и органичного, эффективного по затратам развертывания.

Более того, были инициировано взаимодействие между 3GPP и 3GPP2 (организация, занимающаяся стандартизацией CDMA) с целью оптимизации межсетевого  взаимодействия между CDMA и LTE-SAE. Это  означает, что операторы CDMA смогут развить  свои сети до LTE-SAE и воспользоваться  экономией на масштабе и глобальном характере производства чипсетов, что оказало столь мощное позитивное воздействие на успех GSM и WCDMA.

Исходной точкой для стандартизации LTE стала рабочая  встреча 3GPP RAN Evolution Workshop, проведенная в ноябре 2004 года в Торонто, Канада. В декабре 2004 года начались исследования, целью которых было выработать временные рамки эволюции технологии радиодоступа 3GPP:

• сокращенная стоимость на бит;
• увеличение объема услуг - больше услуг за меньшую цену с более высокой удовлетворенностью пользователей;
• гибкое использование существующих и новых частотных диапазонов;
• упрощенная архитектура и открытые интерфейсы;
• приемлемое энергопотребление терминалов

Изучение потребовалось  для того, чтобы подтвердить, что  концепция LTE сможет обеспечить набор  требований, сформулированных в в 3GPP TR 25.913 Feasibility Study of Evolved UTRA and UTRAN (1) (см. набор фактов о начальных требованиях 3GPP).

Разработку LTE разбили  на так называемые контрольные точки, а график работ согласовали на пленарных заседаниях 3GPP в Южной  Корее в мае и в июне 2007 года. Результаты наглядно показывали, что LTE отвечает, а иногда и превосходит, цели, установленные в отношении пиковых скоростей, пропускной способности сот и спектральной эффективности, а также по производительности VoIP и Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS).

Была поставлена цель завершить стандартизацию LTE до конца 2007 года. После первого релиза были запланированы доработки, которые будут связаны с изменениями требований и функциональности.

рис.3. График стандартизации 3GPP LTE 

Факты: набор  исходных требований 3GPP к LTE

• повышенная пиковая скорость: 100 Мбит/с в направлении вниз и 50 Мбит/с в направлении вверх;
• сокращение отклика сети радиодоступа до 10 мс
• повышенная спектральная эффективность (в 2-4 раза, по-сравнению с HSPA Release 6)
• эффективная по затратам миграция от радиоинтерфейса и архитектуры Release 6 Universal Terrestrial Radio Access (UTRA)
• Улучшенная возможность широковещания;
• IP-оптимизация (фокус на услугах в области пакетной коммутации);
• масштабируемый диапазон от менее, чем 5 МГц до 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц;
• поддержка работы, как с парными, так и с непарными частотными диапазонами
• поддержка межсетевого взаимодействия с существующими системами 3G и системами, которые не стандартизировались 3GPP.

Архитектура

В параллель  с радиодоступом LTE, опорные пакетные сети также эволюционируют к плоской  архитектуре SAE. Эта новая архитектура  разработана для оптимизации  производительности, улучшения эффективности  затрат и упрощения запуска услуг  на базе IP для массового рынка.

На пользовательском уровне архитектуры SAE есть всего два  базовых устройства: базовая станция LTE (eNodeB) и гейт SAE Gateway, как показано на рис.4. Базовые станции LTE подключаются к опорной сети, используя интерфейс S1 - Core Network - RAN. Такая плоская архитектура сокращает число узлов, необходимых для обеспечения соединения.