Пересказ публикации д-ра Stamatis Georgoulis, Aeroflex Limited "LTE to LTE-Advanced: What You Need to Know Right Now". В принципе, ничего принципиально нового.
Переход от LTE к LTE-A обещает преимущества, как для оператора, в плане сокращения OPEX/CAPEX и повышения коэффициента использования спектра, так и для абонента в плане роста скоростей передачи данных и емкости сети.
LTE-A обещает возможность получения подлинной подключенности 4G, впервые могут быть соблюдены требования к IMT-Advanced. Какие проблемы LTE следует разрешить, чтобы иметь возможность эволюционировать к LTE-A? Как начать пользоваться преимуществами решения уже с первых шагов?
В статье обсуждаются основные драйверы, которые стимулируют быстрый переход к LTE-A, те преимущества, которые ожидаются с учетом быстрого роста спроса на смартфоны, а также тех проблем для владельцев сетей, которые с этим связаны. Также рассматривается, как именно LTE-A помогает оператору сократить OPEX и CAPEX, а также как это позволяет операторам лучше использовать дорогой и фрагментированный спектр для улучшения качества покрытия и емкости сети.
LTE-A также помогает операторам справляться с задачей повышения энергоэффективности технологий связи, в статье показано, как этого можно добиться. В статье уделено внимание практически всем новым технологическим компонентам, которые ассоциированы с LTE-A - агрегации частот, MIMO, само-организующиеся сети, управление интерференцией.
LTE-A. Когда и что
LTE-A уже с нами и сейчас пора обсудить преимущества данной технологии. Основная причина в том, что LTE-A не только обещает ускорение передачи данных, но также может справиться с удовлетворением массового спроса на услугу передачи данных, которую формируют пользователи. Растущим объемом трафика мы обязаны росту распространенности мобильных устройств, включая смартфоны и планшеты, росту популярности приложений, особенно приложений социального взаимодействия, которые требуют постоянного подключения. Как только пользователь обзаводится смартфоном, его профиль потребления начинает изменяться в сторону увеличения объема трафика, по мере того, как пользователь осваивает различные возможности своего устройства и скачивает на него приложения. В свою очередь этот процесс приводит к росту спроса на непрерывное покрытие, включая покрытие в зданиях и услуги связи в общественном транспорте. Согласно известному отчету Cisco, в последние годы число мобильных подключений превысило население планеты и сейчас составляет около 7 млрд, как показано на рис.1.
Преимущества LTE-A
Итак, как LTE-A может помочь нам в решении известных проблем? Прежде всего, эта технология позволяет улучшить покрытие и емкость сети, два ключевых параметра, которые сказываются на пользовательском опыте. Не менее важно то, что оператор сможет сэкономить на операционных и капитальных затратах, что позволит компании сохранять прибыльность. Преимущества технологии, которые присущи LTE-A обещают возможность более быстрого внедрения и быстрого обнаружения и решения проблем. Это обеспечит для абонентов возможность более быстрого подключения, вырастет качество подключения и возможность получения доходов оператором.
В настоящее время в распоряжении операторов дорогой, но фрагментированный спектр. Вместе с тем, стоит задача возврата инвестиций, которую не получится решить без аггрегации фрагментов спектра и их совместного использования. О способах агрегации мы еще поговорим, но важно понимать, что агрегация частот (CA - carrier aggregation) - это ключевой компонент LTE-A, который позволяет эффективно использовать частоты.
Наконец, есть востребованность со стороны отдельных потребителей и общества в целом в отношении того, чтобы технологии сотовой связи и мобильного ШПД становились более "зелеными". Энергосбережение, кроме того, имеет под собой и экономическое обоснование. Использование технологий компенсирующих интерференцию в LTE-A с целью улучшения сигнала на краях сот, в комбинации с использованием самооптимизации сетей, а также большого числа малых сот в гетерогенной сети, обеспечивает существенный позитивный вклад в энергосбережение по-сравнению с 3G и LTE.
Кроме перечисленных фич, есть и еще более эффективные технологии, например, растущее использование трекинга пакетов или технология Догерти в усилителях мощности базовых станций, что также обеспечивает дополнительное энергосбережение. Релейное включение в LTE-A также из числа энергосберегающих мер, например, релейная станция может (RN - relay node) может оставаться в "спящем" режиме, если она не востребована.
Преимущества LTE-A перед LTE
1. Агрегация частот.
- высокая скорость передачи данных
- улучшенная емкость
- гибкость в использовании спектра
- лучше покрытие
2. MIMO более высоких порядков
- высокая скорость передачи данных
- эффективность использования спектра
3. SON / умная гетерогенная сеть
- улучшение покрытия
- улучшение энергоэффективности
- сокращение OPEX и CAPEX
- улучшенное качество пользовательского опыта
- лучше общая емкость сети
- быстрее развитие сети
4. Управление интерференцией
- ниже стоимость использования данных
- лучше покрытие
- лучше качество пользовательского опыта
- улучшенная энергоэффективность
- лучше общая емкость сети
5. Релейное включение
- лучше покрытие
- лучше качество пользовательского опыта
- улучшенная энергоэффективность
- быстрее развитие сети
Что такое 4G?
Хотя операторы и продают LTE, как технологию 4G, в действительности мы имеем дело определенной задержкой в переходе к новому поколению. Так же, как "мобильный интернет", который начали предлагать еще в 1990 году на базе E-GPRS, стал реальностью только после появления 3G WCDMA, мобильный ШПД стал реальностью только после появления 3.5G HSPA, а не в момент появления 3G. Высокая емкость и возможность непрерывной подключенности, которые ожидались от HSPA, стали реальностью только с появлением LTE. Таким образом, настоящее функционирование 4G станет реальностью только с появлением LTE-A. Можно утверждать, что LTE - это прототип LTE-A.
Международный Союз Электросвязи (ITU) предложил список рекомендаций, которым должна отвечать IMT Advanced 4G. Цель - обеспечить гибкое, глобальное, непрерывное мобильное подключение на основе сети all-IP с масштабируемой полосой частот и высокой спектральной эффективностью, одновременно с обеспечением низкой задержки и быстрой мобильности. Цели по скорости - 100 Мбит/с в мобильном режиме и до 1 Гбит/с в пиковом режиме. В 3GPP назвали спецификацию с такими параметрами - LTE-A, который описан, как Rel.10 3GPP LTE. В таблице ниже приведено сравнение рекомендаций ITU, параметров, которые обеспечивает LTE Rel.9, а также LTE-A.
Технологические энейблеры LTE-A
LTE-A стала возможной благодаря набору технологических энейблеров, каждый из которых обеспечивает улучшение характеристик по-сравнению с LTE. Основые энейблеры таковы:
Агрегация частот (CA)
Комбинируя блоки частот, которые называют компонентными несущими (CC), как показано на рисунке, агрегация частот позволяет использовать фрагментированный спектр и позволяет LTE-A соответствовать требованиям IMT-Advanced, прежде всего, требованию обеспечивать скорость передачи данных 1 Гбит/с.
Агрегация частот может быть обеспечена за счет апгрейда железа, а также при обеспечении совместимости вниз с 3GPP Rel.8. Агрегация частот обеспечивает гибкость использования спектра, но речь идет не только о использовании нескольких полос частот 20 МГц, можно также агрегировать небольшие, несмежные полосы частот. Таким образом, полоса частот может заметно измениться, что отвечает потребностям индивидуальных пользователей.
Однако, обеспечение поддержки CA в абонентских устройствах - это действительная проблема.
MIMO более высоких порядков (HOM)
Более высокие порядки MIMO (на рисунке 4) позволяют повысить спектральную эффективность, в терминах бит/с на Гц. Но для этого опять же требуется апгрейд железа. MIMO более высоких порядков обеспечит LTE-A с до 8 одновременных потоков передачи, обеспечивающих спектральную эффективность в аплинке и даунлинке для исполнения спецификаций IMT-A. Возможно использовать несколько хитрых схем для аплинка и даунлинка, как в случае одиночных, так и множественных пользователей. MIMO требует использования множественных антенн, как на базовых станциях, так и на абонентских устройствах - 8 потоков потребуют 8 раздельных антенн на устройстве. В комбинации с множественными радио, что также предусматривается в LTE-A, это означает, что мобильные устройства в конце концов могут стать похожими на "дикобраза".
Релейное включение
Релейные включения - это эффективный по цене способ расширить покрытие в зонах, где обеспечение фиксированного ШПД не является экономически оправданным. Можно подключать цепочку базовых станций, которые выступают в качестве релейных станций в опорной сети. Релейная база выступает в качестве абонентского устройства в донорной макросоте. Использование такой схемы позволяет быстро развернуть сеть, сохраняя низкую стоимость оборудования по-сравнению с использованием традиционной опорной сети. Использование релейных включений - это эффективный обмен емкости соты на площадь покрытия.
Самоорганизующиеся/самооптимизирующиеся сети (SON)
SON обеспечивает эффективное использование гетерогенных сетей (HetNets), гибридных сетей, которые включают малые соты для улучшения покрытия и емкости, обеспечиваемой традиционными макросотами. Несколько малых сот могут быть размещены в макросоте, используя те же частотные диапазоны, чтобы заполнить гэпы в покрытии и обеспечить дополнительную емкость.
Эффективное использование SON может сократить OPEX, а также нарастить емкость. Однако, если вести развитие сети хаотично, могут возникать проблемы. Необходима координация для того, чтобы избежать потери емкости. Необходима динамическая адаптация, чтобы максимизировать достигаемый эффект.
Некоторые элементы SON, такие, как сообщения CGI и автоматическое распознавание соседей (ANR - Automatic Neighbor Recognition), уже были внедрены в Rel.8, в Rel.9 есть улучшения RLF. Но если LTE обеспечивает базовые показатели, то LTE-A, где появился интерфейс X2, обеспечивающий возможность обмена информации; улучшенная координация интерференции между сотами; баланс нагрузки; минимизация необходимости драйв-тестов (MDT); само-исправление; энергосбережение. В релизе 11 предусмотрено также Coordinated Multipoint (CoMP).
Рис.3 Три из множества возможных для LTE-A сценариев агрегации частот, где частота f1 показана серым, а f2 - голубым: (a) f1 использована для наращивания покрытия, а f2 использован для наращивания скорости передачи данных (f2>f1)
(b) Обе частоты использованы для наращивания пропускной способности соты;
(c) f1 обеспечивает макро-покрытие и f2 используется для увеличения пропускной способности в хотспотах.
Управление интерференцией (IM)
Управление интерференцией - это еще одна фича LTE-A, которая достигается апгрейдом ПО, которая может обеспечивать увеличение спектральной эффективности (измеряемой в битах/с на Гц/кв.км). Это обеспечивает выигрыш за счет более эффективного совместного использования частот в заданной зоне. Фича является динамической и может работать в диапазоне до 100 мс.
Улучшенное подавление межсотовой интерференции (eICIC) представляет наращивание технологий управления интерференцией, которая использовалась в LTE Rel 8 и Rel 9. Отличие в том, что этот процесс не прозрачен в отношении абонентских устройств и таким образом необходимо вести его тестирование, например, с помощью Aeroflex TM500 Test Mobile.
eCIC требует координации между каждым из узлов сети, которые коммуницируют друг с другом по интерфейсу X2. В типичном случае макросоты, чьи зоны покрытия перекрываются с зонами покрытий одной или нескольких малых сот, могут координировать передачу с этими узлами. Это поможет сократить интерференцию, вызванную абонентскими устройствами в данных сотах в некоторых подкадрах, за счет ограничения передачи макросот до DL Common Reference Signal (CRS), без передачи данных, во время некоторых сабфреймов - этот режим называется Almost Blank Subframes (ABS) - почти пустые сабфреймы. Это снижает интерференцию на краю соты, образованной микро-сотой или пикосотой, а также обеспечивает возможность для микро- и пикосоты формировать "расширение радиуса соты", увеличивая зону покрытия во время этих сабфреймов.
Итоги
Все улучшения, которые появляются в LTE-A - SON, IM, малые соты, HetNets - обещают существенные выигрыши для операторов и подписчиков. Все эти компоненты, если их внедрить одноврменно, повышают спектральную эффективность, увеличивают емкость и покрытие, а также позволяет сети обслуживать большее число устройств более эффективно.
Эти улучшения достигаются за счет комбинации программных апгрейдов и эффективных по затратам замен железа. Комбинированный эффект обеспечивает выигрыш в емкости в 2.2 раза (рел.10 HetNet) по-сравнению с сетью, в которой используются только макросоты. Вдобавок преимущества LTE-A самоочевидны и ощутимы. Пользователям эта технология обещает общее улучшение качества опыта и снижения стоимости передачи данных. Оператор выиграет от сокращения OPEX и CAPEX за счет использования "интеллектуальности" HetNets, опции, которая сейчас внедряется. А также за счет дальнейшего повышения эффективности по мере развития железа. Производители сетевых решений уже способны обеспечить улучшения для интеллектуальных сетей HetNets, за которыми вскоре последуют CA и MIMO высоких порядков.
