Технологии широкополосного мобильного доступа в сетях LTE

В статье рассматриваются возможности технологии широкополосного доступа в сетях нового поколения LTE

Появление новых услуг и совершенствование технических возможностей устройств означает, что объемы трафика в сотовых сетях и потребительский спрос на высокоскоростную передачу данных будет возрастать с беспрецедентной скоростью. Так, трафик данных в сетях мобильной широкополосной связи демонстрирует практически экспоненциальный рост. Уже в 2009 году объемы мобильного трафика данных превысили объем трафика голосовой связи. То есть передача данных стала преобладающим видом трафика в мобильных сетях [1].

До 2014 года в сетях мобильной связи ожидается ежегодное удвоение трафика данных. Если экстраполировать эту тенденцию в будущее, то можно предположить, что в долгосрочной перспективе трафик данных увеличится в несколько сотен раз.

Сети мобильной связи должны пропускать трафик в прогнозируемых объемах и своевременно удовлетворять растущий потребительский спрос на высокоскоростную передачу данных. Крайне важную роль в достижении этой цели играет выбор эффективной технологии. В настоящее время существуют несколько технологий, способных решить эту задачу. Одним из вариантов является эволюция технологии 3G/WCDMA на основе HSPA. Сегодня во всем мире работает более 330 сетей мобильной связи с поддержкой HSPA, которые обслуживают более 375 миллионов абонентов [3]. Реальные скорости передачи данных в них составляют порядка нескольких Мбит/с, но новейшие спецификации HSPA уже поддерживают пиковые скорости передачи данных до 80 Мбит/с. HSPA продолжает развиваться и будет оставаться в высшей степени эффективной и конкурентоспособной технологией радиодоступа.

Параллельно с HSPA, консорциумом 3GPP была стандартизирована технология LTE, полностью удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к 4G. LTE представляет собой технологию на основе OFDM-модуляции, поддерживающую масштабируемую ширину полосы пропускания до 20 МГц и усовершенствованную передачу с нескольких антенн, предусматривающую формирование диаграммы направленности и пространственное мультиплексирование до четырех передающих антенн в нисходящем канале.

Как показано на рис. 2, технология LTE основана на «плоской» сетевой архитектуре, при которой базовые станции (или — eNodeB в терминологии LTE) напрямую подключены к усовершенствованной пакетной опорной сети (EPC). Со стороны пользователя соединение устанавливается с обслуживающим шлюзом (SGW), с управляющей стороны — с системой поддержки мобильности (MME).

Рис. 1. Архитектура сети LTE

Эволюция LTE

Технология LTE пережила целый ряд этапов развития с момента выхода первоначального стандарта, принятого консорциумом 3GPP — так называемого 3GPP Релиза 8. Для дальнейшего улучшения эксплуатационных характеристик и расширения возможностей технологии в апреле 2008 г. консорциум 3GPP начал работу над Релизом 10. Одной из задач было достижение полного соответствия технологии LTE требованиям стандарта IMT-Advanced, установленного для 4G Международным союзом электросвязи (ITU), что позволило бы с полным правом называть LTE технологией 4G. По этой причине Релиз 10 LTE также называется LTE-Advanced (усовершенствованная технология LTE), хотя важно подчеркнуть, что LTE-Advanced — это не новая технология, а всего лишь наименование, присваиваемое стандарту LTE, начиная с Релиза 10.

В Релизе 10 возможности LTE были расширены сразу в нескольких направлениях. Благодаря реализации новых функций сети LTE позволяют операторам пропускать бóльший трафик при поддержке более высоких скоростей передачи данных, а, следовательно, являются ключевым элементом для создания сетей широкополосного мобильного доступа в будущем.

Расширение полос частот и агрегация спектра

Операторы все чаще сталкиваются с необходимостью поддержки более высоких скоростей передачи данных конечным пользователям. Для этого в Релизе 10 упрощена агрегация несущих частот, что позволяет параллельно передавать данные на нескольких несущих частотах LTE с каждого терминала и на каждый терминал. При этом расширяется общая полоса частот и повышается скорость передачи данных конечным пользователям. Поддерживается агрегация до пяти несущих полос, по 20 МГц каждая, что позволяет получить общую ширину полосы до 100 МГц как для нисходящего, так и для восходящего каналов (см. схему слева на рис. 2).

Рис. 2. Агрегация соседних несущих (слева) частот и агрегация полос на разнесенных частотах (справа)

Подобная внеполосная агрегация частот, или агрегация спектра, представленная справа на рис. 2, позволяет операторам с фрагментированными спектрами получать более широкие полосы частот, обеспечивая более высокие скорости передачи данных конечным пользователям и повышая эффективность использования всего доступного спектра.

Расширенные возможности многоантенной передачи

В Релизе 10 возможности многоантенной передачи по нисходящему каналу расширены за счет поддержки пространственного мультиплексирования до восьми передающих антенн и, соответственно, восьми передающих трактов. В сочетании с расширением полосы частот до 100 МГц за счет агрегации частот это позволяет достичь пиковых скоростей передачи данных порядка 3 Гбит/с, или 30 бит/с на Герц.

Функция ретрансляции

В 3GPP Релизе 10 поддерживается функция ретрансляции, что позволяет

мобильным терминалам обмениваться данными с сетью через узел ретрансляции, соединенный по беспроводной связи с донорным узлом eNodeB, с использованием технологии радиодоступа LTE и спектра LTE, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Функция ретрансляции LTE

С точки зрения терминала узел ретрансляции представляется «обычной» базовой станцией. Это означает, что устаревшие пользовательские устройства также могут подключаться к сети через узел ретрансляции.

Функция ретрансляции может стать одним из способов быстрого и экономически эффективного расширения покрытия сети LTE. Сюда входят как расширение зоны обслуживания, так и увеличение скорости передачи данных.

Расширенная поддержка гетерогенных сетей

Уплотнение сети радиодоступа может способствовать удовлетворению будущих потребностей в трафике и скорости передачи данных. Как показано на рис. 4, это может быть осуществлено за счет установки дополнительных маломощных пикосот, которые расширяют возможности сети с точки зрения передачи большего объема трафика и поддержки повышенной скорости передачи данных при необходимости.

Рис. 4. Развёртывание сети HetNet

Развертывание подобных гетерогенных (или неоднородных) сетей (HetNet) в существующих сетях мобильной связи, в том числе в сетях LTE ранней версии, возможно уже в настоящее время. При этом в Релизе 10 реализованы функции, которые могут использоваться для дополнительного подавления взаимных помех от сот разных уровней, что расширяет возможности применения сетей HetNet.

В настоящее время сети LTE находятся в коммерческой эксплуатации параллельно с сетями HSPA. Новая версия технологии LTE, также называемая LTE-Advanced или 3GPP Релиз 10, предусматривает расширение полосы частот и агрегацию спектра, имеет расширенные возможности многоантенной передачи данных, поддерживает функции ретрансляции, а также развертывание гетерогенных сетей (HetNet).

Эксплуатационные характеристики и функциональные возможности LTE соответствуют требованиям к технологии IMT-Advanced, установленным Международным союзом электросвязи (ITU), а во многих аспектах превосходят эти требования. Таким образом, технология LTE — отличное решение для создания мобильных широкополосных сетей — как для нужд сегодняшнего дня, так и с перспективой на будущее.

Литература:

1.    4G — Широкополосная мобильная передача данных. Аналитический обзор Ericsson, 2011

2.    Гельгор А. Л., Попов Е. А. Технология LTE мобильной передачи данных, Учебное пособие, С-П., изд. Политехнического университета — 2011