Ликбез 11-4. Поколения сотовой связи (4G LTE)

Продолжение. Про 1G – здесь, про 2G – здесь, про 3G – здесь и здесь.

4G LTE 

В 2004 г. в стандартизирующей организации 3GPP был инициирован проект под условным названием Long Term Evolution (LTE) – «долговременная эволюция» (которое впоследствии так и не поменялось). Его цель состояла в усовершенствовании сети доступа UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network) стандарта UMTS.

В 2007 году, по завершении стадии изучения применимости (feasibility study), были выпущены и утверждены технические спецификации на сеть LTE. К концу 2008 года спецификации были в основном, готовы к коммерческому использованию, а в декабре 2009 года были запущены первые сети LTE в Стокгольме (Ericsson) и Осло (Huawei). К концу 2011 года, сетей LTE, которые стали относить к четвёртому поколению 4G сотовой связи, в мире же было запущено 35.

Основным результатом разработки стандарта LTE стала более высокая скорость доступа к IP-сети. Поэтому стало возможным предоставление целого ряда услуг, которые были невозможны в сети 3G UMTS из-за недостаточной скорости доступа, а также недостаточно плотного покрытия сети.

Основными нововведениями в сети LTE были следующие:

  • Режим многоадресной трансляции мультимедийных потоков MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Services), что позволило значительно разгрузить опорную сеть и повысить скорость доступа;
  • LTE MIMO (Multiple In Multiple Out): формирование луча через несколько антенн, как на на передатчике, так и приёмнике. Такой режим позволяет значительно повысить скорость доступа, а также повысить надёжность соединения, за счёт большего количества направленных каналов в луче (beamforming) на одной соединении;
  • Позиционирование LTE (LTE positioning), что позволяет более точно определить местоположение устройства пользователя;
  • Система общего оповещения PWS (Public Warning System), что позволяет оперативно оповещать пользователей о наступлении какой-либо чрезвычайной ситуации.
  • Оптимизация распределения спектра радиочастот: использование нескольких диапазонов для одного канала;
  • Базовые станции, поддерживающие разные радио-технологии доступа RAT (Radio Access Technology);
  • Базовые станции eNodeB для домашнего использования, фемто-соты;
  • Самоорганизующиеся сети SON (Self-Organizing Networks).

Сотовая сеть 4G LTE дополняет 3G с целью увеличения скорости доступа и объёма каналов данных. Поэтому сочетание режимов доступа 3G и LTE является основой для развития 4G LTE.

Скорость доступа в 4G увеличена за счёт трёх основных факторов: расширения каналов (от 5 МГц в 3G до 20 МГц), агрегации частот каналов с общей полосой до 100 МГц, и увеличения количества приёмных и передающих антенн MIMO.

1.jpg

Рисунок 1. За счёт чего в 4G растёт скорость доступа (источник: Qualcomm).

Различие между двумя вариантами технологии двунаправленного доступа (Dupleх) показано на рисунке.

  • FDD (Frequency Division Duplex) позволяет получить более широкое покрытие одной базовой станции.
  • TDD (Time Division Duplex) даёт возможность регулировать соотношение полосы вниз (DL, Downlink) и вверх (UL, Uplink).

2.jpg

Рисунок 2. Различие между режимами FDD и TDD (источник: Qualcomm).

Следует заметить, что последние релизы технологии 3G – HSPA+ позволяют получить на практике скорости, близкие к 4G/LTE.  Поэтому, некоторые специалисты говорят, что есть две версии 4G: HSPA+/HSPA Adnvanced и LTE/LTE Adnvanced. Некоторые относят к 4G и WCDMA+. Однако, это не так, сама по себе скорость доступа не является единственным усовершенствованием LTE.

3.jpg

Рисунок 3. Соотношение релизов стандартов различных технологий 3G/4G (источник: Qualcomm).

Структура сети

Изменения сети в LTE затронули не только сеть доступа, но опорную сеть.

4.jpg

Рисунок 4. Структура сети 4G LTE (источник: 3g4gUK.com).

ЕРС является эволюционным продолжением ядра сети GPRS/3G. Основные новшества 4G/EPC – следующие:

  • Более простая архитектура, которая снижает эксплуатационные и капитальные расходы. Для повышения пропускной способности сети доступа требуется апгрейд только двух элементов сети: базовых станций и шлюзов.;
  • Сеть основана полностью на технологиях коммутации пакетов (All-IP). Первые релизы 3G предусматривали передачу голоса сети с коммутацией каналов. При всеобщем переходе телекоммуникационных сетей на коммутацию пакетов, архитектура EPC построена на базе IP-сети;
  • ЕРС имеет большую пропускную способность на сети радиодоступа RAN со скоростью Downlink свыше 100 Мбит/с;
  • Меньшая задержка передачи пакетов в RAN — около 10 мс;
  • Мобильность устройства пользователя между RAN разных типов: включая сети, разработанные не 3GPP (например WiMAX).

Компоненты EPC

Узел Управления Мобильностью MME (Mobility Management Entity) — управляет мобильностью пользователей, отвечает за хэндовер (передачу обслуживания пользовательского устройства UE между базовыми станциями), и производит выбор SGW для UE при начальном подключении к сети. MME также отвечает за аутентификацию пользователя (при взаимодействии c сервером базы данных пользователей HSS (Home Subscriber Server). MME участвует в «правомерном перехвате вызова» LI (Legal Interception), по-русски – СОРМ (система оперативно розыскных мероприятий), иначе говоря даёт возможность спецслужбам следить (с санкции суда) за телефонами подозреваемых в преступлениях. MME также обеспечивает мобильность между сетями LTE и сетями 2G/3G. Вместе с домашним HSS, MME также осуществляет роуминг устройств UE.

Шлюз обслуживания SGW (Serving Gateway) — предназначен для обработки и маршрутизации пакетов данных, при их получении их от, или посылки в базовые станции. также выполняет роль узла управления мобильностью (mobility anchor) для пользовательских данных при хэндовере между базовыми станциями (eNodeB), а также как узел управления мобильностью между сетью LTE и другими сетями. Когда устройство UE не используется, SGW отключает нисходящий канал DL и производит периодический опрос присутствия UE в соте (пейджинг), если требуется передать данные на UE.

Шлюз пакетной сети PGW Packet Network Gateway) — обеспечивает соединение от UE к внешним пакетным сетям данных, являясь точкой входа и выхода трафика от опорной сети для UE. PGW выполняет функции защиты и фильтрации пакетов для каждого пользователя, биллинга сессий вызовов и передачи данных. Кроме того, PGW участвует в управлении мобильностью между разными сетями, такими как WiMAX, CDMA 1X и EV-DO.

Узел установки политик тарификации PCRF (Policy and Charging Rules Function) — отслеживает поток услуг, и устанавливает тарифную политику для каждой услуги и пользователя, в зависимости от его тарифного плана.

Схема взаимодействия ЕРС с сетью доступа LTE и IP-сетью оператора показана на рисунке.

5.jpg

Рисунок 5. Опорная сеть ЕРС для LTE (источник: 1234g.ru).

Позиционирование пользователя в LTE

Одно из преимуществ 4G LTE перед 3G – улучшенные возможности позиционирования пользователя, что даёт возможность повысить качество его обслуживания.

Метод позиционирования в LTE может базироваться как на сигналах со спутника, так и на сигналах от ближайших базовых станций, причём оба метода могут работать одновременно.

В LTE используется метод разницы в наблюдаемом времени прибытия сигнала OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival), в котором устройство пользователя UE измеряет время прибытия сигнала TOA (Time Of Arrival) от нескольких базовых станций eNodeB.

Чем от большего числа базовых станций измеряется задержка сигнала τ, тем точнее можно вычислить местоположение устройства пользователя в ММЕ.

6.jpg

Рисунок 6. Метод позиционирования в LTE по разницы в наблюдаемом времени прибытия сигнала τi, где i – номер eNodeBi (источник: qualcomm.com).

VoLTE

Передача голоса по сети VoLTE (Voice over LTE – позволяет, при наличии подсистемы мультимедийных IP-услуг IMS (IP Multimedia Subsystem), передавать голос непосредственно по пакетной сети. Дело в том, что в сетях 2.5/3G, при совершении речевого вызова, он переключался на обычную «голосовую» сеть GSM. Поэтому, пользователю, если он находился в сети 3G, требовались 2-3 секунды, чтобы такое переключение произошло, и при этом мобильный Интернет ему становился недоступен.

VoLTE позволяет предоставлять голосовые услуги в виде потока пакетных данных через сеть радиодоступа LTE. Качество звука при этом становится гораздо лучше. Кроме того, другие услуги передачи данных при совершении вызова VoLTE.

Архитектура услуги VoLTE показана на рисунке ниже.

7.jpg

Рисунок 7. Схема предоставления услуги VoLTE (источник: metaswitch.com).

Услуга VoLTE предоставляется при помощи сервера приложения телефонии TAS (Telephony Application Server). Он работает на уровне приложений подсистемы мультимедийных IP-услуг IMS. Следует учесть, что на этом рисунке показаны далеко не все элементы IMS, их гораздо больше. С архитектурой и работой IMS можно ознакомиться здесь.  

***

Таким образом, мы видим, что сеть 4G фактически является эволюционным развитием сотовых сетей предыдущих поколений. Работоспособность сетей предыдущих поколений сохраняется и при строительстве LTE, оборудование которой успешно взаимодействует с уже установленным на сети оборудованием оператора, и не оказывает влияние на текущие услуг, при этом вводя новые.

Следует также пояснить, что к 4G относится также и технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), которую иногда считают усовершенствованным WiFi из-за схожести названий. Но это не так. Эту технологию разрабатывал специально созданный WiMAX Forum. Наработки этой организации были использованы 3GPP в LTE, однако, сама технология WiMAX сейчас практически нигде не используется.

 

About Алексей Шалагинов

Независимый эксперт
Gallery | This entry was posted in 5G, Ликбез, Технологии and tagged , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

2 Responses to Ликбез 11-4. Поколения сотовой связи (4G LTE)

  1. Pingback: Ликбез 11. Поколения сотовой связи (1G) | Telecom & IT

  2. Pingback: Ликбез 11-5. Поколения сотовой связи (5G) | Telecom & IT

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.