Мобильные системы связи

К преимуществам EDGE следует отнести использование модуляции и адаптивной настройки канала в зависимости от требования абонента и реальной помеховой обстановки.

Эффективность использования спектра EDGE почти в 3 раза выше, чем в GPRS. При развертывании системы в полосе 600 кГц может быть обеспечена спектральная эффективность более 0,45 бит/Гц на соту.

Новые возможности стандарта EDGE - это автоматическое распознавание типа модуляции, используемого в радиолинии, с последующим переходом в требуемый режим. Усовершенствованный метод модуляции автоматически адаптируется к качеству канала, предлагая самые высокие скорости передачи в наиболее благоприятных условиях распространения радио волн, особенно в близи базовых станций.

В EDGE две службы: усовершенствованная служба коммутации каналов (EGPRS) и усовершенствованная служба коммутации каналов (ECSD). Сравнивая с GSM максимальная скорость передачи на один канал увеличивается до 38,4 кбит/с для ECSD и до 69,2 кбит/с для EGPRS. Теоретически пропускная способность увеличивается до 553,5 кбит/с на несущую.

1.4 CDMA

Сети 3G (third generation) - это третье поколение сетей мобильной связи, разработанное на базе технологии пакетной передачи данных. Их появление было вызвано необходимостью удовлетворить возрастающий мировой спрос на высокоскоростные технологии. Современные сети 3G используются в следующих областях:

- интерактивный обмен мультимедийными данными;

- видеотелефонная связь;

- передача изображений и больших объемов информации;

- асимметричная передача мультимедийных данных;

- работа с Интернетом и интрасетями.

Рисунок 4 иллюстрирует эволюцию двух основных ветвей мобильной связи.

Рисунок 4 - Эволюция основных ветвей мобильной связи

2.1.1 UMTS

Стандарт W-CDMA, известный также как UMTS (Universal Mobile Telecommunication System - универсальная система мобильной связи) применяется в Европе и Японии, и должен стать приемником GSM/GPRS/EDGE.

UMTS теоретически обеспечивает обмен информацией на скоростях до 2048 кбит/с, однако, на практике, скорость может быть несколько ниже.

В сетях W-CDMA используют разделение сигнала по кодово-частотному принципу, т. е. идентификация пакетов информации, передаваемых абонентами производится не только по уникальному идентификатору, но и по частоте.

Наземная часть UMTS известна как UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access). FDD-компонент UTRA основан на стандарте W-CDMA (UTRA FDD).

Для передачи данных протоколы UMTS использует частоты:

- 1885 МГц - 2025 МГц для передачи данных от мобильного терминала к базовой станции;

- 2110 МГц - 2200 МГц для передачи данных от станции к терминалу.

В США из-за занятости данных частот сетями GSM1900 для UMTS выделен диапазон 1710 МГц - 1755 МГц и 2110 МГц - 2155 МГц соответственно. В ряде стран дополнительно задействованы диапазоны 850, 900 МГц и 1900 МГц.

Стандартизацией UMTS занимается группа Third Generation Partnership Project (3GPP).

Стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System - Универсальная система мобильной связи), среди других стандартов 3G, нашел наибольшее распространение на территории Европы.

UMTS часто рассматривают, как переходный вариант между существующими 2G и разрабатываемыми 4G-технологиями (UMTS позволяет осуществить более мягкий переход на следующий этап развития сетей мобильной связи без заметного изменения существующего оборудования).

Сети UMTS надстраиваются над существующими сетями GSM, при этом они работают параллельно. Абонентская станция автоматически переключается между сетями.

Разработка стандарта UMTS началась в 1992 году организацией по стандартизации IMT-2000.

Первая сеть UMTS была запущена в коммерческую эксплуатацию 1 декабря 2001 года в Норвегии. К маю 2010 года число абонентов переваливает за 540 миллионов по всему миру.

Скорость передачи данных для сетей UMTS может достигать 2Мбит/сек.

А благодаря технологии HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) (3.5G), которая была внедрена в 2006 году максимальная скорость возросла до 14 Мбит/сек.

В документах 3GPP термин WCDMA обозначает стандарт сотовой сети, который является надстройкой над GSM и работает в диапазоне 1900-2100 МГц.

Конкретные частоты под определенные стандарты выделяются непосредственно в каждой стране контролирующими организациями в соответствии с загруженностью всего частотного диапазона (см. рисунок 5.1).

В Российской Федерации для создания сетей стандарта IMT-2000/UMTS выделены следующие частоты:

- 1935 - 1980 МГц;

- 2010 - 2025 МГц;

- 2125 - 2170 МГц.

При этом минимально необходимый радиочастотный спектр для функционирования составляет два непрерывных участка по 15 МГц в полосах радиочастот 1935 - 1980 МГц и 2125-2170 МГц для организации трех каналов в режиме частотного дуплекса и непрерывный участок (5 МГц) в полосе радиочастот 2010 - 2025 МГц для организации одного канала в режиме временного дуплекса.

Рисунок 5.1 - Частотные диапазоны для сетей 3G

В конце 2010 г. на территории Москвы и Московской области о выделены дополнительные частоты:

- 890 - 915 МГц;

- 935 - 960 МГц;

- 1710 - 1785 МГц;

- 1805 - 1880 МГц.

Подсистема коммутации в первых релизах стандарта UMTS (R99, R4) не отличалась по своей структуре от подсистемы сетей GSM (см. рисунок 5.2).

В нее входили MSC - Mobile Switching Centre, который выполнял функции коммутации, установления соединения, тарификации и др., а также ряд регистров HLR, VLR, AUC, которые предназначены для хранения абонентских данных.

В более поздних релизах (R5, R6, R7, R8) функции MSC были разделены между двумя устройствами: MSC-Server и MGW (Media gateway).

MSC-Server отвечает за установление соединений, тарификацию, выполняет некоторые функции аутентификации. MGW представляет собой коммутационное поле, подчиненное MSC-Server.

В сети UMTS по сравнению с сетью GSM наибольшие изменения претерпела Подсистема базовых станций.

Преимущества UMTS (скорость) достигаются в первую очередь за счет новой технологии передачи информации между базовой станцией и телефоном абонента.

Основные элементы подсистемы базовых станций:

1 RNC (Radio Network Controller) - контроллер сети радиодоступа системы UMTS - является центральным элементом подсистемы базовых станций и выполняет большую часть функций: контроль радиоресурсов, шифрование, установление соединений через подсистему базовых станций, распределение ресурсов между абонентами и др. В сети UMTS контроллер выполняет гораздо больше функций, нежели в системах сотовой связи второго поколения.

2 NodeB - базовая станция системы сотовой связи стандарта UMTS. Основная функция - преобразование сигнала, полученного от RNC в широкополосный радиосигнал и передача его к телефону. Базовая станция не принимает решений о выделении ресурсов, об изменении скорости к абоненту, а лишь служит мостом между контроллером и оборудованием абонента, и она полностью подчинена RNC.

Рисунок 5.2 - Структура UMTS

Пакетные данные в сети UMTS передаются от MGW к известному нам по системе GSM элементу SGSN, после чего через GGSN поступают к другим внешним сетям передачи данных, например, Internet.

Как правило, SGSN и GGSN сети GSM применяются для тех же целей и в сети UMTS (производится только коррекция программного обеспечения данных элементов).

Независимое параллельное развитие сетей UMTS наряду с существующими сетями 2G требует огромных денежных средств. Поэтому разработчики стационарного оборудования и мобильных абонентских станций стараются искать совместимые решения, пригодные для использования и в старых сетях 2G, и в сетях нового поколения.

Сегодня все ведущие изготовители базовых модулей для MS выпускают совмещенные GSM/UMTS-модули. Сотовые телефоны и терминалы, созданные на базе этих модулей, могут работать как в сетях GSM/GPRS/EDGE, так и в сетях 3G.

Со своей стороны, производители оборудования для базовых станций выпускают переключаемые программные коммутаторы (Soft Switch), способные одновременно обслуживать базовые станции GSM и UMTS.

2.1.2 HSPA

HSPA (High Speed Packet Access) - это технология высокоскоростной передачи данных в сетях сотовой связи стандарта UMTS (Universal Mobile Telecommunications System). Этот стандарт разрабатывался с учетом возросших потребностей к мобильному широкополосному доступу в Интернет. В релизе R99 стандарта UMTS предусматривалась скорость передачи данных до 2Мбит/сек. Благодаря такой скорости абонент мог путешествовать по web-сайтам, слушать музыку, смотреть сжатое видео и скачивать файлы небольшого объема. Однако в реальности скорости передачи данных по данной технологии не превышали 200-300 кбит/сек. Этого совершенно не хватало для просмотра качественного потокового видео и загрузки файлов больших объемов, а именно эти возможности оказались особенно востребованными в начале 2000 годов. Чтобы решить эту проблему требовалась новая технология, которая способная дать абоненту возможности широкополосного стационарного интернета. Данную задачу успешно решил, появившаяся в 2006 году технология HSPA, которая является усовершенствованием существующих сетей стандарта UMTS (см. рисунок 6).

Технологию HSPA можно разделить на две составные части HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) и HSUPA (High Speed Uplink Packet Access). Первая обеспечивает высокоскоростной доступ в направлении downlink - от базовой станции (NodeB) к мобильной станции (UE), а вторая наоборот: uplink - от мобильной станции (UE) в базовой станции (NodeB). Разработкой этих технологий занимается организация по стандартизации 3GPP (Third Generation Partnership Project).

HSDPA позволяет достичь скорости передачи данных до 14,4 Мбит/сек, а HSUPA до 5,7 Мбит/сек. Такой качественный скачок обусловлен рядом изменений в программной и аппаратной частях NodeB, RNC и UE. В первую очередь для обеих технологий заменяется способ модуляции на 16-QAM (Quadrature amplitude modulation). Главное его преимущество заключается в увеличении объема информации, переносимой каждой сигнальной посылкой. Также внесены некоторые модификации в существующие механизмы работы сети и ряд функций перенесено с RNC на NodeB.

Рисунок 6 - Технология HSPA (High Speed Packet Access)

Скоростей передачи данных, предоставляемых HSDPA и HSUPA вполне достаточно для получения современных мультимедийных услуг, включая потоковое видео, загрузка и скачивание файлов больших размеров, сетевые игры и мн. др. С подобными скоростями передачи данных сети стандарта UMTS вполне могут составить конкуренцию фиксированному доступу в Интернет, а за счет большого числа операторов сотовой связи цены мобильного доступа в Интернет также постепенно будут приближаться к стоимости фиксированного доступа.

Технологии HSDPA и HSUPA - одни из самый быстро внедренных технологий в истории сотовой связи. Производители телекоммуникационного оборудования, такие как Nokia, Alkatel, Huawei и мн. др. достаточно быстро откликнулись на их появление. А сами технологии появились еще во времена, когда не везде построены сети 3G. Все это дало хороший толчок для их внедрения в коммерческую эксплуатацию, и уже через 2 - 3 года после выпуска первых релизов эти стандарты имели широкое распространение. В России в настоящее время все сети UMTS предоставляют или будут предоставлять эту технологию.

2.1.3 CDMA2000

CDMA2000 является модификацией стандарта CDMA и активно продвигается американскими операторами, составляя реальную конкуренцию UMTS.

Несмотря на то, что стандарты "W-CDMA" и "CDMA2000" имеют общую аббревиатуру в своих названиях, это совершенно разные системы, использующие различные технологии. Тем не менее, есть надежда, что мобильные терминалы, работающие в этих несовместимых стандартах, когда-нибудь научатся "общаться" друг с другом.

Стандарт CDMA2000 разделяют на три фазы:

- 1X (известная также как IS-95C);

- 1X EV-DO (только данные): EV = "Evolution", DO ("Data Only" - "только данные") использует различные частоты для передачи голоса и данных;

- 1X EV-DV (данные & голос): DV ("Data and Voice" - "данные и голос") поддерживает интеграцию голоса и данных в одном частотном диапазоне.

Именно стандарт 1X EV-DV может считаться полноценным 3G-стандартом.

Кстати, изначально, не было разделения на 1X EV-DO и 1X EV-DV, а в стандарте CDMA выделяли только две фазы 1XRTT и 3XRTT.

Скорость обмена информацией в сетях CDMA2000 1X может достигать 153,6 кбит/с, в стандарте CDMA2000 1X EV-DO - 2,4 Мбит/c (ревизия 0) и 3,1 Мбит/c (ревизия А).

В отличие от стандарта UMTS, стандарт CDMA 2000 не оговаривает, какие частоты должны использоваться для передачи сигнала, поэтому построение сетей CDMA 2000 возможно во всех частотных диапазонах, используемых операторами сотовой связи - 450, 700, 800, 900, 1700, 1800, 1900, 2100 МГц.

За счет того, что спектр и качество предоставляемых сетью CDMA2000 услуг расширились, в структуре сети появились некоторые новые элементы, а функции прежних претерпели изменение (см. рисунок 7). Ниже представлены новые элементы сети и рассмотрены их основные функции.

Рисунок 7 - Структура сети стандарта CDMA2000

Мобильная станция (MS - Mobile Station). В сети CDMA2000 мобильная станция - это абонентское устройство, не обязательно мобильный телефон. Это может быть какое-либо иное устройство с модулем доступа к услугам сотовой сети и используемое, например, для доступа в сеть Интернет с компьютера.

Мобильная станция взаимодействует с RAN для получения необходимых ресурсов сети с целью доступа к пакетной сети, и далее следит за состоянием выделенных ресурсов (заняты, свободные, режим ожидания). MS может буферизировать данные пользователя, если в текущей момент требуемые ресурсы сети недоступны.

После включения, MS автоматически регистрируется в сети, и в HLR отмечается ее текущее состояние. Эта процедура происходит в следующем порядке:

1 Аутентификация MS.

2 Текущее местоположение MS заносится в HLR.

3 Далее MSC сообщается набор разрешенных услуг сети.

После успешного прохождения указанных процедур мобильная станция может совершать голосовые вызовы и передавать данные. Последняя услуга может быть предоставлена с использованием одной из двух сетей: с коммутацией пакетов или каналов, в зависимости от того факта: поддерживает ли MS стандарт CDMA2000. В случае если мобильное устройство совместимо только со стандартом IS-95 (CDMA One) передача данных возможна лишь через сеть с коммутацией пакетов. При этом скорость передачи не будет превышать 19,2 кбит/сек. Если же терминал совместим с IS-2000 (CDMA2000), то может быть сделан выбор между двумя возможными способами передачи данных через сеть оператора. Скорость передачи пакетных данных для сети CDMA2000 1x может достигать 144 кбит/сек.

Сеть радио доступа (RAN - Radio Access Network). Сеть радио доступа является входной точкой абонента во всю сеть оператора, независимо от предоставляемой услуги. Из-за добавления в сеть оператора нового домена с коммутацией пакетов на сеть доступа были возложены новые функции: идентификация абонентов в сети, обслуживание соединений к сети с коммутацией пакетов, проверять права доступа абонента к запрашиваемому сервису.

Базовая станция (BTS - Base Station Transceiver) - контролирует все действия на радио интерфейсе между BTS и MS, а также служит интерфейсом между сетью и мобильными устройствами. Управление радио ресурсами, например, назначение частотных каналов, разделение сот, управление мощностью передачи и т.п. относится к задачам базовой станции. В добавление к этому, BTS организует сквозные соединения для прохождения трафика между MS и BSC для обеспечения минимальных временных задержек в процессе передачи пользовательских данных и сигнализации.

Контроллер базовых станций (BSC - Base Station Controller) - передает сообщения сигнализации и голосовые данные между сотами и MSC (Mobile Switching Centre). Кроме того, BSC выполняет некоторые процедуры связанные с мобильностью абонентов, например, контролирует процедуру хэндовера между сотами в случае необходимости.

Устройство контроля пакетных соединений (PCF - Packet Control Function) - новый элемент сети CDMA2000, которого не было в CDMA One. Его главной задачей является маршрутизация пакетов между BTS и PDSN. В процессе пакетной сессии PCF будет назначать доступные радио ресурсы для абонентов сети, в соответствии с их потребностями и оплаченным объемом услуг. Главная задача PCF заключается в планировании распределения ресурсов сети доступа, включая радио ресурсы, так чтобы они могли быть максимально эффективно использованы и при этом не допустить снижения качества предоставляемых услуг.

Сеть коммутации (NSS (Network Switching System)) не претерпела существенных изменений по сравнению с системой CDMA One. В нее также входят MSC, который отвечает за установление голосовых соединений в системе, а также ряд регистров (HLR, VLR и др.), в которых хранится информация об абонентах.

Сеть пакетной коммутации (PCN - Packet Core Network). Это совершенно новая система в сети сотовой связи, отвечающая за передачу пользовательских пакетов из/в внешние сети (например, Интернет), а также за аутентификацию абонентов, назначение IP-адресов и некоторые другие.

Обслуживающий узел пакетной сети, объединенный с внешним агентом (PDSN/FA - Packet Data Serving Node / Foreign Agent) - это шлюз между сетью радио доступа и внешними пакетными сетями. Это устройство выполняет следующие функции:

- управляет соединениями между системой базовых станций и пакетной сетью, включая установление, поддержание и завершение сессий;

- предоставляет IP-адреса абонентам сети;

- выполняет маршрутизацию пакетом между сетью оператора и внешними сетями передачи данных;

- формирует и передает счета за оказанные услуги в систему биллинга;

- управляет абонентскими услугами, в соответствии с профилями абонентов, полученными из AAA-сервера;

- проводит аутентификацию самостоятельно. Либо передает запрос на аутентификацию к AAA-сервер.

ААА (Authentication, Authorization, and Accounting) - сервер используется для проведения процедур аутентификации и авторизации абонентов, а также для хранения абонентских данных с целью биллинга и выставления счетов.

Домашний агент (HA - Home Agent) предоставляет бесшовный роуминг к другим сетям стандарта CDMA2000. HA предоставляет якорный IP-адрес для MS, служащий для передачи любых пользовательских данных через исходную сеть. Кроме того, домашний агент поддерживает регистрацию абонентов, передачу пакетов к PDSN, а также (опционально) создание защищенного соединения.

Значения основных параметров, характеризующих радиоинтерфейс систем стандарта CDMA2000, приведены в таблице 1.

Стандартизацией CDMA2000 занимается группа 3GPP.

Технология EV-DO (Evolution Data Only) представляет собой надстройку над уже существующими сетями CDMA2000 1x, которая позволяет существенно повысить скорость передачи в них данных (максимальная пропускная способность в 2,4 Мбит/с).

Себестоимость внедрения EV-DO намного меньше, чем затраты на построение сети UMTS - ведь при переходе в стандарт UMTS сотовому оператору придется практически полностью менять оборудование (базовые станции, коммутационное оборудование и т.п.), а при переходе в EV-DO достаточно лишь обновить программное обеспечение коммутатора и установить на каждой базовой станции несколько дополнительных модулей расширения.

Таблица 4 - Основные характеристики системы стандарта CDMA-2000

EV-DO работает в асимметричном режиме (скорость закачки выше скорости передачи данных в сеть). Передача данных в канале оператор -> абонент может осуществляться на скорости от 38,4 кбит/с до 2457,6 кбит/с. В реальных условиях чаще всего используются 1228,8 кбит/с и 1843,2 Кбит/с.

Такие высокие скорости в канале оператор -> абонент обеспечиваются за счет использования метода коллективного доступа с временным разделением каналов.

Скорость передачи данных сильно зависит от расстояния между базовой станцией и абонентским терминалом, а также от уровня помех.

В канале абонент -> оператор данные на скоростях от 9,6 Кбит/с до 153,6 Кбит/с. При этом используется доступ с множественным разделением каналов, при котором одна несущая частота делится между всеми обслуживаемыми абонентами, максимальное число которых - 59.

Мягкий хэндовер позволяет избежать разрыва соединения при переключении с одной базовой станции на другую даже без значительного падения скорости передачи данных (на границе зоны обслуживания одной базовой станции вас начинает обслуживать сразу две станции: одна станция передает вам все меньше и меньше данных по мере того, как вы от нее отдаляетесь, а другая, наоборот, передает все больше: и., больше по мере вашего приближения).

Стандарт TD-CDMA близок к рассмотренному выше стандарту W-CDMA, однако его основой является гибридный кодово-временной принцип разделения сигнала (другое название - UTRA TDD).

При больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов метод FDD более эффективен. Вариант TDD предназначен для случаев, когда абонент передвигается с невысокой скоростью.

В целом считается, что именно стандарт TD-CDMA наиболее приспособлен для передачи данных Интернет.

Изначально данный стандарт был разработан немецким концерном Siemens, однако существует и китайская модификация данного стандарта - TD-SCDMA, которая появилась для того, чтобы избежать лицензионных отчислений за W-CDMA и CDMA2000.

2.2 Сети мобильной связи четвертого поколения

2.2.1 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 (Long Term Evolution) (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 Serving Gateway (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 Public Data Network (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) - узел управления мобильностью. Предназначен для управления мобильностью абонентов сети LTE.

4 Home Subscriber Server (HSS) - сервер абонентских данных (представляет собой объединение VLR, HLR, AUC в одном устройстве).

5 Policy and Charging Rules Function (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 (evolved NodeB) (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.