Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

4G: состояние рынка, динамичное развитие технологий (LTE-Advanced)4G: Condition of the market, dynamic development of technologies (LTE-Advanced)

Проведен анализ современного мирового рынка сотовой связи, выделены наиболее характерные особенности, которые определяют направления дальнейшего развития стандартов 4G. Кратко описаны ключевые технические решения по усовершенствованию систем LTE до стадии LTE-Advanced.

The analysis of the world market of mobile communication is carried out, characteristics which define the directions of further development of standards 4G are allocated. Key technical solutions on improvement of a radio technology of LTE to LTE-Advanced stage are briefly described.

Василий Скрынников
Эксперт ОАО "Мобильные ТелеСистемы", к.т.н.
Vasily Skrynnikov
Expert of "Mobile TeleSystems" OJSC, doctor of science
Ключевые слова:
LTE, LTE-Advanced, радиочастотный спектр, агрегирование несущих частот (СА, Carrier Aggregation), MIMO (Multiple Input Multiple Output), ретрансляционный узел
Keywords:
LTE (Long Term Evolution), LTE-Advanced, Spectrum, CA( Carrier Aggregation), intra-band, inter-band, MIMO (Multiple Input Multiple Output), Beamforming, CoMP (Coordinated Multi-Point Transmission/Reception), Relay Node

Современный мировой рынок сотовой связи развивается под влиянием многих факторов, которые в значительной степени определяют темп и направления развития технологий. Пожалуй, одним из таких факторов сегодня является бурный рост пользовательского трафика при ограниченности радиочастотного ресурса, требуемого для его передачи. Этот фактор обуславливает необходимость постоянного совершенствования технологий беспроводного доступа в целях повышения эффективности использования радиочастотного спектра и увеличения скорости передачи данных.

В статье показаны некоторые аспекты мирового рынка в контексте развития радиотехнологий LTE.

Состояние мирового рынка сотовой связи

По данным Международной ассоциации производителей оборудования для мобильных сетей GSA (Global mobile Suppliers Association), на начало июля текущего года насчитывалось более 300 коммерческих сетей стандарта LTE в 107 странах мира, среди них 13 – LTE-Advanced, в которых может поддерживаться агрегированное использование радиочастот (рис. 1) [3]. Кроме того, в сетях LTE уже реализуется на разных стадиях передача речи VoLTE (Voice over LTE).


Важным показателем, по которому можно судить о готовности внедрения той или иной технологии, является наличие на рынке пользовательских (абонентских) устройств. На рис. 2 представлены данные по типам устройств LTE для разных режимов дуплекса и разных частотных диапазонов. По состоянию на 14 июля 2014 г. общее количество этих типов составило 1889.


В отличие от 3G значимое место на мировом рынке занимают сети LTE с временным дуплексом TDD (Time Division Duplex). Сегодня такие сети в коммерческой эксплуатации имеют 39 операторов, среди которых 3 российские компании – МТС, "МегаФон" "Вайнах Телеком" (табл. 1). Дуплекс TDD стандартизован как дополнение к радиоинтерфейсу с частотным дуплексом LTE-FDD и имеет меньшую потребность в радиочастотном спектре, что позволяет внедрять LTE, когда отсутствует необходимый для FDD частотный ресурс. Этим прежде всего и обусловлен интерес к сетям LTE-TDD.


Несмотря на то что для сетей LTE уже идентифицировано значительное количество полос радиочастот в разных диапазонах (табл. 2) [1], нехватка радиочастотного ресурса для этих сетей остается главной проблемой.


Идентифицированные частотные полосы используются в коммерческих сетях неравномерно по причине разных условий для их применения и невозможности порой обеспечить электромагнитную совместимость с другими радиоэлектронными средствами. Доля наиболее используемых сегодня полос радиочастот в коммерческих сетях LTE показана на рис. 3 [4].


Как видно из рис. 3, более 45% всех введенных в эксплуатацию и строящихся сетей LTE-FDD используют радиочастотный ресурс в диапазоне 1800 МГц, который до недавнего времени был выделен исключительно сетям второго поколения GSM. Кроме того, пять коммерческих сетей используют диапазон частот 900 МГц (Тайвань, Чехия, Швеция, Ю. Корея) [5]. Надо отметить, что на июльском заседании ГКРЧ было принято решении о технологической нейтральности этого диапазона в интересах технологии LTE и в России [6].

Потребность в радиочастотном спектре для дальнейшего развития семейства технологий IMT (3G и LTE) постоянно растет. Так, по оценкам Международного союза электросвязи (МСЭ), требуемый спектр для этих систем к 2020 г. составит 1280–1720 МГц (отчет МСЭ-Р М.2078, 2006 г.) и 1340–1960 МГц (оценки МСЭ-Р в рамках подготовки в ВКР-15, 2013 г.). Структура потребного спектра показана в табл. 3 и 4.


Речевые услуги в сетях LTE

66 операторов в 35 станах, в том числе и в России (МТС, "МегаФон" и "ВымпелКом"), инвестируют в развитие сервиса речевых услуг VoLTE с передачей речи высокого качества HD. 10 сетей с сервисом VoLTE уже находятся в коммерческой эксплуатации (Гонгконг, Сингапур, США, Ю. Корея и Япония).

Международный роуминг в сетях LTE

Достижением текущего года можно назвать роуминг, ставший реальностью в сетях LTE. В табл. 5 показан перечень операторов сетей LTE, которые на сегодняшний день имеют роуминговые соглашения [4].


Дальнейшее развитие технологии LTE

По оценкам ассоциации GSA, пик запуска новых сетей LTE в мире пришелся на 2012 г., в течение которого их количество увеличилось втрое. В 2013 г. развитие сетей LTE перешло из количественной в качественную фазу, а в ближайшие несколько лет начнется этап активного внедрения новой, более прогрессивной технологии LTE-Advanced, в большей мере отвечающей требованиям современного рынка. По состоянию на конец июля 2014 г. в сети с технологией LTE-Advanced инвестировали 69 операторов в 36 странах мира, 16 сетей с этой технологией уже запущены в коммерческую эксплуатацию (табл. 6) [4].


Оценивая технические решения, заложенные в LTE-Advanced, можно сказать, что они позволят наиболее эффективно использовать радиочастотный ресурс, повысив при этом спектральную эффективность системы, значительно увеличить ее пропускную способность и скорость передачи данных за счет оптимизации использования системных ресурсов, а также расширить зону обслуживания в соте. К ключевым техническим решениям можно отнести: процедуру агрегированного использования радиочастотного спектра СА (Carrier Aggregation), усовершенствованную технологию MIMO (Multiple Input Multiple Output), на базе которой реализуется метод скоординированной многоточечной передачи CoMP (Coordinated Multi-Point Transmission/Reception), и процедуру ретрансляции внутри сот Relaying.

Агрегированное использование радиочастотного спектра

Оно направлено главным образом на кардинальное увеличение пропускной способности и скорости передачи данных за счет расширения рабочей полосы частот. При отсутствии широких непрерывных полос эта задача решается путем объединения отдельных частотных блоков в единый агрегированный канал шириной до 100 МГц. Интенсивное развитие стандартов 3GPP в этом направлении служит основанием полагать, что агрегированное использование радиочастотного спектра – это будущее сетей IMT.

Две главные особенности агрегирования спектра в LTE-Advanced:

  • возможны несколько категорий агрегирования спектра, которые зависят от типов объединяемых частотных компонентов: агрегирование смежных компонентов внутри одной полосы частот (intra-band contiguous); агрегирование несмежных компонентов внутри одной полосы частот (intra-band non-contiguous); агрегирование компонентов в разных полосах (диапазонах) частот (inter-band non-contiguous);
  • агрегирование в Downlink и Uplink асимметричных компонентов, когда используется разное их число, разная ширина и сочетание разного количества компонентов с разной шириной.

Более детально особенности и механизмы агрегирования радиочастотного спектра в LTE-Advanced описаны в [7–9].

LTE-Broadcast

Благодаря развитию LTE постепенно приобретает популярность технология мультимедийного широкополосного вещания eMBMS (evolved Multimedia Broadcast Multicast Service). Объединение полос радиочастот в LTE-Advanced дает возможность совмещения в одной сети технологий передачи данных и eMBMS, позволяющей транслировать в режиме реального времени видеоконтент, в том числе ТВ-контент.

Усовершенствованная технология MIMO-Advanced

Технологию MIMO можно отнести к области нетрадиционного применения многоэлементных антенных систем. Применительно к LTE главной спецификой является тот факт, что понятие MIMO трактуется более широко и включает в себя весь спектр применений многоэлементных антенн: разнесенные передачу и прием, формирование для передачи узких направленных лучей (Beam-forming) и пространственное мультиплексирование, под которым и понималась технология передачи MIMO в 3G. Перечисленные способы передачи используются в LTE комплексно, то есть выбираются в процессе передачи адаптивно в зависимости от условий радиоканала.

Технология MIMO-Advanced предполагает усовершенствование MIMO по нескольким направлениям:

  • расширение конфигурации до 8 антенн на базовой станции и до 2 передающих антенн в абонентском терминале (предполагается общая конфигурация в Downlink 8x8);
  • 8-уровневые MIMO (передача 8 параллельных потоков данных) и Beam-forming в Downlink (рис. 4);
  • 4-уровневые MIMO (передача 4 параллельных потоков данных) и Beam-forming в Uplink;
  • 3D (трехмерный) Beam-forming.


Скоординированная многоточечная передача CoMP

Эта стандартизованная процедура является одним из специфических применений Beam-forming и является ключевым методом уменьшения помехового вмешательства смежных ячеек в сети LTE, вследствие этого повышается скорость передачи данных на краю соты, увеличивается зона обслуживания и улучшается эффективность системы в целом.

Суть этой технологии: множество базовых станций рассматривается как единая многоантенная система MIMO, с которой взаимодействует множество абонентских станций. При этом каждая базовая – рассматривается как входной антенный канал некоего центрального устройства. Данная процедура передачи в сети LTE-Advanced может функционировать как в пределах собственной соты (Intra-Site CoMP), так и между смежными сотами (Iter-Site CoMP) [7].


На рис. 5 показан пример скоординированной многоточечной передачи Intra-Site CoMP.

Ретрансляция в сети LTE-Advanced

Рассматривая вопрос о применении ретрансляторов в сетях LTE, следует разделить два понятия: ретрансляторы в традиционном понимании и специальные ретрансляторы, определенные стандартами 3GPP для применения в сетях LTE-Advanced.

Специальные ретрансляторы – устройства (Relay Station/Relay Node), которые, помимо двухсторонней ретрансляции сигналов, способны выполнять функции контроля и управления использованием радиоресурсов. По своим функциональным возможностям они идентичны радиоинтерфейсу базовой станции eNodeB (рис. 6). Имея линию связи к донорской eNodeB (интерфейс Un), узел ретрансляции RN не требует привязки к опорной сети, что является его преимуществом.


В табл. 7 приведены стандартизованные требования к номинальной выходной мощности узлов RN [2].


Сегодня можно встретить разные оценки эффективности описанной ретрансляции в сетях LTE-Advanced, которые порой существенно отличаются по абсолютным показателям, но качественно характеризуют устойчивый выигрыш от нее. На рис. 7 показано сравнение эффективности Relaying с другими решениями в LTE-Advanced [10].


Из рис. 7 видно, что применение ретрансляционных узлов в сети LTE-Advanced дает определенный выигрыш как по покрытию, так и по скорости передачи данных в той же самой полосе частот. Ретрансляция в сети LTE-Advanced позволяет существенным образом повысить пропускную способность на краю ячейки при использовании нескольких RN в ней.

Помимо отмеченных свойств, ретрансляционные узлы в составе сети LTE-Advanced могут обеспечивать повышение эффективности MIMO на краю сот, выравнивание зон покрытия при агрегации канала за счет разных диапазонов частот (высокого и низкого) и выполнение условий по ЭМС за счет агрегирования частотных полос с разной электромагнитной обстановкой [10].

Заключение

Рассмотренные в статье основные технические решения, направленные на дальнейшее развитие технологии LTE, продиктованы современным рынком сотовой связи и могут отвечать его требованиям в течение ближайшей перспективы.

Литература

  1. 3GPP TS 36.104. V12.2.0 (2014-01). Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) radio transmission and reception. – Technical Specification (Release 12). 2014.
  2. 3GPP TS 36.116. v11.0.0 (2012-09). Technical Specification Group Radio Access Networks; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Relay radio transmission and reception. – Technical Specification (Release 11). 2012.
  3. GSM/3G Market/Technology Update. – Evolution to LTE Report. - GSA, July 11, 2014. – http://www.gsacom.com/.
  4. GSM/3G Market/Technology Update. – Evolution to LTE Report. - GSA, July 28, 2014. – http://www.gsacom.com/.
  5. LTE in 900 MHz spectrum (3GPP band 8) – market status. – GSA, August 12, 2014. – http://www.gsacom.com/.
  6. Об использовании полос радиочастот 890–915 и 935– 960 МГц радиоэлектронными средствами стандарта GSM и стандарта LTE и последующих его модификаций. – Решение ГКРЧ № 14-26-07, июль 2014.
  7. Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика. – М.: Спорт и культура-2000, 2012. – 865 с.
  8. Скрынников В.Г. Агрегированное использование РЧС в системах MTS/HSPA+ и LTE-Advanced // Электросвязь. – 2014. – № 7.
  9. Скрынников В.Г. Агрегирование спектра для IMT // Радиочастотный спектр. – 2012. – № 4.
  10. Скрынников В.Г. Узловой момент радиосети // Радиочастотный спектр. – 2013. – № 4.

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #4, 2014
Посещений: 15540

Статьи по теме


  Автор
Василий Скрынников

Василий Скрынников

Эксперт ОАО "Мобильные ТелеСистемы", к.т.н.

Всего статей:  11

В рубрику "Решения операторского класса" | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций