OFDM — система кодирования нового поколения

Так в чем же главная «фишка» LTE? Как и в случае сетей 3G с технологией CDMA, краеугольным камнем LTE является технология кодирования и передачи данных — OFDM-MIMO. Что это такое? OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием) - цифровая схема модуляции, ко-торая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. На практике сигналы OFDM получаются путем использования Быстрого преобразования Фурье.

Это, что касается движения сигнала «сверху вниз», то есть от базовой станции к теле-фону. На пути «снизу вверх» разработчики были вынуждены отказаться от OFDM в пользу SC-FDMA — мультиплексирование на одной несущей (Single-carrier FDMA). Дело в том, что при сложении множества ортогональных поднесущих формируется сигнал с большим пик-фактором (пик-фактор — это отношение амплитуды сигнала к собственному среднеквадратичному значению). А для передачи подобного сигнала без искажений требуется высококачественный, а следовательно дорогой передатчик с высокой линейностью.

Кстати, эта техническая деталь затрудняет лицензирование на территории России радиочастот под нужды LTE. Парадоксально но факт: Минкомсвязи России объявил перспективным направлением развития сетей мобильной связи именно LTE. С другой стороны при организации тендера на радиочастоты 2,3—2,4 ГГц в 40 регионах РФ в качестве одного из условий конкурса в качестве метода радиодоступа указана только технология OFDMA (а значит автоматически исключает LTE, которому помимо OFDMA нужно еще и SC-FDMA). Очевидно, российские чиновники в очередной раз демонстрируют чудеса некомпетентности в тех областях, которыми управляют.

MIMO (Multiple Input Multiple Output) — технология передачи данных с помощью N ан-тенн и их приёма М антеннами. Передающие и приёмные антенны разнесены настолько, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.

Место LTE в радиоэфире

Как уже сложилось в нашей статье, начнем с радиочастотной составляющей стандар-та, а потом перейдем к структуре. На сегодняшний день под нужды LTE уже резервируются диапазоны частот. Наиболее перспективными считаются частоты в районе 2,3 Ггц (здесь «локомотивом» выступает Китай, в частности China Mobile, который уже выделил необходи-мые частоты и развертывает тестовое вещание, с учетом колоссального объема томошнего рынка, начинание практически обречено на успех и доминирование в регионе). Следующая перспективная частота — 2,5 ГГц, выделяемая в Индии, США, Японии и Европе. В принципе есть еще полоса в районе 2,1 ГГц, но там уже довольно тесно: ввиду доступности только 15 МГц в диапазоне 2,1 ГГц лицензии на этот диапазон ограничивают полосы до 5 МГц для большинства операторов в Европе. В перспективе наиболее востребованным очевидно бу-дет диапазон частот около 3,5 ГГц. Дело в том, что на этих частота во многих странах мира уже развернуты широкополосные сети беспроводного доступа и путем миграции в LTE ком-пании смогут «повторно использовать» свои частоты без покупки новых дорогостоящих ли-цензий. В перспективе под нужды LTE могут выделяться и другие диапазоны.

В смысле используемых полос частот и систем разделения в LTE все сложно и неоднозначно, поскольку стандарт крайне гибок. В различных реализациях сети LTE могут использовать полосы частот шириной от 1,4 до 20 МГц (в отличие от фиксированных 5 МГц UMTS). Также возможно использование как временного разделения сигналов TDD (Time division duplex — дуплексный канал с временным разделением), так и частотного — FDD (frequency-division duplex — дуплексный канал с частотным разделением). Кстати, версия LTE, разворачиваемая в Китае — TD-LTE.

Радиус действия базовой станции LTE может быть различным. В оптимальном случае - это порядка 5 км, но при необходимости он может составлять до 30 км или даже 100 км (при достаточном поднятии антенны).

Еще одна «изюминка» LTE — широкий выбор терминалов. Кроме мобильных телефонов, в сетях LTE будет работать много компьютеров и устройств потребительской электроники, таких, как ноутбуки, нетбуки, игровые устройства и камеры, оснащенные встроенным модулем работы с LTE-сетью. Поскольку LTE обеспечивает поддержку хендоверов и роуминга с существующими мобильными сетями, все эти устройства с первого же дня запуска смогут пользоваться преимуществами уже существующего покрытия сетей 2G/3G.

Структура сети LTE

Схема сети LTE:

Первое, что бросается в глаза при взгляде на схему сети LTE — наличие знакомых аббревиатур, достаточно сравнить схему LTE со схемой UMTS выше. Действительно, сети LTE включают в себя элементы сетей поколений 2,75G (GPRS) и 3G (UMTS). Благодаря этому свойству развертывание сетей нового поколения не будет носить столь катастрофичный характер, и будет больше похожа на эволюцию, нежели революцию.

В частности благодаря этому звонок или сеанс передачи данных, инициированный в зоне покрытия LTE, технически может быть передан без разрыва в сеть 3G (WCDMA), CDMA2000 или в GSM/GPRS/EDGE. Также легко сети LTE интегрируются с сетями Wi-Fi (на схеме обозначено как WLAN Access NW) и сетью Интернет.

Рассмотрим более подробно подсистему радиодоступа (ведь именно ради нее весь сыр-бор, не так ли?). Фактически сеть радиодоступа RAN (Radio Access Network) построена аналогично сети UTRAN UMTS (не зря ее назвали eUTRAN), с небольшим дополнение: приемопередатчики базовых станций связаны по специальному протоколу X2, объединяю-щему их в сотовую сеть (mesh network), которая позволяет базовым станциям общаться друг с другом напрямую, не гоняя данные туда-сюда через контроллер RNC (radio network controller).

Причем взаимодействие базовых станций с системой управления мобильными устройствами MME (mobility management entity) и сервисными шлюзами S-GW (serving gateway) идет по принципу многие со многими, что обеспечивает высокую скорость связи и низкие задержки.

LTE vs WiMAX

У проницательного читателя может возникнуть вопрос: почему именно LTE? Ведь еще совсем недавно на роль основы для сетей 4G прочили WiMAX. Более того, развертывание сетей WiMAX уже началось (в частности по России свои услуги в этой сфере предлагают примерно 30 провайдеров, в том числе такие «монстры»» как Комстар). Почему такой резкий поворот?

В самом деле эти два стандарта предельно близки: оба используют систему кодирования OFDM и систему передачи данных MIMO. В обоих используется и FDD и TDD дуплексирование при ширине канала до 20 МГц. Каждый из претендентов в качестве транспортного протокола использует IP. Как следствие оба стандарта фактически одинаково эффективно используют доступный диапазон частот и обеспечивают практически одинаковую скорость передачи данных. Существуют, конечно, нюансы. А дьявол, как известно таится в деталях.

С одной стороны, инфраструктура WiMAX существенно более простая, а соответственно дешевая и, потенциально, более надежная. Секрет простоты WiMAX в его «заточенности»» под передачу данных. С другой стороны «навороты» LTE призваны обеспечить совместимость сетей 4G со старыми стандартами связи вплоть до GSM. Потребуется ли эта обратная совместимость, вопрос сам по себе не простой. Так что разработчики излишне мудрят?

 

Есть несколько тонких различий между LTE и WiMAX. Одно из них — диспетчеризация радиочестотных ресурсов. В WiMAX диспетчеризация ресурсов в частотной области осуществляется по принципу «frequency diversity scheduling», поднесущие, выделяемые пользователю, распределены по всему спектру канала. Делается это для рандомизации и усреднения влияния частотно-селективных замираний на широкополосный канал.

В LTE реализована другая техника борьбы с частотно-селективными замираниями: частотно-селективная диспетчеризация ресурсов «frequency selective scheduling». Для каждой абонентской станции и каждого частотного блока несущей формируются индикаторы качества канала CQI (Channel Quality Indicator).

Еще одна вещь, важная при организации сетей массового обслуживания — коэффициент переиспользования частот. «Фишка» в том, насколько эффективно использует доступную полосу частот каждая базовая станция.

Базовая схема переиспользования частот WiMAX строится на трех частотных каналах. При трехсекторной конфигурации сайтов в каждом из секторов используется один из трех частотных каналов. Коэффициент переиспользования частот в данном случае равен 3 (то есть в каждой точке пространства доступна только треть радиочастотного диапазона).

Работа сети LTE осуществляется с коэффициентом переиспользования частот 1, т.е. все базовые станции работают на одной несущей. Внутрисистемные помехи в данной системе минимизируются благодаря частотно-селективной диспетчеризации, координации по-мех между сотами, гибкому частотному плану. Для пользователей в центре любой соты мо-гут выделяться ресурсы из всей полосы канала. Пользователям на краях сот выделяются ресурсы только из определенных поддиапазонов.

Все эти особенности в радиоинтерфейсе WiMAX и LTE влияют на одну из важнейших интегральных характеристик — оценку радиопокрытия. Именно этот параметр определяет необходимый минимум базовых станций для покрытия заданной местности. Он определяет стоимость развертывания сети.

Расчеты показывают, что LTE обеспечивает лучшее радиопокрытие при одинаковом количестве базовых станций, а это уже весьма ощутимый аргумент для компаний-поставщиков услуг мобильной связи.

«Популярная механика» специально для hi-tech.mail.ru