Контакты
Подписка
МЕНЮ
Контакты
Подписка

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

Использование нелицензионного радиочастотного спектра в сетях LTEUse of the unlicensed spectrum in the LTE networks

В последнее время приходится часто слышать о "нелицензионном LTE". Речь идет о нелицензионном радиочастотном спектре в сетях LTE. При этом упоминаются разные термины – LTE-U, LAA-LTE, LWA и другие. В данной статье сделана попытка систематизировать вопросы, связанные с использованием нелицензионного спектра для LTE: что такое нелицензионный спектр для LTE; его особенности в Европе и России; стандартизация технологии LTE для такого спектра; механизмы его использования в LTE и особенности технических решений по применению нелицензионного спектра.

It is often possible to hear about "unlicensed LTE". It is told about unlicensed spectrum in the LTE networks. In this context different terms are applied LTE-U, LAA-LTE, LWA and others. In article the attempt to systematize the questions connected with use of an unlicensed spectrum for LTE is made: what is the unlicensed spectrum for LTE; its features in Europe and Russia; standardization of the LTE technology with such spectrum; mechanisms of its use in LTE and feature of technical solutions on application of an unlicensed spectrum.

Василий Скрынников
Эксперт ПАО "Мобильные ТелеСистемы", отдел развития
радиочастотного ресурса и ЭМС, к.т.н., с.н.с, профессор РАЕ
Vasily Skrynnikov
The expert of "Mobile TeleSystems", Department of radio frequency
resource and EMC, Ph.D., senior staff scientist, Russian Academy
of Natural Sciences professor
Ключевые слова:
нелицензионный радиочастотный спектр, агрегирование спектра, Wi-Fi, LTE-U (LTE-Unlicensed), LAA-LTE (Licensed-Assisted-Access-LTE), LWA (LTE-WLAN), DFS (Dynamic Frequency Selection), LBT (Listen-Before-Talk)
Keywords:
unlicensed Spectrum, Carrier Aggregation, Wi-Fi, LTE-U (LTE-Unlicen-sed), LAA-LTE (Licensed-Assisted-Access-LTE), LWA (LTE-WLAN), DFS (Dynamic Frequency Selection), LBT (Listen-Before-Talk)

Предисловие

В последние несколько лет в мире заговорили о целесообразности использования нелицензионного радиочастотного спектра для быстро развивающихся технологий LTE. Доступ к такому спектру свободный (нелицензионный), в нем работают различные устройства малого радиуса действия SRD (Short Range Device), в том числе и устройства передачи данных, известные под названием Wi-Fi [1]. Надо заметить, что из-за особенностей регуляторики понятие нелицензионного спектра в странах Евросоюза и в России отличается, в Европе для его использования не требуется лицензия, а в России не требуются соответствующие разрешения на радиочастоты.

Намерение использовать нелицензионный спектр вызвано, прежде всего, необходимостью получить для сетей LTE дополнительный радиочастотный ресурс и к тому же со свободным доступом к нему. Для его реализации сегодня рассматриваются несколько решений. Два из них – LAA-LTE (Licensed-Assisted-Access-LTE) и LTE-U (LTE-Unlicensed) – предполагают присоединение Wi-Fi-спектра в диапазоне 5 ГГц путем его агрегирования с основным (лицензионным) спектром LTE. Другое решение – LWA (LTE & WLAN Aggregation) – заключается в интеграции самих технологий LTE и Wi-Fi, что является косвенным использованием нелицензионных радиочастот.

Несмотря на идентичность базового принципа, решения LAA-LTE и LTE-U имеют несколько отличий. Во-первых, решение LAA-LTE разрабатывается в рамках 3GPP (Rel’13), и планируется, что оно станет глобальным стандартом после марта 2016 г. LTE-U – более раннее решение, оно хотя и лежит в поле общих стандартов 3GPP (Rel’10 – Rel’12), но разработано некой организацией под названием LTE-U Forum, в состав которой вошли Alcatel-Lucent, Ericsson, LG Electronics, Qualcomm Technologies Inc., Samsung Electronics и Verizon. Во-вторых, LAA-LTE ориентировано на более "справедливое сосуществование" с устройствами других технологий, в том числе Wi-Fi, находящимися в нелицензионном спектре. Применение специальных мер для этого – ключевой принцип LAA-LTE. В качестве такой меры предложен механизм LBT (Lis-ten-Before-Talk), означающий прослушивание канала перед излучением. Применение такого механизма – главное требование в станах Евросоюза и Японии. Решение LTE-U не предусматривает применение LBT и тем самым ориентировано на быстрое внедрение на рынках таких стран, как Китай, Индия, Южная Корея и США, где нормативно не требуется применять специальную процедуру LBT [2].

Третье решение LWA – агрегирование соединений LTE и Wi-Fi как способ объединения лицензионного и нелицензионного спектров – разрабатывается в рамках 3GPP (Rel’13) и является новой (усовершенствованной) альтернативой по взаимодействию LTE с WLAN. Усовершенствование заключается в агрегировании передаваемых данных на уровне сетей радиодоступа LTE и Wi-Fi, где базовая станция LTE распределяет пакеты данных для передачи через каждую сеть. Этим обеспечивается лучшее управление ресурсами в обеих связях и улучшается эффективность использования спектра в диапазоне 5 ГГц по сравнению с ранее предложенной технологией Wi-Fi Offload [3–5]. Описанное решение ориентировано на случай, когда у оператора LTE есть структура Wi-Fi.

Перечисленные решения и специфические особенности, связанные с применением нелицензионного спектра для LTE, более подробно пояснены ниже.

Сравнение LTE и Wi-Fi на рынке услуг

В формате "мобильность – скорость передачи данных" Wi-Fi по своим возможностям уступает LTE (4G), особенно в плане мобильности (см. рис. 1) [6].


На рис. 2 показано процентное соотношение трафика данных, передаваемого по сетям с этими технологиями [2].


Из рисунка следует, что по объему передаваемого трафика сети LTE наиболее востребованы на рынке и производительнее по сравнению с Wi-Fi. Этот факт является исходным условием для повышения эффективности использования нелицензионного спектра за счет замены Wi-Fi системами LTE.

В технологическом плане при создании Wi-Fi были разработаны механизмы разделения пользователей в общедоступном нелицензионном спектре (к примеру, ранее упомянутый механизм LBT). В LTE, изначально ориентированном на лицензионный спектр, такие механизмы отсутствуют, что неминуемо может привести к конфликтам с Wi-Fi и другими радиосредствами в нелицензионном спектре. Учитывая такого рода опасения рынка Wi-Fi, предпринимаются попытки ввести в стандартах 3GPP (Rel’13) и ETSI подобные механизмы снижения (исключения) этих конфликтов.

Нелицензионный спектр в диапазоне 5 ГГц и условия его использования

В силу того, что технологии IMT с радиочастотным спектром под них разрабатываются международными, и в частности европейскими, органами, следует рассмотреть перспективу использования спектра для "нелицензионного LTE" в международном масштабе.

Международное распределение

Всемирная конференция радиосвязи 2003 г. (ВКР-03) идентифицировала полосы частот 5150–5350 МГц и 5470 – 5725 МГц на первичной основе для систем беспроводного доступа WA S (Wireless Access Systems), включая локальные радиосети RLAN (Radio Local Area Networks) (см. рис. 3 [2]).


Условия использования этих полос, в том числе и регуляторные аспекты, были изложены в Резолюции 229 (ВКР-03), пересмотренной далее на ВКР-12. Эти условия следующие [7]:

  • WAS/RLAN в полосе частот 5150 – 5250 МГц должны использоваться только внутри помещений (Indoor) с ЭИИМ, не превышающей значение 200 мВт (плотность ЭИИМ 10 мВт/1МГц или эквивалентно 0,25 мВт/25 кГц);
  • WAS/RLAN в полосе частот 5250– 5350 МГц не ограничены применением Indoor и должны иметь такие же значения ЭИИМ, кроме того, разрешается ЭИИМ с максимальным значением 1 Вт (плотность ЭИИМ 50 мВт/1МГц) при соблюдении дополнительных требований по угловой маске возвышения над горизонтом;
  • WAS/RLAN в полосе частот 5470– 5725 МГц имеют ограничение максимальной мощности передатчика уровнем 230 мВт при максимальной ЭИИМ 1 Вт (плотность ЭИИМ 50 мВт/1МГц);
  • WAS/RLAN в полосе частот 5250– 5350 МГц и 5470–5725 МГц должны использовать автоматическое управление мощностью передатчика и обеспечить "смягчение" мощности в среднем на 3 дБ относительно ее максимума. При отсутствии такого контроля – уменьшить значение максимальной ЭИИМ также на 3 дБ. Данное требование продиктовано и Рекомендацией МСЭ-Р М.1652 [8]. Полоса радиочастот 5725–5875 МГц выделена для устройств ISM (Industry, Scientific and Medical) в ряде стран, как показано на рис. 3, кроме того, полоса до 5850 МГц на первичной основе распределена для радиолокационных устройств, что требует применения динамического выбора частот DFS (Dynamic Frequency Selection).

Полоса радиочастот 5850–5925 МГц на первичной основе выделена для интеллектуальных транспортных систем ITS (Intelligent Transport Systems). Использование этой полосы для мобильного сервиса ограничено применением специализированных устройств коммуникации малого радиуса действия (SRD).

Европа

Европейское распределение радиочастот в диапазоне 5 ГГц показано на рис. 4 [7]. Европейские документы СЕРТ дополняют условия использования перечисленных полос частот рядом национальных требований. К таким документам относятся отчеты и решения СЕРТ (ЕСС) ERC Report 67 (1993 г.), ERC Report 72 (1999 г.), ЕСС Report 192 (2014 г.) [9], СЕРТ Report 57 (2015 г.) [10], ECC/DEC(04)08 (2004 г.) [11], а также стандарт ETSI EN 301 893 [12].


В соответствии с этими документами для полос частот 5150–5350 МГц и 5470–5725 МГц дополнительно введены такие механизмы смягчения конфликтов, как динамический выбор частоты DFS и автоматическая регулировка мощности TPC (Transmitter Power Control).

В мандате Еврокомиссии, направленном в CEPT, предписывается изучить условия для расширения диапазона 5 ГГц в интересах WAS/RLAN, то есть использования всей полосы 5150–5925 МГц, как показано на рис. 5 [7]. Результаты этих исследований изложены в отчете СЕРТ Report 57 (2015 г.) [10] и показали невозможность однозначного определения механизмов смягчения конфликтов в дополнительных полосах частот 5350–5470 МГц и 5725–5925 МГц.


В качестве условий для них были взяты за основу ранее описанные требования для полос 5150–5350 МГц и 5470–5725 МГц, дополненные лишь механизмами FDS и TPC [10]. Вместе с тем, отмечено, что нужны новые механизмы смягчения конфликтов, которые гарантировали бы бесконфликтное разделение спектра в дополнительных полосах частот между всеми пользователями.

Россия

С учетом международного и европейского распределения в статусе нелицензионного спектра в России выделены полосы частот в диапазоне 5 ГГц, которые приведены в табл. 1 с условиями их использования.


Общими требованиями для этих частот являются следующие условия:

  • применяемые устройства должны соответствовать установленным техническим характеристикам;
  • не должны создавать недопустимых помех и не должны требовать защиты от помех со стороны других РЭС;
  • устройства подлежат регистрации.

В соответствии с российским законодательством перечисленные полосы выделены решениями Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) [13, 14], а статус нелицензионного спектра определен тем, что условия использования полос не требуют получения соответствующих разрешительных документов (решений ГКРЧ и разрешений на использование радиочастот или радиочастотных каналов).

Стандартизация в области "нелицензионного LTE"

Базовые стандарты в этой области формируются в рамках 3GPP. Как уже отмечалось, аспекты по LTE-U были исследованы в рамках LTE-U Forum, но во взаимодействии также с 3GPP. Общие этапы стандартизации показаны в табл. 2 [2].


Технический отчет 3GPP TR 36.889 [7]

В отчете изложены технические требования, включая европейские требования к процедуре LBT и автоматической регулировке мощности TPC (см. табл. 3).


Отмечается, что за счет затрат ресурса на выполнение LBT следует ожидать снижения пропускной способности LTE в нелицензионной части спектра до 30% (по оценкам Intel и Nokia) и одновременного ее повышения в смежных Wi-Fi до 50% (по оценкам Nokia). Такое соотношение зависит от способа реализации LBT. В табл. 4 представлены европейские требования к механизму LBT для базовой временной структуры фрейма.


Стандарт ETSI EN 301 893

Этот гармонизированный европейский стандарт относится к WAS/RLAN (5 ГГц) и к фиксированному беспроводному доступу BFWA (5,8 ГГц) [12]. В нем определены технические требования к механизму DFS. Согласно R&TTE-директиве [6] соответствие гармонизированному стандарту позволяет производителям поставлять оборудование на широкий рынок.

Документы LTE-U Forum

Перечень этих документов следующий:

  • eNB Minimum Requirements for LTE-U SDL v1.0 (2015-02 (Modification to 3GPP TS 36.104);
  • LTE-U SDL Coexistence Specifications V1.0 (2015-02);
  • LTE-U CSAT Procedure TS V1.0 (2015-10);
  • LTE-U Technical Report Coexistence Study for LTE-U SDL V1.0 (2015-02);
  • UE Minimum Requirements for LTE-U SDL V1.0 (2015-02) (Modifications to 3GPP TS 36.101).

В перечисленных документах делаются выводы и даются рекомендации. Отмечается, что LTE в нелицензионном спектре оказывает существенное влияние на действующий Wi-Fi, если не применять механизмы совместимости этих технологий. При наличии таких механизмов LTE-U ведет себя по отношению к "обычному" Wi-Fi не хуже (даже лучше), чем такой же Wi-Fi, и в целом замена узла Wi-Fi узлом LTE улучшает пропускную способность смежных пользователей Wi-Fi. На рис. 6 показана степень повышения пропускной способности оставшихся узлов Wi-Fi при внедрении LTE-U. Так, при замене двух из восьми узлов Wi-Fi узлами LTE-U пропускная способность соседних (оставшихся) шести узлов Wi-Fi повышается на 16%, при замене четырех узлов Wi-Fi такое повышение составляет 38% [15].


В качестве рекомендаций по совмещению LTE-U и Wi-Fi без механизма LBT (в странах, где не требуется применение LBT) предписано следующее:

  • в нелицензионном спектре размещается вторичная сота SCell;
  • выбирается канал с наименьшим уровнем помехи, избегать канал LTE-U другого оператора;
  • обязателен периодический контроль используемого канала;
  • рабочий цикл SCell должен быть таким:
    • SCell включена: передача в соответствии с Rel’10 и далее; – SCell выключена: прекращена передача, включая передачу служебных сигналов;
    • циклы Вкл./Выкл. имеют длительность от 10 до 100 мс с возможностью адаптации;
    • время непрерывной передачи ограничено;
    • SCell выключается, когда нет абонентских устройств в зоне обслуживания или нет данных для передачи.

Рекомендация МСЭ-R M.1652-1 [8]

В рекомендации изложены требования к механизму DFS, названному в русской ее версии динамической частотной селекцией (ДЧС), как методу ослабления помех при совместном использовании радиочастот в диапазоне 5 ГГц устройствами WAS/RLAN и радиосредствами службы радиоопределения (радары). Указаны требования по обнаружению сигналов от радаров с уровнем, превышающим минимальный порог (-62 дБм для устройств с максимальной ЭИИМ менее 200 мВт и - 64 дБм для устройств с максимальной ЭИИМ от 200 мВт до 1 Вт). Кроме того, устройства WAS/RLAN должны осуществлять проверку доступности каналов за счет их прослушивания в течение 60 с для определения того, работает ли в этом канале радар или нет.

Стандартизованные решения

Как уже отмечалось, таких явных решений три. Можно коротко упомянуть о четвертом решении, которое было предложено международной ассоциацией MulteFire (декабрь 2015 г.) и состоит в использовании технологией LTE исключительно нелицензионного спектра, что принципиально отличается от указанных выше решений [15].

Хотя на сегодняшний день нет четкости в терминологии, следует исходить из того, что обобщающим понятием является "нелицензионный LTE", а в качестве частных определений стандартизованных решений используют LAA-LTE, LTE-U и LWA. Ниже приведено их краткое описание.

LAA-LTE

Это решение является базовым в стандартах 3GPP (Rel’13) и претендует быть глобальным гармонизированным решением. Как уже подчеркивалось, оно строится на функциональности LTE по агрегированию спектра (СА) и предполагает применение механизма LBT. Важным является тот факт, что агрегируемая компонента из нелицензионных частот является исключительно дополнительной (вторичной), как показано на рис. 7. На первичной несущей (лицензионный спектр) наряду с пользовательскими данными передается и служебная информация (команды управления).


Это обязательное условие вызвано тем, что нелицензионный спектр имеет непредсказуемую и быстро меняющуюся электромагнитную обстановку из-за свободного доступа многих пользователей к нему, что не может гарантировать высокое качество передач. Кроме того, по указанной причине необходимы специальные меры, направленные на уменьшение конфликтных ситуаций с другими работающими РЭС. В качестве таких мер рассматриваются прослушивание канала перед излучением LBT, а также ограничение рабочего цикла (прерывистая передача) [2, 7–9, 12]. С помощью этих процедур осуществляется динамический выбор свободных каналов (ССА), а при их отсутствии – справедливое разделение наименее загруженного канала с другим устройством, как показано на рис. 8 [15].


LAA-LTE может быть реализован в виде Indoor и Outdoor, в отдельной топологии малых сот Small Cell и в редких случаях в совмещенной топологии Small Cell и макросот. Сценарии LAA-LTE, рассматриваемые в 3GPP, показаны на рис. 9 и в табл. 5 [2, 7].


Надо заметить, что для реализации LAA-LTE требуются новые абонентские устройства LTE, способные работать в нелицензионном спектре и имеющие механизмы бесконфликтного разделения этого спектра между пользователями.


LTE-U

Это решение идентично описанному выше LAA-LTE с той лишь разницей, что не требует применения механизма LBT. Механизмом, который используется в LTE-U для снижения конфликтных ситуаций, является процедура, устанавливающая рабочий цикл (Duty Cycle) для прерывистой передачи. Duty Cycle равен проценту времени работы устройства на передачу, измеренному в течение фиксированного временного фрейма, как показано на рис. 10 [2].


Следует отметить особенности R’13, которые влияют на решения LAA-LTE и LTE-U. Во-первых, нелицензионный спектр агрегируется только в Downlink в форме SDL, и только в следующем R’14 планируется агрегирование его и в Uplink. Во-вторых, R’13 определяет количество агрегируемых компонент, равное 32 (вместо 5), что соответствует ширине агрегируемого канала 640 МГц [4]. Это расширяет возможности по присоединению нелицензионного спектра существенной ширины, поскольку планируемая полоса в диапазоне 5 ГГц содержит 775 МГц (см. рис. 5).

LWA

Описание данного решения было дано в начале статьи в объеме, достаточном для понимания. На рис. 11 поясняется его основной принцип [15]. В LWA, так же, как и при двух предыдущих решениях, Wi-Fi (нелицензионный спектр) используется только для передачи в Downlink.


Главное преимущество LWA состоит в том, что для него требуются небольшие изменения в существующем оборудовании (достаточно обновления ПО, в том числе и в абонентских устройствах) и установка новых точек доступа Wi-Fi при необходимости.


На рис. 12 показаны примеры реализации LWA при совмещенном и несовмещенном размещении.

Заключение

Статья в систематизированном виде дает представление о современных разработках в области использования нелицензионного радиочастотного спектра для LTE. Знакомство с этими разработками позволит специалистам выработать стратегию по расширению возможностей сетей LTE в ближайшей перспективе.

Литература

  1. Short Range Devices. [online] Доступ через: http://www.etsi.org/images/files/ETSITechnologyLeaflets/ShortRangeDevices.pdf .
  2. LTE unlicensed and Wi-Fi: Moving beyond coexistence. Report by Senza Fili Consulting.
  3. Integration of Cellular and Wi-Fi Networks. 4GAmericas. September 2013.
  4. Mobile Broadband Evolution Towards 5G: 3GPP Rel-12 & Rel-13 and Beyond. 4GAmericas. June 2015.
  5. LTE Aggregation & Unlicensed Spectrum. 4GAmericas. November 2015.
  6. Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика. – М.: Спорт и Культура-2000. – 2012. – С. 865.
  7. 3GPP TR 36.889 v13.0.0 (2015-06). Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Licensed- Assisted Access to Unlicensed Spectrum. – Technical Report (Release 13). 2015.
  8. Рекомендация МСЭ-R М.1652-1. Динамическая частотная селекция в системах беспроводного доступа, включая локальные радиосети в целях защиты службы радиоопределения в диапазоне 5 ГГц. – Международный союз электросвязи. 2011.
  9. ECC Report 192. The Current Status of DFS (Dynamic Frequency Selection) In the 5 GHz frequency range. – February 6, 2014.
  10. CEPT Report 57. To study and identify harmonized compatibility and sharing conditions Wireless Access Systems including Radio Local Area Networks in the band 5350-5470 MHz and 5725-5925 MHz (‘WAS/RLAN extension bands’) for the provision of wireless broadband services. Report A from CEPT to the European Commission in response to the Mandate. – March 6, 2015.
  11. ECC/DEC/(04)08. ECC Decision 0f 09 July 2004 on the harmonized use of the 5 GHz frequency bands for the implementation of Wireless Access Systems including Radio Local Area Networks (WAS/RLANs). – Amended 30 October 2009.
  12. ETSI EN 301 893 v1.8.1 (2015-03). Broadband Radio Access Networks (BRAN); 5 GHz high performance RLAN; Harmonized EN covering the essential requirements of article 3.2 of the R&TTE Directive.– Harmonized European Standard. 2015.
  13. О выделении полос радиочастот устройствами малого радиуса действия. – Решение ГКРЧ № 07-20-03-001. – 7 мая 2007.
  14. О внесении изменений в решение ГКРЧ от 07.05.2007 № 07-20-03-001 "О выделении полос радиочастот устройствами малого радиуса действия". – Решение ГКРЧ № 08-24-01-001. – 28 апреля 2008.
  15. [online] Доступ через: https://www.qualcomm.com/news?tag=LTE%20Unlicensed .

Опубликовано: Журнал "Технологии и средства связи" #1, 2016
Посещений: 8528

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