Принципы построения и функционирования сетей LTE | LTE | 4 джи | архитектура сети lte | построение lte сетей | структура сети lte | Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network | E-UTRAN | Evolved Packet Core | EPC | eNB | Evolved NodeB | eNodeB | Mobility Management Entity | S-GW | Serving Gateway | Orthogonal Frequency Division Multiplexing | OFDMA | All-IP Network | AIPN | Функции eNodeB | Интерфейс S1 | Интерфейс X2 | Функции обслуживающего шлюза S-GW | Функции P-GW | Packet Data Network Gateway | PCEF | Policy and Charging Enforcement Function | Функции MME | Mobility Management Entity | Quality of Service | протокол MM | DHCP | Dynamic Host Configuration Protocol | Policy and Charging Resource Function | обучение 4G

Что нужно знать о 4g

Что такое 4G (LTE)? Согласно Википедии LTE (буквально с англ.Long-TermEvolution— долговременное развитие, часто обозначается как 4G LTE) — стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными (модемов, например).

Он увеличивает пропускную способность и скорость за счёт использования другого радиоинтерфейса вместе с улучшением ядра сети. Стандарт был разработан 3GPP (консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии). Беспроводной интерфейс LTE является несовместимым с 2G и 3G, поэтому он должен работать на отдельной частоте. В России для LTE выделено три частотных диапазона — 800, 1800 и 2600 МГц.

Что такое агрегация частот

Агрегация частот представляет собой объединение диапазона. Таким образом сигнал передается сразу на нескольких частотах, и вследствие этого задержка практически отсутствует и повышается скорость приема и передачи пакетов трафика. На данный момент данную технологию использует переходное поколение 4G, которое именуется как 4G  или 4,5G.

Что такое lte fdd

Многие спрашивают FDD LTE — что это? Данный параметр означает тип передачи пакетов данных, который использует дуплексное частотное разделение. Если данный параметр применяется в смартфоне, то устройство осуществляет передачу пакетов с использованием разных частот.

Для примера категория BAND 3 (band — частота), здесь для передачи пакетов используется частота 1710 МГц для приема 1810 МГц. Если брать более наглядный пример, то им может служить автодорога, разделенная на две полосы, где движение осуществляется в одном направлении.

На данный момент большинство операторов, работающих на территории страны, применяют именно эту технологию. Это обусловлено невысокой стоимостью обслуживания и более стабильным сигналом.

Cat 1, cat 2, cat 3, cat 4… cat 12, cat 16 и другие

Многие спрашивают, CAT 4 LTE — что это такое. Сегодня большинство моделей смартфонов использует именно CAT4, который показывает максимальную скорость обмена данными. Данная категория позволяет добиться скорости более 50 Мб/сек, но при этом должны быть соблюдены несколько условий:

  • находиться в нескольких метрах от ретранслятора;
  • к данной точке не должно быть подключено сторонних абонентов;
  • базовая станция использует мощное оборудование;
  • ретранслятор использует оптическое (ВОЛС) соединение с центром сети.

Помимо LTE CAT 4, существует еще несколько категорий:

Lte direct

Протокол передачи информации меж устройствами на расстояние приблизительно 500 м. Впервые внедрён компанией Квалкомм. Заручившись поддержкой 3GPP, фирма стандартизировала технологию. Идея быстро обогнала аналогичные возможности Wi-Fi, Bluetooth.

Lte fdd и lte tdd

Стандарт LTE бывает двух видов, различия между которыми довольно существенны. FDD – FrequencyDivisionDuplex (частотный разнос входящего и исходящего канала) TDD – TimeDivisionDuplex (временной разнос входящего и исходящего канала). Грубо говоря, FDD – это параллельный LTE, а TDD – последовательный LTE.

Например, при ширине канала в 20 МГц в FDD LTE часть диапазона (15 МГц) отдаётся для загрузки (download), а часть (5 МГц) для выгрузки (upload). Таким образом каналы не пересекаются по частотам, что позволяет работать одновременно и стабильно для загрузки и выгрузки данных.

В TDD LTE всё тот же канал в 20 МГц полностью отдаётся и как для загрузки, так и для выгрузки, а данные передаются в ту и другую сторону поочерёдно, при этом приоритет имеет всё-таки загрузка. В целом FDD LTE предпочтительнее, т.к. он работает быстрее и стабильнее.

Агрегация частот

Под словом «агрегация» в данном случае понимается объединение, т.е. агрегация частот – это объединение частот. Что это означает – попытаюсь объяснить ниже.Известно, что скорость приема передачи зависит от ширины канала передачи. Как мы видели из таблицы в предыдущем разделе, ширина канала на загрузку, например, МТС равна 10 МГц в диапазоне Band7 (кроме Москвы), на отдачу также 10 МГц.

Однажды кому-то из разработчиков пришла в голову светлая мысль – а что, если передавать сигнал не на одной несущей частоте, а на нескольких одновременно. Тем самым расширяется канал приема/передачи и скорость теоретически значительно возрастет. А если еще каждую несущую передавать по схеме MIMO 2х2, то получаем дополнительный выигрыш в скорости.

В таблице указано, что для Cat.9, нужно, чтобы передатчик и приемник умели передавать и принимать сигнал на трех несущих частотах (в трех бэндах) одновременно, ширина каждого канала должна быть не менее 20 МГц. Для Cat.12 необходимо дополнительно, чтобы антенные устройства были соединены по схеме MIMO 4х4, т.е. фактически нужно 4 антенны на приемной и передающей стороне.

Загадочные символы 256QAM означают определенный вид модуляции сигнала, позволяющий более плотно упаковывать информацию. Желающих более детально ознакомиться с этой темой могут начать знакомство с материалом в статье в Википедии и с тамошними ссылками.

Восходящие физические каналы

На физическом уровне в восходящем направлении определено три типа каналов: общий (Physical Uplink Shared Channel, PUSCH), управления (Physical Uplink Control Channel, PUCCH) и произвольного доступа (Physical Random Access Channel, PRACH).

Общий канал используется для передачи данных пользователя. Сигнал модулируется квадратурной модуляцией QPSK и 16 QAM (64QAM — опционально). Изначально соседние символы данных соответствуют во временной области соседним SC-FDMA-символам. Затем они разделяются по поднесущим и модулируются OFDM.

В частотной области передача осуществляется с помощью ресурсных блоков 180 кГц, которые соответствуют используемым поднесущим. Для разнесения занимаемых частот и ослабления интерференции применяется перестройка частоты внутри второго слота.

По общему каналу передается вся управляющая информация для декодирования данных — это индикаторы транспортного формата и параметры MIMO. Служебные данные мультиплексируются с информационными до выполнения ДПФ.

Канал управления предназначен для передачи индикатора качества канала (CQI), сообщения о подтверждении доставки (ACK/NACK), запроса на получение расписания доступных ресурсов, а также осуществления обратной связи (передача индикаторов ранга и матрицы предварительного кодирования).

Канал произвольного доступа применяется для запроса начальной инициализации в сети, при переходе из режима ожидания в активный и т.д. Абонентской станции назначается интервал в ресурсной сетке (номер физического ресурсного блока и номер субкадра), в течение которого она передает специальный пакет — преамбулу произвольного доступа.

Временное деление

Сказанное выше касалось технологии LTE-FDD, использующей частотное деление каналов. Первый успех сетей с цифровыми сигнальными процессорами заставил азиатский регион искать альтернативные пути. Параллельно развивались две технологии LTE. Временное деление – результат совместных усилий многих компаний. Первопроходцами (2022) считают трёх китов:

  1. Huawei.
  2. Datang Telecom.
  3. China Mobile.

Это объясняет расхождение спектров: производители использовали местные «белые» пятна плана телевизионного вещания. Позже присоединились Интел, Эрикссон, Нокиа. Новички занялись разработкой базовых станций, повышавших ёмкость на 80%, охват территории – 40%.

Положительные результаты вызвали повальную заинтересованность новинкой. Главной причиной называют дешевизну развёртывания в сравнении с ядром частотного разделения. 26 мировых операторов занялись тестированием. К марту 2022 число коммерческих сетей LTE-TDD достигло 14 (преимущественно Китай, Южная Корея), LTE-FDD – 142.

Желающим поэкспериментировать с lte-a

Если в вашей местности появился LTE-A, в чем вы убедились, измерив частоты выбранного вами оператора (провайдер раздает интернет на двух частотах, например, LTE800 и LTE2600, т.е. использует сочетание В7 В20) и у вас руки чешутся попробовать что это такое, то можете попытаться использовать схему из двух MIMO-антенн с диплексерами.

Отмечу здесь, что антенна NITSA-5 MIMO 2×2 фактически реализует эту схему. Отличие в том, что в NITSA-5 функцию диплексеров выполняют сами широкополосные излучатели антенны, т.к. каждый из них принимает соответствующим образом поляризованные сигналы из диапазонов 790÷960/1700÷2700 МГц одновременно.

В целом, эта антенна хорошо приспособлена для приема 4G на небольших расстояниях (до 5 км при наличии прямой видимости БС), т.к. позволяет принимать любую комбинацию частот LTE-A и адаптирует MIMO 4×4 к широко распространенным модемам Cat.4, имеющих только два входа MIMO 2×2.

История

Большинство провайдеров CDMA планировали осваивать WiMAX, либо UMB. Разработку LTE можно считать ответной мерой. Первая реализованная пробная версия сотовой сети построена (2004) японским провайдером NTT DoCoMo. Следующий год стандарт активно обсуждался прессой.

Осенью 2006 состоялась демонстрация Siemens Networks функционала нового поколения мобильной связи: передача потока видео HDTV. Канал выгрузки протестировали на онлайн игре высокого потребления ресурсов. Весной 2007 года решено создать альянс LTE/SAE, аналогично шагам, отметившим внедрение GSM (ассоциация существует поныне). Новая организация призвана упростить взаимодействие двух глобальных групп:

  1. Производители.
  2. Провайдеры.

Мера призвана упростить перевод технической базы с третьего поколения мобильной связи. Окончательную версию стандарта принёс декабрь 2008 года. Параллельно создатели Yota задумали осуществить покрытие территории России, однако выбрали WiMAX. Первая российская вышка LTE запущена 30 августа 2022 года.

Шведы, норвежцы оказались расторопнее. 14 декабря 2009 года компания TeliaSonera оборудовала Осло и Стокгольм, предоставив доступ в интернет посредством USB-модема. Последней (21 сентября 2022) запустилась Северная Америка, абонентам раздали телефоны Samsung SCH-r900.

Как узнать параметры lte своего 4g-сигнала

Интерфейс широко распространенного модема Huawei 3372 дает почти всю информацию о параметрах 4G-сигнала. На главной странице интерфейса видим, что принимаем сигнал LTE, оператора сотовой связи, приблизительный уровень сигнала в виде 5 полосок, а также значок, показывающий, что связь установлена – стрелочки верх-вниз.

Читайте про операторов:  Сотовые операторы будущего: что телеком-компании придумают в эпоху интернета? |

Определить частотный диапазон (Band) и стандарт передачи данных (разнос данных – FDD или TDD) можно на следующей вкладке:

Выставив предпочтительный режим «только LTE», сняв галочку с параметра «все поддерживаемые», можно по очереди перебирая диапазоны узнать – на какой частоте вы получаете сигнал. Если сигнал принимается, то вверху справа будет отражаться информация, как на скриншоте, если приема нет, то появится надпись «Сигнала нет». После всех изменений не забудьте нажать кнопку «Применить».

Но не все так просто. Все вышесказанное прекрасно работает для диапазонов стандарта FDD. Выставить диапазон TDD не удается. Точно знаю, что в Москве МТС раздает LTE в диапазоне Band38, т.е. частота 2600, тип передачи TDD. Попытка выставить этот диапазон для сим-карты МТС не удается, модем перегружает страницу и возвращается к предыдущему состоянию. При этом можно установить B7 иB3 как по отдельности, так и одновременно.

Измерения, проведенные на смартфоне с Андроид 7.0 и встроенным модемом Cat.12, показали следующий результат.

Отмечу, что Андроид 7.0 в отличие от более младших версий умеет измерять параметры сигнала и передавать данные приложениям, которые их запрашивают у ОС. На скриншоте видно, что на самом деле МТС (на скриншоте МГТС, это одно и то же) раздает LTE в диапазоне Band38, т.е. в формате TDD.

Возможная причина такой ситуации заключается в том, что модемы серии Е3372 выпускаются в двух модификациях – Е3372H и Е3372S. У меня модем с буквой H на конце, разлоченный и перепрошитый в HiLink. У модемов E3372Н серийный номер начинается с комбинации G4P, а у E3372S – L8F.

Допускаю, что модемы серии S умеют настраиваться на В38, но проверить не могу, т.к. не имею под рукой соответствующего модема. Таким образом, интерфейс модема HiLink дает почти всю информацию о параметрах LTE-сигнала. Однако, при определении частотного диапазона (Band) может допускать ошибки, когда передача данных осуществляется в формате TDD.

ДиапазонBand
800 LTE (4G)20
900 UMTS (3G)8
1800 LTE (4G)3
2100 UMTS (3G)1
2600 LTE FDD (4G)7
2600 LTE TDD (4G)38

Для определения «бэнда» целесообразно пользоваться другими инструментами, в частности смартфонами, работающими под управлением ОС Android начиная с версии 7. Обращаем ваше внимание, что не все версии андроида поддерживают определение при помощи подобных приложений.

В качестве примера приведем приложение Network Cell Info Lite, которое доступно для бесплатного скачивания в Google Play:

После установки и запуска приложения, вы должны увидеть необходимые данные:

В нашем случае смартфон подключился к сети Мегафона по стандарту 4G на частоте 800 МГц (band 20) и к сети Теле2 по стандарту 3G на частоте 2100 МГц (band 1).

Если приложение не отображает информацию по используемому «бэнд», рекомендуем попробовать установить приложение Сотовые Вышки, Локатор:

После запуска приложения, на основном экране в левом верхнем углу должна отобразиться интересующая вас информацию об используемом частотном диапазоне. В нашем случае смартфон подключился к сети Tele2 по стандарту 4G на частоте 1800 МГц (band 3).

Также данное приложение поможет определить местоположение базовой станции на карте. Красным цветом отображаются базовые станции работающие в GSM диапазоне, зеленым цветом – в стандарте 3G, а голубым цветом – работающие в 4G LTE. В большинстве случаев необходимая точность положения базовой станции достигается при обнаружении не менее 3-х сот (секторных антенн одной базовой станции).

Категории lte

Абонентские устройства классифицируются по категориям. Наиболее распространенными на сегодня являются устройства 4-й категории CAT4. Это означает что максимально достижимая скорость мобильного интернета на прием (downlink или DL) может составлять 150 Мбит/секунду, на передачу (uplink или UL) – 50 Мбит/с.

Важно отметить, что это максимально достижимая скорость в идеальных условиях – главные из которых — вы недалеко от вышки, кроме вас в соте больше нет абонентов, к базовой станции подведен оптический транспорт и др. Наиболее распространенные категории абонентских устройств приведены в таблице.

Категория абонентского устройстваМакс. скорость загрузки (DL), Мбит/сАгрегация несущихДополнительные технологии
CAT4150
CAT4150
CAT63002х20 МГц
CAT94503Х20 МГц
CAT126003Х20 МГц4×4 MIMO, 256 QAM
CAT169804Х20 МГц4×4 MIMO, 256 QAM

Таблица требует некоторых пояснений. Здесь упомянута «агрегация несущих» и «дополнительные технологии». Попытаюсь пояснить, что это такое.

Категорирование приемных устройств

Схема агрегирования частот активно развивается российскими провайдерами, заключены много соглашений о взаимном использовании частотных диапазонов, реконструируется антенное хозяйство базовых станций. Однако есть одна проблема – на приемной стороне абонент должен уметь принимать сигнал на нескольких несущих частотах одновременно. Далеко не все смартфоны, планшеты и модемы поддерживают агрегацию частот и, следовательно, не могут работать в 4G .

Начиная с 2022 года в документации к смартфонам указываются частотные диапазоны (бэнды) и категорию LTE,в которых они умеют работать. Например, для смартфона выпуска 2022 г. Huawei P10 Plus помимо прочих параметров указано:

2G850/900/1800/1900 МГц
3GHSPA до 42 Мбит/с
4GLTE Cat12 до 600 Мбит/с
LTE частотыFDD: Band 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 12, 17, 18, 19, 20, 26, 28;
TDD: Band 38, 39, 40, 41
Совместимость с операторамиМТС, Мегафон, Билайн, Теле2, Yota

Кроме того, этот смартфон имеет встроенную антеннуM IMO 4×4 и соответствующий модем, позволяющий обрабатывать сигналы сразу на двух несущих частотах. Если ваш смартфон поддерживает агрегацию частот, то вкладка «настройка» > «мобильная сеть» будет выглядеть примерно так:

Если это так, то ваш смартфон поддерживает LTE-A.

Таким образом, производители смартфонов начали догонять сотовых операторов. К сожалению, нельзя сказать того же о производителях модемов. До сих пор самый производительный модем дает максимальные скорости 150/50 Мбит/с, т.е. принадлежит Cat.4. Пока это обстоятельство не слишком огорчает, т.к. такие скорости, если будут достигнуты на практике, заслуживают восхищения.

Однако, производство мобильных роутеров, похоже, начинает догонять смартфоны. На рынке стали появляться роутеры Cat.6 от Huaweiи Netgeer (не поддерживает российские бэнды). Так роутер Huawei E5787s-33a можно купить на AliExpress примерно за 10 тыс. руб.

Надо сказать, что реальные скорости, достигаемые в режиме 4G , далеки от заявленных, но они значительно выше, чем в простом режиме 4G. Автором проведен ряд экспериментов в Москве, где не трудно найти LTE-A (оператор Мегафон), со смартфоном Cat.12, результаты которых показаны на скриншотах.

Первый скриншот – скорости для LTE-A (агрегация частот включена), второй скриншот для LTE (агрегация частот выключена). Отмечу, что почему-то при выполнении скриншота у значка 4G пропадает плюсик. Почему – не знаю, при тестировании плюс был – см. скрин.

Было проведено по шесть измерений для каждого режима. Скорости при включенной агрегации частот в среднем заметно выше, хоть и не в разы. Измерения проводились вблизи вышки, днем.

Методы множественного доступа

В нисходящем канале применяется принцип мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов (OFDM). Он заключается в том, что весь доступный частотный диапазон делится на несколько тысяч поднесущих, по которым данные передаются параллельно.

Ортогональность частот обеспечивает отсутствие межсимвольной интерференции. За счет разделения канала на узкие полосы передаваемый сигнал затухает плавно, что позволяет отказаться от использования сложных частотных корректоров. Системы связи, основанные на OFDM, должны быть строго линейными, чтобы не нарушалась ортогональность передаваемых сигналов.

Каждому передатчику выделяются определенные полосы спектра так, чтобы снизить уровень шумов и избежать возникновения интерференционных помех. Исходный поток последовательных данных преобразуется в параллельный, причем скорость передачи в каждом канале уменьшается пропорционально количеству каналов.

Информационные символы модулируются и комбинируются в передатчике блоком обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ). В приемнике производится восстановление потока данных (прямое БПФ).

Обычно в канале присутствует временная дисперсия — части передаваемого сигнала принимаются с различными задержками из-за многолучевости распространения и отражений. В итоге ортогональность частично теряется, появляется интерференция как между битами внутри символа, так и между символами.

Достоинства технологии OFDM:

1. Нечувствительность к многолучевости распространения сигнала и слабая интерференция в канале.

2. Отсутствие интерференции между ячейками сети.

3. Гибкое использование частотного спектра.

4. Эффективное использования спектра за счет ортогональности поднесущих.

5. Оптимальная скорость передачи данных для всех абонентов ячейки (для передачи выбирается наиболее подходящая поднесущая со слабым замиранием).

Читайте про операторов:  Скрытый удаленный доступ к телефону с телефона: слежение за Андроид

Несмотря на бесспорные достоинства OFDM-технологии, у нее имеется ряд недостатков. Во-первых, большая чувствительность к нестабильности частоты, которая может возникнуть из-за неидеальности схемы или эффекта Доплера, если устройство подвижно. Во-вторых, высокое отношение пиковой мощности к средней, обусловленное непоследовательным добавлением поднесущих, которое расширяет спектр сигнала и, соответственно, вызывает интерференцию в канале.

В восходящем канале используется множественный доступ с частотным разделением на базе одной несущей (Single Carrier Frequency Division Multiple Access, SC-FDMA) с циклическим префиксом, чтобы снизить отношение пиковой мощности к средней. Низкие значения PARP, кроме того, улучшают покрытие и производительность ячейки.

Технология SC-OFDMA реализуется в LTE с помощью дискретного преобразования Фурье (DFTS-OFDM — Discrete Fourier Transform Spread OFDM), которое часто называют обобщением SC-FDMA в частотной области. Дискретное преобразование Фурье используется для мультиплексирования восходящих передач в отдельные частотные блоки, на которые разбивается полоса пропускания.

Занимаемая одной несущей полоса определяется на основе требуемой скорости передачи. Данные остаются последовательными и не распараллеливаются, как это происходит в нисходящем канале (см. рис. 1). В итоге параметры соединения становятся одинаковыми в обоих направлениях.

На каких частотах работают данные технологии

Технология LTE работает на разных частотных диапазонах (BAND, или бэнд). Для FDD выделяются несколько бэндов: 1, 3, 7, 20, в свою очередь для TDD — 33, 38, 40 и 44. В России мобильные операторы используют следующие:

Некоторые пользователи задают вопрос, что лучше: LTE 1800 МГц или LTE 2600 МГц. Благодаря первому сигнал лучше проникает через различные препятствия, такие как бетонные или стальные стены. В свою очередь благодаря второму прием сигнала более качественный и стабильный, также не нужно использовать большое количество базовых станций, так как их дальнобойность доходить до 20 км.

Нисходящие физические каналы

Стандартом LTE определен ряд нисходящих физических каналов для передачи информационных блоков, полученных от уровней MAC и выше. Эти каналы делятся на транспортные и каналы управления.

Транспортные каналы

Опорные сигналы в восходящем канале

В восходящем канале определено два типа опорных сигналов: демодулированные (Demodulation Reference Signals, DM-RS) и зондовые (Sounding Reference Signal, SRS). Демодулированные опорные сигналы аналогичны опорным сигналам нисходящего канала. В общем информационном канале последовательность демодулированного опорного сигнала передается в четвертом или третьем SC-FDMA-символе каждого слота в зависимости от типа циклического префикса.

Зондовые сигналы служат для оценки качества канала. SRS представляет собой опорный сигнал с более широкой полосой, обычно передающийся в последнем SC-FDMA символе субкадра, как показано на рисунке 5. В этом блоке не передаются данные пользователя, поэтому емкость восходящего канала на 7% меньше. Сигнал SRS необязателен.

Опорные сигналы при нисходящей передаче

В отличие от пакетных сетей, в LTE нет физической преамбулы, которая необходима для синхронизации и оценки смещения несущей. Вместо этого в каждый РБ добавляются опорные и синхронизирующие сигналы. Опорный сигнал служит для непосредственного определения условий в канале передачи.

При нисходящей передаче опорные символы вставляются в первый и третий с конца OFDM-символ в каждом слоте на частотах, расположенных на расстоянии 6 поднесущих (что соответствует 5-му и 4-му OFDM-символам в случае нормального и расширенного префикса), как показано на рисунке 4. На каждый РБ приходится по 4 опорных символа.

Параметры физического уровня

Во временной области все промежутки времени выражаются через базовый интервал Ts = 1/30720000. Длительность пакета равна 10 мс (Tframe = 307200 Ts). Каждый пакет разделен на 10 одинаковых субкадров длительностью 1 мс (Tsubframe = 30720 Ts). В свою очередь, субкадр состоит из двух слотов по 0,5 мс (Tslot = 15360 Ts), содержащих 7 или 6 символов OFDM в зависимости от типа циклического префикса (нормальный или расширенный).

Стандарт LTE предусматривает два типа радиокадров — для частотного (FDD) и временного дуплексирования (TDD). В частотной области определено два типа кадров, один из которых представлен на рисунке 2.

Полезная длительность OFDM-символа равна Tu = 2048 Ts ≈ 66,7 мкс. В нормальном режиме первый символ имеет циклический префикс имеется длительность TCP = 160 Ts ≈ 5,2 мкс, оставшиеся шесть — длительность TCP = 144 Ts ≈ 4,7 мкс. В расширенном режиме циклический префикс TCP-e = = 512 Ts ≈ 16,7 мкс. Циклический префикс длиннее, чем типичная задержка распространения в канале.

Нормальный циклический префикс используется в городских ячейках и приложениях с высокой скоростью передачи данных. Он уменьшает емкость канала на 7,5%. Расширенный префикс предназначен для специальных случаев, таких как широковещательная передача на много ячеек или для больших ячеек, например, в сельскохозяйственных районах.

Количество поднесущих N лежит в диапазоне 128—2048 в зависимости от ширины канала. На практике чаще всего используется 512 или 1024 поднесущих для 5 и 10 МГц, соответственно. Расстояние между поднесущими∆f = 1/Tu = 15 кГц. Частота выборки fs = ∆f∙N = 15000N.

Базовый интервал соответствует частоте 30,72 МГц, кратной стандартной в WCDMA-системах частоте обработки 3,84 МГц. Это сделано намеренно с целью создания устройств, работающих в стандартах 3G и LTE с общим тактированием. В таблице 1 приводятся основные параметры физического уровня для LTE в режиме FDD.

Таблица 1. Параметры нисходящего физического уровня LTE

Ширина канала, МГц

1,25

2,5

5

10

15

20

Длительность кадра, мс

10

Длительность субкадра, мс

1

Расстояние между поднесущими, кГц

15

Частота выборки, МГц

1,92

3,84

7,68

15,36

23,04

30,72

Размер БПФ

128

256

512

1024

1536

2048

Количество поднесущих (в т. ч. постоянный сигнал)

76

151

301

601

901

1201

Защитные поднесущие

52

105

211

423

635

847

Количество ресурсных блоков

6

12

25

50

75

100

Ширина канала, МГц

1,140

2,265

4,515

9,015

13,515

18,015

Эффективность использования полосы, %

77,1

90

OFDM символы/субкадр

7/6 (короткий/длинный префикс)

Длина короткого префикса, мкс

5,2 (первый символ)/4,69 (остальные шесть)

Длина длинного префикса, мкс

16,67

Всем абонентским устройствам в каждом слоте назначается диапазон канальных ресурсов — ресурсная сетка. Ячейка ресурсной сетки, ресурсный элемент (РЭ) соответствует одной поднесущей в частотной области и одному OFDM-символу во временной. Ресурсные элементы образуют ресурсный блок — минимальную информационную единицу в канале.

Передача в восходящем направлении аналогична передаче в нисходящем. Самой маленькой единицей ресурсной сетки является РЭ, состоящий из одного SC-FDMA блока данных. Ресурсный блок содержит 12 РЭ. В режиме FDD абонентскому устройству назначается несколько последовательных РБ в восходящем канале. В нисходящем канале применяется непоследовательное назначение.

Во временной области восходящий пакет длительностью 10 мс делится на 10 субкадров по 1 мс каждый и на 20 слотов. Слот состоит из 7 или 6 SC-FDMA-символов в случае нормального и расширенного префикса, соответственно. Длительности циклических префиксов в восходящем канале такие же, как и в нисходящем.

Перечень стран, запустивших lte

Отбрасывая заявления маркетологов, нужно признать: одно дело произвести первый запуск, другое – заставить абонентов пользоваться услугой. Приведём реальное покрытие сетями некоторых стран:

  1. Южная Корея – свыше 95%.
  2. Япония – 93%.
  3. Норвегия – 87%.
  4. США – 86,5%.
  5. Гонконг – 86,4%.

Тайвань использует технологию на 83%, одновременно покрыт сетями Wi-Fi.

Преимущества и недостатки данных технологий

Преимущества и недостатки FDD:

При использовании технологии FDD уменьшается время задержки и возрастает скорость интернет-соединения. Чтобы получить более качественный и стабильный сигнал, необходимо приобретать устройство, где имеется поддержка BAND 3 и 7, так как они работают с FDD. При использовании TDD могут наблюдаться непостоянная скорость соединения с Интернетом и нестабильный сигнал.

Принцип действия

Усовершенствования сети LTE касаются внедрения цифровых сигнальных процессоров. Параллельно преследовалась цель упрощения логической конструкции путём введения IP-адресации (EPC). Ядро старого типа GPRS устраняется, появляются возможности хэндовера (голосовая связь, интернет) башен доживающих дни стандартов GSM, CDMA2000, UMTS.

  1. Загрузка – 300 Мбит/с.
  2. Выгрузка – 75 Мбит/с.

Пакет QoS снижал латентность доступа до 5 мс. Технология предоставляет услуги целевой рассылки, широковещательного сервиса. Параллельно используют частотный, временной методы дуплексирования канала. Увеличенная ёмкость позволяет снизить цену предоставления услуг (вчетверо перекрывает HSPA).

  1. Загрузка – 50 Мбит/с.
  2. Выгрузка – 25 Мбит/с.

Реальные цифры оказались ниже.

Принципы построения и функционирования сетей lte

LTE включает в себя сеть радиодоступа (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN) и усовершенствованное пакетное ядро (Evolved Packet Core, EPC).

Россия

Директор Yota обещал покрыть (2022) 5 городов в России сетями LTE. Роскомнадзор вместо этого раздал диапазоны WiMAX (запуск состоялся 30 августа). Когда нестыковку обнаружили, чиновники отметили возможность использования выделенного ресурса под организацию LTE.

3 марта 2022 года новый оператор инициировал подписание меморандума-прошения крупнейшими отечественными провайдерами сотовой связи. Одновременно Yota предложил арендовать новую создаваемую сеть «четвёртого» поколения. Параллельно (2022) биржевыми маклерами выставлены опционы.

15 сентября 2022 года МТС покинула консорциум. 20 декабря первая LTE сеть порадовала инженеров Новосибирска, 16 апреля новинку представили жителям. Сегодня все провайдеры снабжены лицензиями, каждый начал предоставлять услуги связи четвёртого поколения.

Читайте про операторов:  "ГудЛайн": отзывы. Мобильная связь

Синхронизующие последовательности

Абонентское устройство при подключении к сети проходит процедуру поиска ячейки, состоящую из нескольких стадий синхронизации, на которых определяются параметры времени и частоты, необходимые для демодуляции нисходящих сигналов и трансляции с правильной временной меткой, а также основные системные параметры.

В процессе синхронизации абонентское устройство последовательно детектирует два широковещательных сигнала: первичную (Primary Synchronization Sequence, PSS) и вторичную синхронизирующую последовательность (Secondary Synchronization Sequence, SSS).

Они содержат информацию о значении времени и частоты и позволяют получить общие параметры системы, такие как идентификатор ячейки, длина циклического префикса и режим доступа (FDD или TDD). На этой стадии может производиться декодирование сигнала PBCH для получения важной информации о системе (см. ниже).

Синхросигналы передаются дважды в течение одного радиокадра. Данные PSS располагаются в последнем OFDM-символе первого и 11-го слота кадра. Это позволяет абонентскому устройству определять границы слота независимо от типа циклического префикса. Сигнал PSS одинаков для всех ячеек сети.

Данные SSS располагаются в радиокадре перед полем PSS. Абонентское устройство распознает длину циклического префикса по позиции SSS.

В частотной области PSS и SSS занимают 6 центральных ресурсных блоков независимо от полосы канала. При таком подходе синхронизация может производиться даже в том случае, если абонентское устройство не получило информацию о диапазоне используемых частот.

Структура сети lte

Структура сети LTE приведена на рис. 2.  Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети P-GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами.

Рис. 2. Структура сети LTE

Упрощенная архитектура сети lte

Сеть LTE построена как совокупность новых базовых станций eNB (Evolved NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены  между собой интерфейсом Х2. eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1. На рис.1 показано взаимодействие новых элементов в архитектуре сети:

Рис. 1. Упрощенная архитектура сети LTE

В сети радиодоступа радиоинтерфейс между UE и eNB осуществлен на основе технологии ортогонального частотного разнесения (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDMA). Работа EPC основана на технологии IP. Такую структуру относят к All-IP Network (AIPN).

Функции enodeb (evolved nodeb)

eNodeB  объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения:

– обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу,

– управляет распределением радиоресурсов,

– обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,

– поддерживает синхронизацию передач и контролирует  уровень помех в соте,

– обеспечивает шифрацию и целостность передачи по радиоканалу,

– выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,

– производит сжатие заголовков IP-пакетов,

– поддерживает услуги мультимедийного вещания,

– при использовании структуры с  усилителями мощности на антенной мачте организует управление антеннами по специальному интерфейсу Iuant.

Интерфейс S1, как показано на рис.2, поддерживает передачу данных с S-GW и сигнализации через ММЕ. Отметим, что eNB может иметь соединения с несколькими S-GW.

Интерфейсы X2 используют для организации хэндоверов между соседними базовыми станциями, в том числе и при балансировке нагрузки между ними. При этом интерфейсы Х2 могут быть логическими, т.е. для их организации не обязательно реальное физическое соединение между eNB.

Функции mme (mobility management entity)

Управляющий блок ММЕ прежде всего поддерживает выполнение процедур протокола Mobility Management: обеспечение безопасности работы в сети при подключении UE и выбор S-GW, P-GW.  ММЕ связан с HSS своей сети посредством интерфейса S6a.

Функции pcrf

Policy and Charging Resource Function (PCRF)по сути представляет собой  управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF.

Книга "Мобильная связь на пути к 6G"Подробнее о технических аспектах функционирования сетей мобильной связи, тарификации, качестве обслуживания и многом другом читайте в книге “Мобильная связь на пути к 6G“.

Функции p-gw (packet data network gateway)

Шлюз для выхода на пакетные сети P-GW организует точку доступа к внешним IP-сетям. Соответственно P-GW  является якорным шлюзом для обеспечения трафика. Если абонент имеет статический IP-адрес, то P-GW его активизирует.

В случае, если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, P-GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту.

В состав P-GW входит PCEF (Policy and Charging Enforcement Function), который входит обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении  через интерфейс Sgi и фильтрацию пакетов данных. При обслуживании абонента в домашней сети функции P-GW и S-GW могут выполнять как два разных, так и одно устройство.

Функции обслуживающего шлюза s-gw:

–  маршрутизация передаваемых пакетов данных,

– установка качественных показателей (Quality of Service, QoS) предоставляемых услуг,

– буферизация пакетов для UE, пребывающих в состоянии Idle Mode,

– предоставление учетных данных для тарификации и оплаты выполненных услуг.

S-GW является якорной структурой, обеспечивающей мобильность абонентов. Каждую работающую UE обслуживает определенный S-GW. Теоретически UE может быть связана с несколькими пакетными сетями; тогда ее будут обслуживать несколько серверов S-GW.

Частотная сетка

Структура выделенных диапазонов имеет сложный вид. Частотное деление получило 40 каналов, временное – 16. Каждый назван уникальным именем, упрощающим идентификацию. Частотные:

Частотное деление

Используются спаренные частоты. Дальнейшее повторяет сказанное выше.

Частотные диапазоны lte, band

Сети LTE (FDD и TDD) работают на разных частотах в разных странах. Во многих странах эксплуатируются сразу несколько частотных диапазонов. Стоит отметить, что не всё оборудование умеет работать на разных “бэндах”, т.е. частотных диапазонах. FDD-диапазоны нумеруются с 1 по 31, TDD-диапазоны с 33 по 44.

В России для сетей 4-го поколения на сегодня используются четыре частотных диапазона:

Частота1800 МГц2600 МГц800 МГц2600 МГц
Номер диапазона по классификации 3GPP372038
Разделение каналовFDDFDDFDDTDD

В качестве примера приведу распределение частот среди основных российских операторов связи в диапазоне LTE2600 (Band7):

Как видим из этой схемы, Билайну досталось всего 10 МГц. Ростелекому тоже досталось только 10 МГц. МТС – 35 МГц в Московском регионе и 10 МГц по всей стране. А Мегафону и Yota (это один и тот же холдинг) досталось аж 65 МГц на двоих в Московском регионе и 40 МГц по всей России!

Через Yota в Москве виртуально работает только Мегафон в стандарте 4G, в других регионах – Мегафон и МТС. В диапазоне TDD по всей России кроме Москвы будут работать телевидение (Космос-ТВ и др.).Полное распределение частот операторов сотовой связи в России см. здесь.

Сети 4G LTE в России

ОператорЧастотный диапазон (МГц) Dw/UpШирина канала (МГц)Тип дуплексаНомер полосы
Yota2500-2530 / 2620-26502×30FDDband 7
Мегафон2530-2540 / 2650-26602×10FDDband 7
Мегафон2575-259520TDDband 38
МТС2540-2550 / 2660-26702×10FDDband 7
МТС2595-261520TDDband 38
Билайн2550-2560 / 2670-26802×10FDDband 7
Теле22560-2570 / 2680-26902×10FDDband 7
МТС1710-1785 / 1805-18802×75FDDband 3
Теле2832-839.5 / 791-798.52×7.5FDDband 20
МТС839.5-847 / 798.5-8062×7.5FDDband 20
Мегафон847-854.5 / 806-813.52×7.5FDDband 20
Билайн854.5-862 / 813.5-8212×7.5FDDband 20

Распределение частот среди операторов по регионам России можно найти здесь.

Для тех, кому трудно запомнить номера диапазонов-бэндов или под рукой нет подходящего справочника, рекомендую небольшое андроид-приложение RFrequence, скриншот которого приведен ниже.

Заключение

На физическом уровне LTE применяются различные технологии для обеспечения высокой скорости передачи данных и эффективного использования спектра. Приемы OFDMA и MIMO позволяют достигать в нисходящем канале скорость передачи 100 Мбит/с, а технология SC-FDMA помогает уменьшить отношение пиковой мощности к средней и позволяет упростить схему абонентских терминалов. Различные методы модуляции и кодирования позволяют увеличить пропускную способность и емкость сети.

Структура физического уровня LTE обеспечивает малые задержки и качественную работу на границах зоны покрытия, а также специальные возможности, такие как динамическое назначение полосы частот, опорные сигналы и управляющие каналы.

Литература

1. Rayal F. An overview of the LTE physical layer.

2. В. Вишневский и др. Технология сотовой связи LTE — почти 4G.

3. Е. Самкова. Увеличение ресурсов сети. Электронные компоненты. №5. 2008.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector