Стандарт сотовой связи четвертого поколения 4G (LTE)

Хоть стандарты третьего поколения мобильной связи и предоставляют пользователям широкий спектр услуг и обеспечивают высокую скорость обмена информацией до 14 Мбит/сек, однако объемы информации в коммуникационных сетях продолжают расти и поэтому организация 3GPP еще в 2004 году начала работу над созданием стандарта четвертого поколения 4G - LTE (Long Term Evolution). Основные требования к новому стандарту предполагали: увеличение скорости передачи данных до 100 Мбит/сек, повышение безопасности системы, снижение энергозатратности, уменьшение задержек в работе системы, совместимость с мобильными сетями предыдущих поколений. Уже в 2009 году первая сеть стандарта LTE была запущена в эксплуатацию в Швеции. Теоретически сети 4G способны передавать данные со скоростью до 326,4 Мбит/сек на прием  и до  172,8 Мбит/сек на передачу. При такой скорости на загрузку фильма в хорошем качестве понадобится не более одной минуты.

Структура сети LTE существенно отличается от сетей 2G и 3G. Изменениям подверглись подсистема базовых станций и подсистема коммутации, а также технология обмена данными между терминалом пользователя и базовой станцией, протоколы передачи информации между сетевыми элементами. Таким образом, теперь абсолютно вся информация (голос, пакетные данные) передается в виде пакетов.

В подсистеме коммутации сети стандарта LTE можно выделить следующие узлы:

• Обслуживающий шлюз Serving Gateway (SGW)  заменяет MSC, MGW и SGSN сети UMTS и выполняет функции обработки и маршрутизации пакетных данных из подсистемы базовых станций. Обслуживающий шлюз соединяется непосредственно с сетями 2G и 3G того же оператора. Это существенно упрощает передачу соединения в сети предыдущих поколений при ухудшении зоны покрытия или перегрузке сети.
• Шлюз соединения с сетями других операторов Public Data Network Gateway (PGW) маршрутизирует информацию (голос, пакетные данные) из сети (в сеть) данного оператора.
• Узел управления мобильностью Mobility Management Entity (MME) предназначен для управления мобильностью клиентов сети LTE.
• Сервер абонентских данных Home Subscriber Server (HSS) представляет собой объединение в одном устройстве регистров VLR, HLR, AUC.
• Узел выставления счетов Policy and Charging Rules Function (PCRF) предназначен для формирования клиентам счетов за оказанные услуги связи.

В подсистеме базовых станций остался только один традиционный элемент – базовая станция eNodeB, которая кроме функций собственно базовой станции, выполняет еще функции контроллера базовых станций LTE. Такое решение позволяет упростить расширение сети, так как отпадает необходимость добавления новых контроллеров и расширения емкости существующих.

В сетях стандарта LTE используются технологии передачи данных MIMO и система кодирования OFDM. Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предусматривает передачу данных посредством N-антенн и прием - M-антеннами, причем принимающие и передающие антенны расположены между собой на таком расстоянии, чтобы получить минимальную корреляцию. Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием OFDM (Orthogonal Frequency-division Multiplexing) представляет собой цифровую схему модуляции, которая использует в большом количестве расположенные рядом ортогональные поднесущие частоты.

В настоящее время наиболее приоритетными для сетей 4G являются частоты в диапазоне 2,3 ГГц. На этой частоте, например, работает китайский  оператор сотовой связи China Mobile. Другой диапазон частот 2,5 ГГц широко применяется в Европе, Японии, Индии и США. Существует еще частота 2,1 ГГц, но здесь доступен очень узкий диапазон – всего лишь 15 МГц, а у многих европейских мобильных операторов и того меньше - до 5 МГц. В дальнейшем, скорее всего, перспективным станет частотный диапазон 3,5 ГГц, что вызвано тем обстоятельством,  что во многих странах в данном диапазоне уже существуют сети беспроводного широкополосного доступа в Internet и переход в сеть LTE позволит операторам использовать частоту без приобретения новых дорогих лицензий. При необходимости под сети четвертого поколения могут выделяться  и другие частоты. В разных структурах сетей 4G могут использоваться частотные полосы в диапазоне 1,4 - 20 МГц. Для сравнения в стандарте  UMTS используются фиксированные полосы 5 МГц. В сетях LTE используется временное TDD (Time Division Duplex) и частотное FDD (Frequency Division Duplex) разделение сигналов.

Обычно базовая станция сети LTE может обслуживать зону радиусом до 5 км, хотя при необходимости за счет высокого расположения антенн базовой станции этот размер может быть увеличен  до 30 и даже до 100 км. Большим преимуществом стандарта LTE является большой выбор терминалов. Кроме сотовых телефонов могут  использоваться ноутбуки, планшетные компьютеры, видеокамеры и игровые устройства со  встроенными модулями совместимости с сетями четвертого поколения.

Технология стандарта  LTE поддерживает хэндовер и роуминг с сотовыми сетями поколений 2G и 3G, что позволяет этим устройствам быть совместимыми и с этими сетями. Структура сети 4G позволяет сразу перенаправлять звонок или интернет-сессию в сеть 3G или 2G (UMTS или GSM). Кроме того, сети стандарта LTE легко интегрируются с сетями WI-FI и Интернет.

Автор: MC,
10.02.2013 г.