15 Мобильная связь 4-го поколения

Глава 15


режиме коммутации пакетов. Спецификации стандарта включают в себя новейшие методы радиосвязи, позволяющие достигать уровня производительности, намного превышающего тот, который мог бы быть достигнут с использованием подходов на основе CDMA, особен­но при наличии каналов с большой шириной полосы пропускания. Стандарт LTE базируется на трех основных технологиях:

• 
  метод мультиплексирования с ортогональным разделением час­тот (OFDM);
  
• 
  антенные системы с разнесенным приемом и разнесенной пере­дачей MIMO (Multiple Input Multiple Output);
  
• 
  особая архитектура ядра сети, разработанная консорциумом 3GPP для стандарта LTE и получившая название System Architec­ture Evolution (SAE) — эволюционной архитектуры системы).
  

В качестве базовых преимуществ нового стандарта перед его предшественниками заявлены:

• 
  скорости передачи данных в LTE составляют до 50 Мбит/с для линии «вверх» (от абонента до базовой станции) и до 100 Мбит/с для линии «вниз» (от базовой станции к абоненту);
  
• 
  при этом должна обеспечиваться поддержка соединений для або­нентов, движущихся со скоростью до 300 км/ч;
  
• 
  зона покрытия одной БС — до 30 км в штатном режиме, но в более низких частотных диапазонах возможна работа с сотами радиусом более 100 км;
  
• 
  технология LTE поддерживает рабочие каналы шириной 1,4 МГц, 3 МГц, 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц;
  
• 
  технология LTE поддерживает как временной (TDD), так и час­тотный (FDD) метод доступа к физическому каналу;
  
• 
  для каждого канала шириной 20 МГц максимальная скорость пе­редачи данных на линии «вниз» составляет 326,4 Мбит/с (FDD 64QAM) для антенн 4x4 MIMO, 172,8 Мбит/с для антенн 2x2 MIMO и 100 Мбит/с для антенн SISO;
  
• 
  не менее 200 активных соединений на каждую соту с полосой 5 МГц;
  
• 
  повышенная спектральная эффективность в каналах с шириной 5 МГц и выше;
  
• 
  совместимость со стандартами предыдущих поколений.
  

TDD (Time Division Duplex) — дуплекс с временным разделени­ем направлений передачи. То есть направления передачи от базовой станции к мобильной и обратно используют одну и туже полосу час­тот, но разделены во времени. Этот метод используется, если нет возможности выделить парные полосы частот.

Мобильная связь 4-го поколения

125


FDD (Frequency Division Duplex) — дуплекс с частотным разделе­нием направлений передачи. То есть направления передачи от ба­зовой станции к мобильной и обратно используют разные полосы частот;
MIMO (Multiple Input Multiple Output — множественный вход — множественный выход) — технология радиопередачи и приёма, ис­пользующая несколько приёмных и несколько передающих антенн. Так 4x4 MIMO — 4 приёмных и 4 передающих антенны.
SISO (Single Input Single Output — один вход — один выход) — технология радиопередачи и приёма, использующая одну приёмную и одну передающую антенны.

1. 
   Радиочастотный спектр LTE
   

Радиочастотные спецификации технологии LTE определены в на­боре стандартов 3GPP TS 36.942 «Сценарии радиочастотного обес­печения системы радиосвязи», 3GPP TS 36.104 «Радиопередача и радиоприем базовых станций» и 3GPP TS 36.101 «Радиопередача и радиоприем абонентского оборудования». В табл. 15.1 представле­ны диапазоны частот, одобренные Партнерством 3GPP для систем радиосвязи стандарта LTE.
Первые 14 рабочих полос, представленных в табл. 15.1, совпа­дают с полосами частот, выделенных в 8 релизе для UMTS. Полосы частот с номерами 2, 3, 5 полностью совпадают с полосами частот, выделенных для GSM. А полоса частот с номером 8 включает по­лосу частот, выделенную для GSM-900 (см. раздел 5). Это позво­ляет или реформировать эти полосы для LTE, или использовать их совместно для LTE и UMTS/GSM. Большая часть представленных диапазонов частот описана в спецификациях 3GPP и рекомендована для всех трех регионов МСЭ, однако необходимо отметить, что это не означает однозначную возможность развертывания систем IMT-2000 в рассматриваемых диапазонах радиочастот. Исключением являются не указанные в табл. 15.1 диапазоны 15 и 16, которые не опреде­лены спецификациями 3GPP. Эти полосы определяются стандартом ETSI TS 102 735 только для региона 1 МСЭ (Европа, Средняя Азия и Африка).
Для сведения укажем данные по этим полосам отдельно от таб­лицы:

• 
  полоса № 15: 1900...1920/2600...2620 с дуплексным разносом
  

680 МГц (FDD);

• 
  полоса № 16: 2010...2025/2585...2600 с дуплексным разносом
  

560 МГц (FDD).
Обратим внимание на ещё одну особенность в таблице. Во всех рабочих диапазонах, за исключением 13-го и 14-го, с целью эконо-

Диапазон	Рабочая полоса частот, МГц		Дуплекс
	от мобильной станции к базовой	от базовой станции к мобильной
1	1920...1980	2110...2170	FDD
2	1850...1910	1930...1990	FDD
3	1710. ..1785	1805...880	FDD
4	1710...1755	2110...2155	FDD
5	824...849	869...894	FDD
6^1	83...840	875...885	FDD
7	2500...2570	2620...2690	FDD
8	880...915	925...960	FDD
9	1749.9.. .1784,9	1844,9...1879,9	FDD
10	1710...1770	2110...2170	FDD
11	1427,9...452,9	1475,9...500,9	FDD
12	698...716	728...746	FDD
13	777...787	746...756	FDD
14	788...798	758...768	FDD
15	Резерв	Резерв	FDD
16	Резерв	Резерв	FDD
17	704...716	734...746	FDD
18	815...830	860...875	FDD
19	830...845	875...890	FDD
20	791...821	832...862	FDD
21	1447.9...1462,9	1495.9...1510,9	FDD
22	3410...3500	3510...3600	FDD
33	1900...1920	1900...1920	TDD
34	2010...2025	2010...2025	TDD
35	1850...1910	1850...1910	TDD
36	1930...1990	1930...1990	TDD
37	1910...1930	1910...1930	TDD
38	2570...2620	2570...2620	TDD
39	1880...1920	1880...1920	TDD
40	2300...2400	2300...2400	TDD
41	3400...3600	3400...3600	TDD
Примечание 1: Полоса 6 в настоящее время не применяется. Примечание 2. По
результатам исследований ITU может изменить частотные диапазоны

мии ресурсов мобильных станций в соответствии с формулой (1.1) рабочая полоса частот от мобильной станции к базовой (полоса для связи «вверх») расположена ниже, чем полоса от базовой станции к мобильной.
Технология LTE использует многостанционный доступ с ортого­нальным разделением частот (OFDMA) на линии «вниз», который позволяет получать высокие пиковые скорости передачи данных в широких полосах частот.
Следует отметить, что радиотехнология WCDMA, по большому счету, не менее эффективна, чем технология OFDM при пиковых ско­ростях порядка 10 Мбит/с в полосе шириной 5 МГц, однако если

Полосы частот, МГц	Ширина канала, МГц
	1,4	3	5	10	15	20
791...821/832...962	X	X	X	X	-	-
880...915/925...960	X	X	X	X	-	-
1710...1785/1805...1880	X	X	X	X	X	X
1920... 1980/2110.. .2170			X	X	X	X
2300...2400	-	-	X	X	X	X
2500... 2570/2620...2690	-	-	X	X	X	X

требуется достичь скоростей порядка 100 Мбит/с в более широких каналах, для этого потребуются чересчур сложные терминалы и с со­временной технологией WCDMA это практически недостижимо. И именно здесь OFDM использует свои основные преимущества.
Подход на основе OFDMA также очень гибок в плане выбора ши­рины полосы канала, стандарт LTE предусматривает возможность ра­ботать радиоканалами различной ширины: 1,4 МГц; 3 МГц; 5 МГц; 10 МГц; 15 МГц; 20 МГц.
Рекомендованные ширины каналов для основных диапазонов LTE показаны в табл. 15.2.
Как видно из табл. 15.2, в нижних частотных диапазонах рекомен­дуются узкие полосы частот. Это связано с недостаточностью час­тотного ресурса в этих частотных диапазонах, а также относительно небольшим дуплексным разносом. В верхних частотных диапазонах узкие каналы не рекомендуются из соображений повышения эффек­тивности использования спектра — максимально широкие каналы да­ют максимальную пропускную способность и пиковые скорости.
Эксперты определили, что максимальная эффективность дости­гается при более широких полосах канала. Так, эффективность ис­пользования спектра будет на 40 % ниже для канала шириной 1,4 МГц, и на 13 % ниже для канала шириной 3 МГц. При ширине полосы 5 МГц система достигает своей максимальной эффективности.
Ширина полосы информационного канала и защитные интерва­лы являются масштабируемыми и зависят от выбранной оператором ширины полосы канала (рис. 15.3).
В соответствии со спецификациями 3GPP защитные интервалы в стандарте LTE/LTE-Advanced учтены в ширине полос информаци­онных каналов, их значения указаны в табл. 15.3.
Технология LTE начала разворачиваться в различных диапазо­нах частот в зависимости от конкретной ситуации с использованием спектра в каждой отдельно взятой стране: в США — в диапазоне 700 МГц, в Японии — в диапазоне 2,1 ГГц, в Европе — в диапазоне

Ширина полосы канала, МГц	1,4	3	5	10	15	20
Ширина информационного канала, МГц	1,08	2,7	4,5	9	13,5	18
Защитный интервал, МГц	0,16	0,15	0,25	0,5	0,75	1

2,6 ГГц. В Китае и Индии для создания сетей LTE доступен участок спектра 2,3/2,5 ГГц (TDD).
Сценарий использования частот упрощает тот факт, что новые системы LTE позволяют работать в существующих полосах GSM/W- CDMA/HSPA, так как большинство устройств поддерживают много­диапазонные операции, и это позволит операторам плавно ввести LTE услуги на тех рынках, где плотность абонентов достаточно велика, и затем постепенно распространять сети и услуги до общенациональ­ного покрытия. В перспективе постепенно планируется освобождать выделенные полосы частот для использования более продвинутых тех­нологий.

2. 
   Функции и технологические возможности LTE- Advanced
   

Спецификация 3GPP LTE Rel-Ю и последующие, также извест­ные как спецификации стандарта LTE-Advanced, имеют своей основ­ной целью удовлетворение разнообразных потребностей новейших те­лекоммуникационных приложений, которые в обозримом будущем ста­нут общепринятыми на беспроводном рынке. Реализация такого под­хода, как прогнозируется, также приведет к значительному снижению капитальных затрат (CAPEX) и операционных расходов (ОРЕХ) буду­щих широкополосных беспроводных сетей. Кроме того, LTE-Advanced будет обеспечивать обратную совместимость с LTE и будет соответ­ствовать или превосходить по своим возможностям все современные системы формата IMT [16].

Параметр	WCDMA (UMTS)	HSPA, HSDPA/HSUPA	HSPA+	LTE	LTE- Advanced
Максимальная скорость, Мбит/с: на линии «вниз»	0,384	14	28	100	1000
на линии «вверх»	0,128	5.7	11	50	500
Общая задержка	150 мс	100 мс	50 мс	~10 мс	менее 5 мс
3GPP releases	Rel 99/4	Rel 5/6	(максимум) Rel 7	Rel 8	Rel 10
Примерный год начала	2003/4	2005/6 HSDPA	2008/9	2009/10
коммерческой эксплуатации Метод доступа	CDMA	2007/8 HSU PA CDMA	CDMA	OFDMA/	OFDMA/
				SC-FDMA	SC-FDMA

С точки зрения инженера, отличие стандартов LTE и LTE-Advanc- ed заключается в более высоких скоростях и меньшем времени за­держки (табл. 15.4).
С ростом скорости передачи данных, которая в LTE-Advanced зна­чительно выше, чем была доступна когда-либо ранее, будет необхо­димо обеспечить обновление базовой сети с тем, чтобы она могла соответствовать возрастающим требованиям. В связи с этим необ­ходимо дальнейшее совершенствование архитектуры системы.
Как видно из табл. 15.4, стандарт LTE-Advanced предлагает зна­чительно более высокие скорости передачи, чем даже были указаны в начальных релизах LTE. Несмотря на то что эффективность исполь­зования спектра была значительно повышена, одно это само по себе не позволяет обеспечить необходимую скорость передачи данных, ко­торые были заявлены для 4G LTE-Advanced.
Для достижения этих очень высоких скоростей передачи данных необходимо увеличить ширину полосы частот в канале передачи и она должна стать больше той, что была заявлена в первых релизах стан­дартов для LTE. Предлагаемый для решения этой задачи метод назы­вается агрегацией несущих или иногда агрегацией каналов (под терми­ном «агрегация» понимается объединение, суммирование). Исполь­зуя предлагаемую в стандарте LTE-Advanced агрегацию несущих, для формирования одной ширины полосы передачи можно использовать несколько несущих и таким образом существенно увеличить общую пропускную способность канала.

3. 
   Специфика использования спектра для LTE-Advanced — агрегация несущих
   

Концепция агрегации несущих была определена в качестве клю­чевой технологии, которая будет иметь решающее значение для тех­

130