LTE и LTE-Advanced
Стандарты 3G поддерживают скорости до 14 Мбит/сек, чего достаточно в настоящее время. Однако, чтобы удовлетворить потребности пользователей по скорости передачи данных и набору услуг хотя бы на 20 лет вперед необходим новый стандарт, уже четвертого поколения.
Работа над стандартом LTE (LongTermEvolution) (англ., долгосрочная эволюция) началась в 2004 году организацией 3GPP.
Главными требованиями к стандарту были:
- скорость передачи данных выше 100 Мбит/сек;
- высокий уровень безопасности системы;
- высокая энергоэффективность;
- низкие задержки в работе системы;
- совместимость со стандартами второго и третьего поколений.
В конце 2009 года в Швеции была запущена в коммерческую эксплуатацию первая сеть LTE.
В теории скорость приема данных должна достигать 326 Мбит/с, а скорость отдачи – 173 Мбит/с. Но на практике первые запуски технологии в США показали, что максимальная скорость в прямом канале достигает 40 – 50 Мбит/с, и 20 – 25 в обратном.
Радиус покрытия базовой станции LTE различается – от 5 до 30 км, а при достаточном поднятии антенны может достичь даже 100 км.
Системы связи 4G основаны на пакетных протоколах передачи данных. Для пересылки данных используется протокол IPv4, а также, в будущем планируется поддержка IPv6.
Высокие скорости передачи данных LTE достигаются благодаря двум ключевым технологиям:
- OFDMA – технология ортогонального многочастотного мультеплексирования;
- MIMO – использование нескольких антенн на передачу и прием.
В OFDM рабочая полоса частот разбивается на отдельные поднесущие и БС может выбрать для каждого соединения/абонента набор поднесущих, качество радиоканала для которых достаточно для предоставления услуги на нужной скорости. Это обеспечивает более эффективное использование спектра, чем, например, в 3G, где все абоненты работают в одном широком канале (5 МГц) и заведомо создают друг другу помеху.
MIMO – использование нескольких антенн на передачу и прием. Вместо одного радиолинка на соединение получаем несколько относительно независимых. Благодаря этому либо повышаем помехозащищенность соединения (если передаем через разные антенны одну и ту же информацию), либо скорость соединения (если передаем разную, в смысле разные части инфо- потока).
Сравнение полосы пропускания частот в разных стандартах:
- В 2G канал занимает 200кГц;
- В 3G – до 5 МГц;
- LTE – до 20 МГц
Чем шире полоса пропускания, тем большей скорости можно достичь. Связь между полосой пропускания линии и ее пропускной способностью установил Клод Шеннон:
C = Flog2(1+Pc/Pш),(1)
где С – пропускная способность линии в битах за секунду;
F – ширина полосы пропускания линии в герцах;
Рс – мощность сигнала;
Рш – мощность шума.
Структура сети LTE сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G (см. рисунок 8.1). Существенные изменения претерпела и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации (изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией, изменились протоколы передачи данных между сетевыми элементами).
Рисунок 8.1 – Структура LTE
Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные.
Подсистема коммутации:
1 Serving SAE Gateway или просто ServingGateway (SGW) – обслуживающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных, поступающих из/в подсистему базовых станций (заменяет MSC, MGW и SGSN в сети UMTS). SGW имеет прямое соединение с сетями 2G и 3G того же оператора, что упрощает передачу соединения в /из них в случае недостаточной зоны покрытия и перегрузок.
2 PublicDataNetwork (PDN) SAE Gateway или просто PDN Gateway (PGW) – шлюз к/от сетей других операторов. При передаче голоса и данных из/в сети других операторов они маршрутизируются именно через PGW.
3 Mobility Management Entity (MME) – узелуправлениямобильностью. Предназначен для управления мобильностью абонентов сети LTE.
4 HomeSubscriberServer (HSS) – сервер абонентских данных (представляет собой объединение VLR, HLR, AUC в одном устройстве).
5 PolicyandChargingRulesFunction (PCRF) – узел выставления счетов абонентам за оказанные услуги связи.
Базовая станция получила название eNodeB – выполняет функции как базовой станции, так и контроллера базовых станций сети LTE. За счет этого упрощается расширение сети, т. к. не требуется расширение емкости контроллеров или добавления новых.
Базовая станция eNodeB (evolvedNodeB) (дословно – продукт эволюции "узла Б", т. е. собственно БС 3G) включает:
- радиомодули (они же приемопередатчики, TRXbi);
- блок цифровой обработки сигнала (BBU);
- интерфейсные платы (FE/GE порты, электрические, оптические).
Радиомодули бывают выносные – RRU. Монтируются вблизи антенны (для уменьшения потерь в ВЧ- сигнала), к BBU подключаются по оптике (стандарт CPRI).
Поскольку БС разных стандартов больше похожи, чем отличаются, производители в последнее время всё делают "в одном флаконе". Решение называется SingleRAN. Одна БС на 3 стандарта: GSM, 3G и LTE.
Для LTE не нужны какие-то особенные антенны. Вполне подходят обычные панельные антенны с кросс-поляризацией, которые используются в сетях GSM и в 3G.
Правда, если в GSM и 3G две поляризации обычно используются на прием, а на передачу только одна (схема 2Rx/1Tx), то в LTE обе поляризации задействованы по полной, и на прием, и на передачу (схема 2Rx/2Tx) (это необходимо для реализации технологии MIMO2х 2).
На первом этапе внедрения LTE этого достаточно. Дальше пропускную способность сектора можно будет увеличить, добавив еще по одной кросс-пол антенне. Получится схема 4Rx/4Tx и MIMO4х 4. Главное разнести антенны в пространстве на достаточное расстояние (порядка 10 длин волн).
Контроллера сети доступа (как BSC в GSM, или RNC в 3G), как отдельного физического и логического узла в сети LTE, нет, БС подключаются напрямую к узлам Core, причем исключительно по IP.
Преимущество LTE в отличие от других стандартов, что технология не привязана к какому-то конкретному диапазону частот. Разработчики (3GPP) определили более 30 диапазонов для работы радиооборудования LTE. Сюда попали частоты, используемые сейчас под другие стандарты (например, 900, 1800 (GSM), 2100 (UMTS), 2500 (WiMAX), а также "новые", например,700 – 800 МГц (так называемый "цифровой дивиденд"). Не зависимо от диапазона для работы LTE, ширина частотного канала должна быть 20 МГц для download и 20 МГц для upload.
Наиболее приемлемыми являются следующие диапазоны:
- 800 МГц (3GPP band 20) – выгоден с точки зрения затрат на обеспечение сплошного покрытия;
- 2,5 ГГц (3GPP band 7) – выгоден при обеспечении емкости в хот-спотах;
- 1800 МГц (3GPP band 3) – хорош с точки зрения обеспечения в сети баланса между емкостью и покрытием; будет освобождаться с уменьшением количества GSM-only телефонов и расширением покрытия 3G (чтобы было, куда переводить голос); GSM-операторам даст возможность сэкономить за счет переиспользования инфраструктуры сети доступа (приемопередатчики, антенны).
Выбор правильного диапазона для развития LTE – задача не из простых. В нижних диапазонах, где всё отлично с покрытием, проблема найти полосу достаточной для полноценного LTE ширины. В верхних обычно хорошо с частотным ресурсом, но БС нужно ставить через каждые 400 – 500 метров, разоришься на сплошном покрытии.
Если сравнить крайние варианты, то площадь покрытия одной eNodeB, работающей в самом нижнем LTE- диапазоне (700 Мгц) оказывается, при прочих равных, в 5 – 6 раз больше, чем для базы, работающей в 2.5 ГГц. Вероятно, большинство сетей LTE, аналогично GSMу, будут двух-диапазонные.
Технология LTE имеет ряд этапов развития. Первоначальный стандарт носил название 3GPP Релиз 8. Для дальнейшего улучшения эксплуатационных характеристик и расширения возможностей технологии в апреле 2008 года консорциум 3GPP начал работу над Релизом 10 (LTE-Advanced) (усовершенствованная технология LTE)).
LTE-Advanced – это не новая технология, а всего лишь наименование, присваиваемое стандарту LTE, начиная с Релиза 10.
Для достижения более высоких скоростей в Релиз 10 были внесены следующие изменения:
1 Реализована агрегация несущих частот и агрегация полос из разных диапазонов частот, что позволяет параллельно передавать данные на нескольких несущих частотах. 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.
2 Расширены возможности многоантенной передачи: в нисходящем канале может быть до восьми передающих антенн (соответственно, до восьми передающих трактов), а в восходящем канале до четырех передающих антенн. Это в суме с расширением полосы частот до 100 МГц за счет агрегации частот позволяет достичь пиковых скоростей передачи данных порядка 3 Гбит/с на закачку и порядка 1,5 Гбит/с на отдачу.
В Релизе 10 поддерживается функция ретрансляции (см. рисунок 8.2), что позволяет мобильным терминалам обмениваться данными с сетью через узел ретрансляии, соединенный по беспроводной связи с донорным узлом eNodeB, с использованием технологии радиодоступа LTE.
Это дает как расширение зоны обслуживания, так и увеличение скорости передачи данных.
Рисунок 8.2 – Функция ретрансляции LTE
Несмотря на разговоры об LTE, потенциал UMTS еще не до конца исчерпан. Например, в стандарте HSPA+ пиковая скорость может достигать 42 Мб/с (download) и 23 Мб/с (upload), что вполне сопоставимо с возможностями LTE при текущих ограничениях.
При этом UMTS имеет важное преимущество в виде огромного числа доступных на рынке телефонов, который поддерживают этот стандарт.
Таким образом, в настоящее время существует две технологии радиодоступа для широкополосной мобильной связи: эволюционировавшая 3G на основе HSPA и 4G (LTE).
Точно так же, как технология GSM и ее продолжение сосуществует с системами 3G, модернизированная 3G на основе HSPA еще долгие годы будет существовать и процветать параллельно с LTE.
WiMAX
Разработкой WIMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) занимается WIMAX Forum. Релизы публикуются со следующей нумерацией: "802.16x", где "x" – это буквенное обозначение версии (отличаются друг от друга, в первую очередь, способами модуляции и кодирования сигнала на радио-интерфейсе).
Кроме того, стандарты с индексами "e" и "m" относятся к мобильным технологиям (их главное отличие – возможность хэндовера между двумя сотами).
Радиус покрытия одной базовой станции до 50 км, а скорости передачи данных в несколько сотен мегабит в секунду.
Mobile WIMAX не предоставляют услугу голосовой передачи данных по коммутируемым соединениям. В Mobile WIMAX реализована поддержка технологии Voiceover IP (VoIP), что является отличительной чертой стандартов четвертого поколения.
Первый релиз 802.16e появился в 2005 году. Скорость передачи до 37 Мбит/сек downlink (от базовой станции) и 17 Мбит/сек uplink. Предусмотрена возможность хэндовера между соседними базовыми станциями, а также роуминга, в том числе международного в сетях других операторов. Максимально на одной полосе 10 МГц может быть до 30 VoIP соединений.
В релизе 802.16e 2009 года были введены ряд новшеств:
- полоса одного канала расширена до 20 МГц;
- возможность использования до 2-х частотных каналов для одного соединения – максимальная скорость передачи данных downlink до 141 Мбит/сек, а uplink до 138 Мбит/сек.
Максимально на одной полосе 10 МГц может быть до 43 VoIP соединений.
Стандарт 802.16m появился в начале 2010 года. Изменения позволяют более эффективно использовать частотный диапазон:
- несколько механизмов управления мощностью и смягчения интерференции на краю соты;
- 4x4 MIMO;
- улучшенная система автоматического перезапроса ошибочных сообщений HARQ и др.
Скорость передачи данных downlink до 365 Мбит/сек, а uplink – до 376 Мбит/сек. На одной полосе 20 МГц теперь могут одновременно поддерживаться до 80 VoIP соединений.
Стандарт 802.16m также включает улучшенный сервис определения местоположения по базовым станциям, расширенные возможности рассылки широковещательных сообщений, более строгие меры безопасности.
Mobile WIMAX стал работать на скоростях до 350 км/час, а в некоторых случаях (в зависимости от частотного диапазона) до 500 км/час.
Сеть Mobile WIMAX состоит из двух основных подсистем (см. рисунок9):
1 CSN (Connectivity Service Network) – сетьобеспеченияуслуг.
2 ASN (AccessServiceNetwork) – сеть доступа (набор сетевых элементов, предназначенных для организации доступа абонентов WIMAX в сеть).
Функции CSN (сеть обеспечения услуг):
- распределение -адресов и параметров между пользователями сети;
- доступ к сети Internet;
- функции AAA;
- контроль доступа абонентов в сеть, основанный на профилях пользователей;
- биллинг;
- туннелирование между CSN и роуминг;
- мобильность между различными ASN, т. е. хэндовер между различными сетями доступа и др.
Рисунок 9 – Структура WiMAX
В сеть CSN могут входить такие элементы: роутеры, AAA сервер, базы данных абонентов, устройства преобразования сигнализации.
AAA (Authentication, Authorization, Accounting) сервер – устройство обеспечения авторизации, аутентификации и аудита пользователей сети. Служит для контроля доступа абонентов в сеть, назначения ключей шифрования, регистрации параметров соединений. Кроме того, хранит профили качества обслуживания абонентов
PF (PolicyFunction) – база данных содержащая сценарии выполнения приложений для различных услуг, предоставляемых сетью WIMAX.
HA (HomeAgent) – элемент сети отвечающий за возможность роуминга. Отвечает за обмен данными между сетями разных операторов.
Функции ASN (сеть доступа):
- доступ абонентов в сеть по радиосоединению;
- передача ААА-сообщений между CSN и абонентским оборудованием для обеспечения функций аутентификации, авторизации и аудита соединений;
- установление сигнальных соединений между и абонентским оборудованием;
- управление радиоресурсами;
- пейджинг, т. е. поиск абонентов в сети при поступлении входящего соединения;
- мобильность абонентов (управление хэндоверами).
В состав сети ASN входят:
1 BS (BaseStation) – базовая станция. Основной задачей является установление и поддержание радиосоединений. Выполняет обработку сигнализации, распределения ресурсов среди абонентов. В отличии от сетей LTE, UMTS и GSM базовая станция сети WIMAX берет на себя большую часть функций сети абонентского доступа.
2 ASN Gateway – предназначен для объединения трафика и сообщений сигнализации от базовых станций и дальнейшей их передачи в сеть CSN.
В одной ASN может быть несколько ASN Gateway. Причем к разным ASN Gateway могут быть подключены одни и те же BS для распределения нагрузки. ASN Gateway – это агрегатор нагрузки сети доступа
Заключение
Приведем основные результаты и выводы, полученные по итогу курсовой работы.
Основными результатами работы являются следующие.
а) Дана характеристика сетям мобильной связи второго, третьего и четвертого поколений.
б) Изучена структура сетей мобильной связи второго, третьего и четвертого поколений
в) Рассмотрен физический уровень, частотный диапазон и способы кодировки сетей мобильной связи второго, третьего и четвертого поколений
Мобильная связь продолжает развиваться с каждым днем. Она позволяет организовывать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы ит.д.
В целом система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования сетям передачи данных и цифровым сетям с интеграцией служб.
Технология CDMA2000 обеспечивает эволюционный переход от узкополосных систем с кодовым разделением каналов IS-95 (американский стандарт цифровой сотовой связи второго поколения) к системам CDMA "третьего поколения" и получила наибольшее распространение на Североамериканском континенте, а также в странах Азиатско-Тихоокеанского региона.
Технология UMTS разработана для модернизации сетей GSM (европейского стандарта сотовой связи второго поколения), и получила широкое распространение не только в Европе, но и во многих других регионах мира.
Технологии, претендующие на роль 4G (и очень часто упоминаемые в прессе в качестве 4G): LTE, TD-LTE, MobileWiMAX, UMB, HSPA+.Стоит отметить, что стандарт WiMAX не все относят к 4G, так как он не интегрирован с сетями предыдущих поколений, таких как 3G и 2G, а также из-за того, что в сети WiMAX сами операторы не предоставляют традиционные услуги связи, такие как голосовые звонки и SMS, хотя и пользование ими возможно при использовании различных VoIP сервисов
В настоящее время ведутся научно-исследовательские работы в направлении разработки и создания сетей 5G. К сетям пятого поколения заявлены следующие требования (в сравнении с LTE):
- рост в 10 – 100 раз скорости передачи данных в расчете на абонента;
- рост в 1000 раз среднего потребляемого трафика абонентом в месяц;
- возможность обслуживания большего (в 100 раз) числа подключаемых к сети устройств;
- многократное уменьшение потребление энергии абонентских устройств;
- сокращение в 5 и более раз задержек в сети;
- снижение общей стоимости эксплуатации сетей пятого поколения.
Разработкой сетей 5G занимаются несколько стран по всему миру. В настоящее время задача – определиться, на базе каких технологий будут разворачиваться новые сети. Оптимизация и стандартизация оборудования, а также первые опытные запуски запланированы на 2015 – 2018 годы, а в 2018 – 2020 ожидается развёртывание первых некоммерческих сетей 5G для опытной эксплуатации. Коммерческий запуск сетей пятого поколения ожидается не ранее 2020 года.
Список используемой литературы
1. Ипатов В.П. – Системы мобильной связи // 2003 // с. 165
2. Невдяев Л.М. – Мобильная связь 3-го поколния // 2000 // c. 78 – 83
3. Берлин А.Н. – Цифровые сотовые системы связи // 2007 // с 92
4. Высокоскоростные сети мобильной связи поколения 3G. Часть 1. Технология сетей мобильной связи UMTS // URL: https://www.wireless-e.ru/articles/technologies/2011_01_4.php [Электронный ресурс] (дата обращения 16.04.2017)
5. HSPA (HighSpeedPacketAccess) // URL: https://celnet.ru/HSPA.php [Электронный ресурс] (дата обращения 17.04.2017)
6. Физический уровень UMTS // URL: https://www.tvcell.ru/28.shtml [Электронный ресурс] (дата обращения 19.04.2017)
7. Вишневский В., Портной С., Шахнович И. – Энциклопедия WiMAX. Путь к 4G // 2009// с 353-362
8. Архитектура сети LTE // URL: https://pro3gsm.com/arhitektura-seti-lte/ [Электронный ресурс] (дата обращения 18.04.17)
Размещено на Allbest.ru
Курсовая работа выполнена мной самостоятельно. Все использованные в работе материалы и концепции из опубликованной научной литературы и других источников имеют ссылки на них.
«__» января 2022 г. _________________________ С.М. Макаров