Современные мобильные телефоны дают возможность в считанные секунды скачать из Сети любой тип контента – от небольших фотографий и музыкальных файлов до видео в разрешении 4К. Большинство крупных мобильных операторов после перехода на стандарты 3G и 4G предоставляют абонентам безлимитные пакеты для круглосуточного доступа к неисчерпаемым ресурсам глобальной сети.
Начало пути – первое поколение цифровых сетей 2G
Сегодня сети второго поколения используются для передачи текстовых сообщений и голосовых вызовов в основном в регионах, где отсутствует устойчивое покрытие сетей третьего и четвертого поколений. На территории России широкое распространение получили стандарты GSM, в соответствии с которыми операторы сотовой связи работали в диапазоне 900 и 1800 МГц.
Позднее, с переходом на технологию беспроводной передачи данных EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), которую еще относят к категории 2,75G, скорость обмена информацией удалось довести до 236 кбит/с. Альтернативой и следующим шагом в развитии мобильных технологий передачи данных стал стандарт CDMA, использующий диапазоны 450 и 1900 МГц. Естественное развитие Code Division Multiple Access привело к появлению технологии EvDO, с помощью которой удалось достичь скорости передачи данных 3,1 Мбит/с. Но нашей стране развитие Evolution-Data Only (ускорения для передачи только данных), позволивших ускорить процессы обмена информацией до 300 Мбит/с, также не получили дальнейшего распространения.
В 2000 году, как продолжение эволюции стандарта CDMA, появилась система современной сотовой связи WCDMA/UMTS, которую относят к полноценной технологии третьего поколения. Основные возможности сетей 3G:
- организация видеотелефонной связи между абонентами;
- передача мультимедийных данных в ассиметричном режиме;
- интерактивный обмен мультимедиа контентом;
- полноценная работа с телефона в сети Интернет;
- передача больших объемов аудио- и видео информации.
Внедрение в 2006 году высокоскоростной технологии HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) для быстрой пакетной передачи данных позволило постепенно перейти со скорости 1,2 Мбит в секунду до 3,6 Мбит/с. Следующие шаги по увеличению скорости обмена данными между абонентом и вышкой сотовой связи выглядят следующим образом:
- HSPA, которая стала очередным этапом развития HSDPA, позволила довести скорость вначале до 7,2 Мбит/с, а затем до 14,4 Мбит/с;
- базирующаяся на стандартах HSDPA технология HSPA+, использующая более сложный подход к модуляции транслируемого сигнала. Скорость передачи информации последовательно возрастала от 21,6 до 28,8 Мбит/с;
- DC-HSPA+, представляющая собой двухканальный HSPA+ с шириной канала 10 МГц, позволила довести скорость мобильного интернета до 42,2 Мбит в секунду;
- Новая технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) использовала принцип мультиплексирования, когда одно устройство в определенной точке видело две и более несущих частоты от разных базовых станций. Это потребовало внедрения многоэлементных антенн и позволило достичь скоростей 84, 168 и 336 Мбит/с.
В процессе развития связи в системах третьего поколения удалось значительно повысить качество голосовой передачи данных, которая ведется в диапазоне 150 Гц–7 кГц. Параллельно стала востребованной услуга видеоконференц-связи для одновременного общения нескольких абонентов по телефону с синхронной передачей видеоданных.
Технология множественного входа и множественного выхода стояла у истоков MassiveMIMO, которая после нашла применение в 5G-сетях. Но логическим продолжением развития принципов, заложенных GSM/UMTS, стал стандарт Long-Term Evolution (LTE), который относят к четвертому поколению сотовых сетей.
Впервые такая технология была представлена крупнейшим японским оператором мобильной связи NTT DoCoMo, а коммерческий успех, связанный с внедрением стандарта в Европе, принято относить к 2009 году. Тогда по технологии LTE была организована сотовая связь абонентов в Норвегии и Швеции (при активном участии технического персонала компании Sonera). В России первой использовать связь четвертого поколения стала компания Yota. Появившийся на рынке операторов мобильной связи 4G достаточно быстро сменил морально устаревший и не получивший широкого распространения стандарт WiMAX.
Развертывание LTE
Long Term Evolution относится к следующему после 3G поколению стандартов передачи данных в мобильных сетях. Такая технология использует для передачи информации расширенный диапазон частот, поддерживая функцию дифференциации канала. Оптимизация стандарта 3G дала возможность поднять скорость обмена информацией до 326,4 Мбит/сек, а скорость обработки запросов также возросла, составив 5 мс.
Изначально стандарт LTE-2600 обеспечивал только высокоскоростной доступ к глобальной сети, и не предусматривал голосового обмена информацией. Но последовательное развитие до десятого релиза Advanced при использовании оператором сотовой связи ширины диапазона 40 МГц дает возможность довести скорость передачи данных до 300 Мбит в секунду.
Абоненты мобильных сетей сразу почувствовали разницу, ведь после внедрения LTE стало возможным быстро загружать значительные объемы видео контента и участвовать в онлайн-играх без задержки действий. Для операторов сотовой связи такое усовершенствование также стало решением многих вопросов, связанных с уменьшением нагрузки на оборудование и сокращением парка технических устройств для организации передачи данных.
Сетевая технология Long Term Evolution поддерживает развертывание на разных частотах, и в рамках принятой спецификации используют ряд фиксированных частот в диапазоне 1,4-20 МГц. Мобильные операторы связи применяют LTE для повышения пропускной способности канала, когда переводят абонентов на новый стандарт с сетевых технологий GSM, CDMA и пр.
Но такой подход сужает канал, а значит, меньшее количество клиентов смогут отправлять и принимать мобильные данные на высокой скорости. Одна станция Long Term Evolution может поддерживать работу до 200 активных абонентов для каждого канала из выделенного на одну ячейку 5 МГц спектра. Значит, станция с каналом 20 МГц сможет поддерживать на полной скорости работу до 800 активных устройств:
- планшетов;
- мобильных точек доступа;
- смартфонов;
- USB-модемов.
Почему LTE проще в развертывании
Если сравнивать архитектуру современной сетевой технологии 4 поколения с предшественниками, ее структура выглядит значительно проще. Причина – при передаче данных в сети LTE применяется только коммутация пакетов. Изначально разработчики не планировали передачу и обработку текстовых сообщений и голосовых вызовов, как в сетях CDMA и GSM.
Основные компоненты Long Term Evolution:
- UE – мобильный телефон или другое устройство пользователя, подключающееся к мобильной сети;
- evolved node B (eNodeB), посредством которой базовая станция (устанавливаемая рядом с вышкой мобильной связи) подключается к EPC (Evolved Packet Core);
- MME (mobile management entity) – узел управления мобильным доступом, который обеспечивает доступ абонентов к сети;
- PGW (шлюз для сетевой пакетной передачи данных) – подключается к внешним сетям для выхода на следующую ступень передачи данных (например, соединение с интернетом);
- HSS (home subscriber server) – составная часть системы, с помощью которой клиент подключается к сети. Сервер, который хранит информацию об абонентах сети, проводит аутентификацию пользователя, обеспечивает стабильную работу процедуры шифрования, отвечает за роуминг и пр.;
- SGW (обслуживающий шлюз) – передает данные от клиента к сети и обратно, также обеспечивая устойчивую работу всех технологических устройств, открывающих абоненту доступ в сеть.
Как на самом деле работает LTE
Для устойчивой передачи данных технология задействует два вида радиолиний – один поток информации движется от станции к устройству абонента, а второй – от клиента к базовой станции. Такой способ организации позволяет оптимизировать сетевую архитектуру и сделать более продолжительным срок эксплуатации аккумуляторов в смартфонах и других мобильных устройствах.
Для передачи информации от базовой станции к аппаратуре клиента применяется стандарт OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Это технология параллельной трансляции данных с разделением по частотам, работающая по принципу MIMO. Для синхронизации приемника и передатчика используются пилотные поднесущие, которые не требуют разделительной частотной полосы и могут переносить большие объемы информации.
Функциональные особенности стандарта MIMO (Multiple In, Multiple Out) требуют для взаимодействия клиентского устройства с базовой станцией нескольких одновременных подключений. Это уменьшает время задержки сигналов и значительно повышает устойчивость соединения по сравнению с технологиями CDMA (Code Division Multiple Access) и TDMA (Time Division Multiple Access).
Благодаря использованию MIMO в процессе передачи данных по протоколу Wi-Fi удается достичь скорости 600 Мбит. Один из немногих недостатков технологии – появление помех, если антенны разных операторов мобильной связи находятся на небольшом расстоянии друг от друга. В таких ситуациях общая производительность LTE падает.
Для трансляции данных в обратном направлении, от мобильного устройства клиента к сотовой станции, в рамках технологии Long Term Evolution применяется схема генерации сигнала SC-FDMA (с одной несущей частотой Division Multiple Access). Такой выбор для восходящего канала передачи данных объясняется лучшими показателями при пиковой мощности трансляции. Как правило, мобильные устройства, поддерживающие стандарт LTE, не требуют большой мощности сигнала для передачи информации к базовой станции.
Для развертывания высокоскоростной мобильной связи четвертого поколения применяется принцип SC-FDMA 1х2. То есть, каждой антенне техники, передающей сигнал, соответствует две антенны на приемной базовой станции.
Технологию LTE развертывают в двух вариантах – FDD (frequency division duplex) или TDD (time division duplex). В первом случае отдельные частоты выбираются для восходящего и нисходящего каналов. То есть, каждый мобильный телефон использует для связи с базовой станцией два диапазона (две парных полосы частот). При этом загрузка и выгрузка информации происходит в параллельном режиме.
Второй способ развертывания TDD поддерживает последовательную обработку данных – вначале информация направляется в сторону базовой станции связи, а затем трансляция ведется в сторону абонента. В настоящее время в США предпочтительным вариантом развертывания LTE признан FDD, а в странах Азии (до 80% от общего числа в Китае) основное внимание мобильных операторов сосредоточено на технологии TDD.
Преимущества передачи данных FDD:
- большая территория покрытия мобильной связью;
- высокие скорости скачивания данных;
- стабильное соединение с базовой станцией.
Достоинства TDD:
- сниженная по сравнению со стандартом FDD стоимость базовой станции связи;
- рациональное использование выделенных оператору частот;
- возможность перераспределения пропускной способности восходящего и нисходящего канала без сужения или расширения частотного спектра.
К счастью для пользователей, большинство устройств, поддерживающих работу по технологии четвертого поколения, быстро адаптируются под выбранный способ передачи данных – FDD или TDD.
LTE и потребление энергии
Устройства, поддерживающие этот стандарт связи, активно расходуют запас заряда аккумуляторной батареи. Специфика передачи данных и нахождение в постоянном взаимодействии с вышкой сотовой связи (активный двойной режим) вызывают быструю разрядку мобильных устройств.
Второй важный компонент современной беспроводной связи – handover, или процедура смены канала связи в момент разговора абонента без обрыва соединения. LTE работает в таком режиме постоянно, что предусмотрено стандартами, заложенными в его основу. В противном случае пользователю пришлось бы вручную выбирать нового оператора каждый раз, когда он перемещался из диапазона одной базовой станции к другой.
Без постоянного хэндовера было бы невозможно организовать устойчивую мобильную связь. Например, такой разрыв можно наблюдать при установленном Wi-Fi соединении, когда пользователь заходит со своим устройством дальше зоны распространения сигнала. Таким образом, если отключить на сотовом телефоне режим LTE, это увеличит время автономной работы без подзарядки.
Голосовой трафик – за счет IP-телефонии поверх LTE?
Цель, которую преследуют операторы сотовой связи при развертывании новой технологии Long Term Evolution – заменить другие стандарты для передачи данных на LTE. Например, в Швейцарии уже принято решение и ведутся полноценные работы по полной ликвидации на территории страны сетей второго поколения, чтобы освободить частоты для развития технологи пятого поколения. Внедряя стандарты Long Term Evolution, специалисты разработали схему надежной передачи текстовых сообщений, голосовой связи, служебных данных и другой вспомогательной информации.
В то же время, для передачи голоса или текста стандарт четвертого поколения изначально не был предназначен. Чтобы выйти из сложившейся ситуации, было разработано несколько технологий на базе VoIP:
- VoLGA (Voice over LTE via Generic Access) с использованием устаревшего ядра сети GSM.
- VoLTE-IMS (Voice over LTE via IMS) – более дорогой, сложный в развертывании, в то же время, перспективный стандарт.
Для обработки текстовых сообщений и голосового вызова VoLTE использует расширенный вариант SIP (Session Initiation Protocol). При необходимости передать голосовой пакет применяется кодек AMR, который хорошо подходит для сжатия данных и служит базой для голосовых звонков в GSM и UMTS. Благодаря наличию широкополосной версии удается передавать голосовые вызовы с четкостью и без посторонних шумов.
Для трансляции видео данных применяется кодек с переменным битрейтом H.264 CBP над RTP (Real-Time Transport Protocol). Благодаря технологии VBR качество вызова адаптируется к изменяющимся уровням нагрузки мобильной сети. В результате пользователь всегда получает качественный видео контент независимо от характеристик канала передачи данных.
Что такое EHRPD
Технология eHRPD – усовершенствованная версия сети CDMA EV-DO, коммерческие испытания которой успешно проводила компания Huawei. Данный стандарт используется для перехода от CDMA к LTE, чтобы абоненты не почувствовали перерывов в обслуживании. На первом этапе внедрения Long Term Evolution покрытие по новой технологии обеспечивается в районах с наибольшей пользовательской нагрузкой.
Когда абоненты перемещаются в точку за пределами работы сети LTE, предоставляемые им в рамках широкополосной передачи данных услуги плавно перемещаются в оптимизированную сеть Evolution-Data Optimized (или EV-DO). За счет четко прописанной процедуры перехода такие показатели обслуживания, как надежность, высокая скорость передачи данных и устойчивость соединения, остаются неизменными.
Если не обеспечить плавный хэндовер между сетями LTE и CDMA, пользователи почувствуют резкое ухудшение качества сигнала. Поэтому для сотовых операторов, которые модернизируют существующие сети CDMA, высокие показатели эффективности eHRPD становятся решающими. Многие технические показатели сетей нового поколения в десятки раз превосходят параметры передачи данных систем второго и третьего поколения.
Будущее 4G LTE
Даже на современном этапе развития технологий передачи информации этот стандарт уже не всегда относят к четвертому поколению. А в будущем возможности Long Term Evolution только расширятся, что и произошло с момента ухода от гибридной передачи голоса и информации в сторону только передачи цифровых пакетов по сотовой сети.
Многие считают, что будущее – как раз за беспроводными технологиями, которые постоянно совершенствуются. Даже сейчас это более удобный и доступный способ передачи (получения) информации, чем кабельные сети, DSL-технологии и пр. На широкое распространение стандарта будет влиять и скорость разработки более емких аккумуляторов для мобильных устройств.
Следующим шагом развития LTE на пути перехода к стандартам связи пятого поколения 5G стало доведение входящей скорости до 600 Мбит/с. Для этого разработана технология Advanced Pro, приближающая пользователей к заветному гигабиту. А добавление к Long Term Evolution стандартов передачи данных на пониженной скорости (с меньшим энергопотреблением) дает все основания говорить о полноценном внедрении интернета вещей.
После перехода на стандарты Advanced Pro телефоны получили возможность одновременно получать и отправлять данные на нескольких диапазонах частот. Такая агрегация несущих частот Carrier Aggregation обеспечивает скорость до 300 Мбит при использовании двух диапазонов, а максимальные возможности нового стандарта раскрываются при объединении 32 диапазонов по 20 МГц.
Технология LTE Advanced Pro+ ставит перед собой планы достичь показателей скорости 3 Гбит в секунду. В рамках развития этого направления поставщики мобильных услуг смогут уменьшить физические размеры передатчиков на базовых станциях сотовой связи и более гибко управлять распространением сигнала в пространстве. Это улучшит показатели приема для абонентов, пользующихся телефонами и другими мобильными устройствами в условиях плотной городской застройки.
