LTE: без пяти минут 4G

В последнее время аббревиатура LTЕ (Long Term Evolution – долгосрочная эволюция) на слуху. Операторы мобильной связи во всем мире изучают, тестируют и внедряют новый стандарт, обещающий стать действительно глобальным. Чем же он так привлекателен для компаний и какие новые возможности принесет пользователям?

В этом году сотовая связь 2-го поколения отметила свое 20-летие – 1 июля 1991 г. был сделан первый звонок в сети GSM. До 2001 г. мобильные телефоны не умели потреблять и генерировать значительные потоки данных – только звонить. А вот потом в сотовой связи наступила эра мультимедиа. За последнее десятилетие терминалы обросли множеством дополнительных функций для создания или потребления контента, а поскольку основным его хранилищем теперь является Всемирная сеть, все большим спросом стали пользоваться услуги мобильного доступа в Интернет. Добавим сюда увлечение социальными сетями, облачные технологии, вытеснение голосового общения чатами и микроблогами, вспомним о ноутбуках и планшетах с сотовыми модемами – и станет понятно, откуда взялись 2,8 эксабайта (2,8•10^18 байт) мобильного трафика, которые будут сгенерированы в 2011 году. Его было бы намного больше, будь технологии передачи данных совершеннее. Но, кажется, наконец-то мобильный Интернет сможет если не сравняться с проводным, то хотя бы сократить отставание.

История вопроса

GSM и сейчас самый распространенный в мире стандарт сотовой связи. По данным GSA (Всемирной ассоциации поставщиков мобильного телекоммуникационного оборудования), в 234 странах мира работают 838 таких сетей, а число их абонентов превысило 4,4 млрд и увеличивается на 1 млн человек ежедневно.

GSM-сети создавались в первую очередь для голосовых коммуникаций, и с этой задачей они успешно справляются и по сей день. А вот постоянно растущие потребности в передаче данных уже давно превышают возможности технологий GPRS и EDGE. Увеличить пропускную способность мешают сразу несколько факторов. Это и узкая полоса канала связи (всего 200 кГц), и относительно небольшое количество таких каналов на одну базовую станцию (БС), и неудобная для прохождения интернет-пакетов схема разделения канала между несколькими абонентами (TDMA, Time Division Multiple Access), когда они все работают на одной частоте и передают/принимают данные по очереди, каждый в свой интервал времени (тайм-слот). Реальные скорости загрузки 100–200 КБ/с и ощутимые задержки в прохождении пакетов – вот что такое мобильный Интернет в 2G-сетях.

В 2004 году началась глобальная модернизация сотового оборудования до третьего поколения. Европейские операторы выбрали технологию W-CDMA (UMTS), наиболее подходящую для апгрейда существующих сетей GSM, а в США и Юго-Восточной Азии основным стандартом стал CDMA2000 – эволюционное развитие популярных там же cdmaOne или CDMA800. Оба варианта 3G-технологии имеют в основе CDMA (Code Division Multiple Аccess), т. е. кодовое разделение каналов связи. Работает этот метод весьма остроумно: все мобильные аппараты, функционирующие на одном канале связи с БС, получают весь его частотный и временной ресурс, но данные для каждого из абонентов кодируются по-разному, и конечное устройство, зная свой код, выделяет из общего шумоподобного сигнала свою часть. Такой подход позволяет намного эффективнее использовать частотный ресурс канала связи, чем при разделении по времени (TDMA) или частоте (FDMA).

Переработанная подсистема базовых станций обеспечивает следующие преимущества перед GSM/GPRS:

  • как минимум десятикратное увеличение пропускной способности канала;
  • повышенная помехоустойчивость;
  • возможность передачи движущегося абонентского устройства от одной БС к другой постепенно, без разрыва соединения (soft handover);
  • автоматический роуминг между новой и старой сетями оператора.

В самом простом варианте 3G-сеть стандарта UMTS обеспечивает скорость загрузки до 384 Кб/с, а с надстройками HSDPA/HSUPA – от 3,6 до 14,4 Мб/с «вниз» и до 5,7 Мб/с «вверх». Новая версия HSPA+, которую сейчас активно внедряют операторы, обещает до 42 и 11 Мб/с соответственно.

Сейчас в мире 410 сетей UMTS, и все они поддерживают ту или иную реализацию HSPA. Комфорт-ный просмотр веб-сайтов, потоковые аудио и видео, выкладывание в Сеть своих медиаматериалов, навигация с подгрузкой информационных слоев из Интернета, голосовые и видеозвонки через Skype/SIP – вполне посильные задачи для современных 3G-технологий. Более того, трафик данных в них, как правило, превышает голосовой, а значит, структура сети, где мобильный Интернет «сбоку припека», устарела и требует пересмотра. Пришло время четвертого поколения.

Поколение 4

Так что же, в конце концов, такое LTE? Что дает этот стандарт абонентам и чем он столь привлекателен для операторов?

Формат LTE предложил ведущий японский оператор NTT DoCoMo еще в 2004 году. В декабре 2008-го была завершена разработка спецификаций первой версии LTE, которые вошли в Release 8 проекта 3GPP и стали международным стандартом. 3GPP (3rd Generation Partnership Project) – организация, занимающаяся созданием международных стандартов мобильной связи и технологий радиодоступа, использующихся в этих сетях. Наборы утвержденных спецификаций каждого типа именуются релизами (Release). Подробнее см. 3gpp.org.

Итак, LTE – это новый стандарт сотовой связи, основанный на современной технологии радиодоступа E-UTRAN, включающей в себя последние достижения в данной области. Расскажем о некоторых из них. Многоантенная технология MIMO (использование нескольких антенн как на передачу, так и прием) увеличивает устойчивость сигнала к помехам и затуханию, создавая более быстрое и надежное соединение по сравнению с одноантенными системами. OFDM (разделение сигнала на параллельные потоки, передаваемые на нескольких несущих разной частоты) обеспечивает защиту от помех, вызванных многократным отражением сигнала, что очень актуально для больших городов. Ширина полосы канала связи не фиксирована и составляет от 1,4 до 20 МГц, т. е. операторы смогут гораздо эффективнее распоряжаться частот-ным ресурсом. Базовые станции нового формата eNodeB комплектуются встроенными контроллерами, что снимает имеющиеся в GSM/UMTS ограничения по числу БС на один контроллер и позволяет легко расширять инфраструктуру. К тому же у каждой базовой станции есть прямые связи с ближайшими БС и с одним или несколькими шлюзами, которые напрямую соединены с существующей 2G/3G-сетью оператора, сетями других операторов и Интернетом. Поскольку и данные, и голос, и мультимедиаконтент передаются с помощью стандартных интернет-пакетов, структура сети сильно упрощается по сравнению с ее традиционными вариантами. Это уменьшает задержки, ускоряя реакцию интернет-ресурсов на действия пользователя.

Согласно спецификациям 3GPP Release 8, LTE oбеспечивает пиковые скорости до 100 Мб/с от оператора к абоненту и до и 50 Мб/с в обратном направлении при задержках (latency) не более 10 мс. Независимые тесты в сети первого LTE-оператора TeliaSonera показали среднюю и предельную скорости 25 и 45 Мб/с соответственно, что тоже очень неплохо. Теперь мобильный Интернет – не препятствие для онлайн-игр и других критичных к задержкам применений (интернет-аукционы, биржевые торги, IP-телефония).

Распространению сетей UMTS во многих странах помешало то, что подходящие частоты, как правило, заняты (чаще всего военным оборудованием), и требуется дорогостоящая процедура их конверсии. Стандарт LTE поддерживает все выделенные для мобильной связи частотные диапазоны, что позволит операторам хотя бы частично задействовать для новой сети имеющийся частотный ресурс, а также гибко планировать ее, используя, например, частоты 800–900 МГц в малонаселенных районах для наиболее широкого покрытия и 2400–2600 МГц в крупных городах для получения максимальной емкости базовых станций. Абонентское оборудование, соответственно, будет поддерживать несколько рабочих частот, характерных для определенного региона, как и в случае с GSM/3G-устройствами. Еще одна особенность LTE – работа терминалов в сетях 2G/3G там, где нет LTE-покрытия. Причем заявлена возможность перехода из одной сети в другую без разрыва соединения – начав разговор в LTE, вы сможете завершить его в старой GSM-, WCDMA- или CDMA-сети того же оператора, главное, чтобы соответствующий стандарт поддерживался LTE-аппаратом.

Такая гибкость имеет и свои неудобства. Фрагментация абонентских устройств будет больше, чем у 2G/3G-терминалов, поскольку встроить в них поддержку всех стандартов и частот хлопотно, если вообще реально. Вероятно, львиная доля телефонов и модемов будут двухстандартными – LTE + GSM, LTE + CDMA и т. п. в расчете на конкретных операторов или местность. Так, например, для оператора Verizon выпускаются LTE + CDMA-версии планшетов Samsung Galaxy Tab и Tab 10,1. Не очень понятно также, как будет организован роуминг при подобном разнообразии рабочих частот и стандартов.

А поговорить?

С голосом в LTE все не так просто. Операторы, запустившие свои LTE-сети, пока не используют их для голосовой связи, предлагая своим абонентам лишь USB-модемы или нетбуки/планшеты со встроенными адаптерами. Дело не только, да и не столько в том, что на данный момент передача голоса в LTE не стандартизирована. Просто операторам не хватало в первую очередь высокоскоростной передачи данных, вот ее они и реализовали. С голосовой же связью особых проблем нет, всех устраивает нынешнее положение вещей, а потому переводить абонентов на LTE-аппараты (т. е. снова вкладывать деньги) операторы не спешат. Видимо, даже после стандартизации телефония в LTE будет внедрена значительно позже, после некоторого переходного периода (так что Long Term в названии – не случайность). А пока для пользователя LTE ничем не отличается от WiMAX – стандарта передачи данных, опередившего LTE примерно на 3 года.

А как же WiMAX?

Рассказ об LTE был бы неполным без упоминания о главном конкуренте. Начиная с 2006 года в мире довольно активно строились сети WiMAX (IEEE 802.16d) и Mobile WiMAX (IEEE 802.16e). Второй вариант стандарта обеспечивает незаметный для абонента переход от одной базовой станции к другой, что позволяет покрыть единой сетью целый мегаполис или даже страну. В основе WiMAX лежат те же технологии MIMO и ODFM. Это полноценные IP-сети, поддерживающие концепцию Tripple Play: данные + телекоммуникации (VoIP) + мультимедиа (IPTV). Теоретическая ширина канала от провайдера к абоненту – до 40 Мб/с, но, как и в случае с LTE, практика сильно отличается от теории – реальные значения у украинских провайдеров примерно 6–8 Мб/с. На октябрь 2010 года таких сетей было запущено, по данным WiMAX Forum, свыше 592 в более чем 148 странах.

Этот стандарт иногда называют «Wi-Fi на стероидах» – по сути, от Wi-Fi он отличается лишь дальностью связи. Изначально задуманный как замена кабелям и оптике на «последней миле», он чаще всего так и используется: для стационарного доступа в Интернет, а также для связи между базовыми станциями и опорной сетью оператора. Мобильное применение WiMAX ограничено ноутбуками (и единичными моделями планшетов), а вот более портативные устройства (смартфоны/коммуникаторы) с поддержкой IEEE 802.16x до сих пор можно пересчитать по пальцам, причем для голосовой связи они используют все те же GSM- или CDMA-сети, поскольку как самостоятельная услуга она стандартом WiMAX не предусмотрена. К тому же все предназначенные для WiMAX частоты лежат выше 2,4 ГГц, а значит, организовать сплошное покрытие больших территорий будет проблематично. Получается, что WiMAX – нишевая технология, и следующее поколение WiMAX 2 вряд ли заметно расширит область ее применения.

Несмотря на 3-летнюю фору, WiMAX не удалось завоевать мир, и вряд ли уже удастся. Согласно исследованию, проведенному в сентябре того же 2010 года компанией Blycroft Publishing, из вышеупомянутых почти 600 сетей реально работали только 364.

WiMAX активно вытесняется новым стандартом LTE и даже с более старыми технологиями конкурировать не в силах. Вот несколько примеров.

В Южной Корее во втором квартале 2006 года была запущена сеть WiMAX, а в третьем, т. е. на несколько месяцев позже, – HSPA. К концу 2008 г. HSPA имела свыше 8 млн або-нентов, а WiMAX – всего 350 тысяч. Потому что большая часть пользователей HSPA перешли из 2G- и 3G-сетей благодаря операторским скидкам на обновление своих аппаратов, а провайдеру WiMAX пришлось набирать абонентов с нуля, предлагая им еще одно устройство наряду с уже имеющимся телефоном/смартфоном, еще один лицевой счет, службу поддержки и т. п.

В марте сего года крупнейший в мире российский WiMAX-оператор Yota отказался от этого стандарта и начал масштабное строительство всероссийской сети LTE в содружестве с четырьмя операторами сотовой связи (съесть этот пирог в одиночку ему не дали).

А совсем недавно компания RIM разослала представителям прессы электронное письмо, в котором объявила о намерении сконцентрироваться на поддержке LTE в своих продуктах. Логично предположить, что анонсированная версия планшета PlayBook c WiMAX так и не будет выпущена – ее заменит модель с LTE.

Выводы

Судя по всему, LTE имеет все шансы стать единой глобальной технологией сотовой связи и мобильного Интернета. Этому способствуют и гибкость стандарта, и возможность его постепенного внедрения, и впечатляющие перспективы для пользователей. Операторами в 62 странах запланировано развертывание 166 сетей LTE, около 20 из них уже успешно работают.

Украинские перспективы LTE пока неясны. Необходимым частотным ресурсом в диапазоне 2,5–2,7 ГГц располагает только компания «ММДС-Украина», которая, по слухам, может быть выкуплена российским оператором Yota. GSM-операторы заинтересованы во внедрении LTE, но неизвестно, как скоро им удастся получить соответствующие лицензии.