Введение в LTE

Существующие  системы 3GPP (GSM и WCDMA/HSPA) и 3GPP2 (CDMA2000 1xRTT, EV-DO) интегрированы в систему LTE за счет использования стандартизованных  интерфейсов, обеспечивающих оптимизированную мобильность. Для систем 3GPP это означает наличие сигнального интерфейса между CDMA RAN и новой опорной сетью. Такая интеграция обеспечит поддержку, как двойных, так и одиночных  радио хэндоверов, обеспечивая возможность плавной миграции к LTE.

Управление сигнализацией, например, для обеспечения мобильности, поддерживается узлом управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME), выделенным из гейта (Gateway). Это упрощает оптимизацию развертывания сети и обеспечивает возможность гибкого масштабирования ее емкости.

Сервер домашних абонентов (HSS) подключается к пакетной сети (Packet Core) за счет интерфейса, основанного на Diameter, а не на базе сигнализации SS7, которая использовалась в сетях GSM и WCDMA. Сигнализация сети для полицейского прослуживания и для биллинга (charging) также основана на Diameter. Это означает, что все интерфейсы архитектуры - это IT-интерфейсы.

Существующие  системы GSM и WCDMA/HSPA интегрированы с  системой LTE с помощью стандартизованных  интерфейсов между SGSN и опорной  сетью LTE. Как ожидается, попытка  интегрировать CDMA доступ также приведет к обеспечению возможности поддержания  мобильности между сетями CDMA и LTE. Такая интеграция также должна обеспечивать, как дуальный, так и одиночный хендовер вызовов, что обеспечивает гибкую возможность миграции из сетей CDMA в сети LTE.

В LTE-SAE действует  концепция QoS (качества услуги), основанная на понятии класса услуги. Это обеспечивает простое, но эффективное решение, позволяющее оператору предлагать дифференцировать предоставляемые пакетные услуги.

рис.4 Плоская архитектура LTE и SAE 
 

Радиотехнология OFDM

LTE использует OFDM для формирования нисходящего  канала, т.е. канала от базовой  станции к мобильному устройству. OFDM отвечает требованиям LTE к спектральной  гибкости и позволяет создавать  эффективные по затратам решения  для широкополосных несущих с  высокими пиковыми скоростями  передачи данных. Это хорошо проработанная  технология, о чем свидетельствует  целый спектр стандаров, таких, как IEEE 802.11a/b/g. 802.16, HIPERLAN-2, DVB и DAB.

OFDM использует  большое количество узкополосных поднесущих для обеспечения передачи. Базовый нисходящий канал LTE на физическом уровне можно рассматривать, как частотно-временную решетку, как показано на рис.5. В частотной области, промежутки между поднесущими, дельта f, составляют 15 кГц. Кроме того, продолжительность "символа" OFDM составляет 1 / дельта f + префикс цикличности. Префикс цикличности используется для обеспечения ортогональности между поднесущими даже в условиях радиоканала с дисперсией по времени.

Один ресурсный  элемент формируется модуляцией QPSK, 16QAM или 64QAM. В случае, если используется модуляция 64QAM, каждый ресурсный элемент обеспечивает передачу 6 бит информации.

Символы OFDM сгруппированы  в ресурсные блоки. Ресурсные  блоки имеют размер в 180 кГц в  частотном измерении и 0.5 мс во временном  измерении. Каждый временной интервал передачи (TTI, Transmission Time Interval) состоит из двух слотов (Tslot).

Каждому пользователю присваивается некоторое количество так называемых ресурсных блоков в частотно-временной решетке. Чем  больше ресурсных блоков назначается  пользователю, и чем более высокая  степень модуляции используется в формировании ресурсных элементов, тем более высокий обеспечивается бит-рейт.

Какие ресурсные  блоки будут назначены и сколько их получит пользователь в данный момент времени, зависит от усовершенствованного механизма составления частотно-временного расписания. Механизм составления расписания, используемый в LTE, похож на тот, что применяется в HSPA и обеспечивает оптимальное функционирование различных услуг в различных условиях.

рис.5 Физические ресурсы  нисходящего канала LTE основаны на OFDM 

В восходящем канале, LTE использует пре-кодированную версию OFDM под названием SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей). Это предпринято для того, чтобы компенсировать расходы на OFDM, который отличается очень высоким отношением пиковой мощности к средней мощности радиосигнала (PARP - Peak to Average Power Ratio). Реализация высоких значений PARP требуют использования дорогих и неэффективных усилителей мощности, предъявляющих высокие требования к линейности, что сказывается на росте стоимости терминалов и быстроте разряда батарей.

SC-FDMA позволяет  решить проблему за счет объединения  ресурсных блоков таким образом,  что сокращаются требования к  линейности, а также к потребляемой  мощности усилителя. Низкие значения PARP кроме того улучшают покрытие  и производительность соты.

Усовершенствованные антенны

Усовершенствованные антенные решения были разработаны  для внедрения HSPA (eHSPA) и будут использоваться в системах LTE. Решения, в которых применяется несколько анетенн, отвечают требованиям к мобильным сетям следующего поколения в отношении пиковых скоростей передачи данных, расширенного покрытия и высокой емкости.

Усовершентствованные антенные решения с использованием нескольких антенн являются ключевыми компонентами для достижения этих целей. Не существует решения антенного устройства, которое отвечало бы каждому возможному сценарию. Соответственно, есть целое семейство антенных решений для различных сценариев развертывания сети. Высокие пиковые скорости передачи данных, например, могут достигаться за счет использования многослойных антенных решений, таких как 2x2 или 4x4 MIMO, тогда как расширенное покрытие удобнее обеспечивать за счет использования бимформинга.

Частотные диапазоны  для FDD и TDD

LTE может использоваться, как в парных (FDD), так и в  непарных (TDD) участках спектра. Первые  релизы продукта от лидирующих  поставщиков будут обеспечивать  поддержку обеих дуплексных схем. В целом, FDD - обеспечивает большую  эффективность и представляет  более более высокий потенциал использования устройств и инфраструктуры, тогда как TDD может выполнять роль хорошего дополнения, например, для заполнения пробелов. Более подробно читайте в краткой справке (ниже), посвященной FDD и TDD. Поскольку оборудование LTE практически идентично для случаев FDD и TDD (кроме фильтров), операторы которые начнут с сооружения сетей TDD, смогут впоследствие воспользоваться эффектом экономии на масштабе, который обеспечит широкое распространение продуктов FDD.

Факты о FDD и TDD

Все сотовые  системы связи сегодня используют FDD, и более 90% частот, используемых системами  мобильной связи во всем мире - это  парные наборы полос частот. В случае FDD, трафик вниз и вверх обеспечивается одновременно в различных частотных  диапазонах. В системах TDD, передача в канале вверх и вниз не ведется  непрерывно, что позволяет использовать для организации канала один и  тот же частотный диапазон. Например, если разделить время между передачей  вверх и вниз в соотношении 1:1, то направление вверх будет использоваться лишь половину времени. Средняя мощность, для каждого сеанса связи, также  оказывается равна половине пиковой  мощности. Поскольку пиковая мощность ограничена регулятором, то в результате получается, что для той же пиковой  можности, TDD обеспечивает меньшее покрытие, нежели FDD.

Более того, операторы  зачастую хотели бы выделить более, чем половину своих ресурсов для организации канала вниз (чтобы повысить пиковую скорость в этом направлении). Если соотношение DL/UL равно 3:1, то для реализации сети TDD потребуется на 120% больше сайтов, нежели для реализации сети FDD.

К настоящему времени, 3GPP было выделено 10 различных частотных  дипазона для создания систем LTE-FDD и четыре частотных диапазона для LTE-TDD, как это показано в табл.1 (3), (4). Вероятно, этот список будет расширен за счет добавления других частотных диапазонов, таких, например, как диапазон 700 МГц в США.

табл.1 FDD (слева) и TDD (справа) - частотные диапазоны, определенные решениями 3GPP (июнь 2007) 

Первая инфраструктура сети LTE и терминалы будут с  первого же дня поддерживать работу с множеством частотных диапазонов. LTE, таким образом, достаточно быстро сможет обеспечить возможность экономии на масштабах и глобального покрытия.

LTE разработана  так, чтобы поддерживать гибкий  подход к ширине несущих, которые  могут варьировать от менее, чем 5 МГц вполь до 20 МГц во многих частотных диапазонах, причем, как при построении сети FDD. так и при построении сети TDD. Это означает, что оператор может разворачивать LTE, как в новых, так и в выделенных оператору ранее частотных диапазонах. Первыми могут быть диапазоны, где, в целом, легче будет найти несущие в 10 МГц или в 20 МГц (например, 2.6 ГГц (диапазон VII), AWS (диапазон IV) или диапазон 700 МГц), но, кроме того, LTE можно строить во всех сотовых диапазонах. В отличие от прежних систем сотовой связи, LTE будет быстро развернута в различных частотных диапазонах. 

Терминалы, модули и терминалы для фиксированной  беспроводной связи

К тому времени, как окажется доступным оборудование LTE, мобильные широкополосные устройства станут массовыми продуктами на рынке. Отраслевая аналитическая группа Strategy Analytics прогнозирует, что к 2010 году, около полумиллиарда телефонов WCDMA будет продаваться в течение года, а более 2/3 из них будут обеспечивать поддержку HSPA (октябрь 2006 года).

Сегодня большинство  людей вспоминают о мобильных  телефонах, когда мы говорим о  мобильных звонках. Однако, в ближайшие  годы, такие устройства, как ноутбуки, нетбуки, игровые устройства и видеокамеры будут активно использоваться в сетях связи благодаря таким технологиям, как HSPA, CDMA2000, а также LTE. Это будет возможно за счет использования стандартизованных PCI Express встроенных модулей. Многие компании, работающие в области потребительской электроники, смогут эффективно внедрять технологии мобильного ШПД при создании устройств, которые обеспечат новую ценность для потребителей.

Терминалы фиксированной  беспроводной связи (FWT - Fixed Wireless Terminals) - это еще одна возможность эффективного использования мобильного ШПД. FWT можно сравнить с DSL-модемами для подключения к Ethernet, WLAN или POTS различных устройств в офисе или дома. Основное различие в том, что широкополосные услуги обеспечиваются не с помощью медного кабеля, а с помощью радиосети. FWT дают оператору возможность обеспечивать услугу ШПД эффективным по затратам способом для всех абонентов, которые уже располагают настольными компьютерами с подключением к Ethernet или владельцам ноутбуков, способных подключаться к сетям WLAN.

рис. 6. Примеры устройств, которые могут  использовать сети LTE 

Ценовая эффективность

Существует значительная и обширная поддержка LTE со стороны  мобильной индустрии. Многие поставщики, операторы и исследовательские  институты участвуют в стандартизации данной технологии. Это хорошая база для создания здоровой экосистемы.

Один из ключевых факторов успеха любой технологии - это экономия на масштабе. Преимущества, связанные с объемами, существенны, как для абонентских терминалов, та и для оборудования инфраструктуры. Они сказываются на снижении затрат на производство и позволяют операторам предоставлять абонентам эффективные  по цене услуги. Это одна из основных причин, которая привлекает к LTE тех операторов, которые только собираются выйти на рынок с собственной сетью мобильного ШПД.

Развертывание LTE будет осуществляться по различным  сценариям, в зависимости от конкретных рыночных условий той или иной страны, регуляторных особенностей. Первые устройства будут мультимодовыми, что позволит говорить о широкой зоне покрытия, мобильности и услуг с первого же дня запуска сети LTE. Существующие стандартные сети мобильной связи можно будет использовать для обеспечения связи там, где LTE еще не внедрена.

Важным является то, что внедрение инфраструктуры LTE настолько просто и эффективно с точки зрения на затраты, насколько  это только возможно. Например, должно быть возможно осуществить апгрейд существующих базовых станций радиоподсети до LTE используя легко заменяемые модули, причем они смогут работать, как с одним частотным диапазоном, так и с парными наборами частот.

Отдельные базовые  станции для LTE также будет проще  установить, чем современное оборудование GSM/WCDMA. Запуск сети, ее эксплуатация и  менеджмент могут быть упрощены за счет использования таких функций, как "включил и работает" и "авто-отимизация", что позитивно сказывается на сокращении капитальных и операционных затрат оператора.

LTE позиционируется  в качестве сети, которая отвечает  требованиям к сетям мобильной  связи следуюшего поколения - как для существующих операторов 3GPP/3GPP2, так и для новичков рынка. Эта технология позволит операторам оказывать высокопроизводительные услуги мобильного ШПД для широкой аудитории, используя комбинацию высоких пиковых скоростей и пропускной мощности системы, как в направлении "вниз", так и в направлении "вверх", причем с низким временем отклика.