4G технологии. Сходства и отличия

Сети и телекоммуникации №10-11, 2011

Как уже известно, Организация ITU (International Telecommunication Union) на проходившем в Женеве семинаре WRS-10 (World Radio communication Seminar 2010) приняла решение, что термин 4G может применяться к технологиям LTE и WiMAX. Ранее было принято считать, что 4G технологии должны предоставлять сервисы со скоростями от 100 Мб/с. На сегодняшний день продолжаются маркетинговые дебаты о преимуществах LTE или WiMAX. В данной статье мы попробуем разобраться, в чем основные отличия между этими технологиями и чего стоит ожидать в конечном итоге позьзователям.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) основанный на стандарте IEEE 802.16, является беспроводной технологией для предоставления широкого спектра услуг (интернет, голос, видео, передача данных) на большие расстояния. На данный момент применяются стандарты 802.16d и 802.16е. А в январе 2010 года был принят стандарт 802.16m, который разработан с целью улучшения основных показателей. Первые решения, соответствующие стандарту 802.16m ожидаются в 2012 году.

Технология LTE (Long term evolution) эволюционировала от технологий CDMA и UMTS, ее развитием занимается организация 3GPP, которая изначально занималась развитием 3G технологий. Появление LTE явилось ответом на необходимость увеличения скоростей передачи данных мобильных сетей CDMA и UMTS, в виду большого роста трафика мобильных устройств. Т.е. изначально 3GPP разрабатывала усовершенствованные версии CDMA и UMTS:
· Release 99 (Март, 2000): UMTS/WCDMA
· Rel-5 (Март, 2002): HSDPA
· Rel-6 (Март, 2005): HSUPA
· Rel-7 (2007): DL MIMO, IMS (IP Multimedia Subsystem)
И только в январе 2008 года был принят стандарт Rel-8, в котором и появилась терминология “LTE”. Далее были приняты стандарты версии Release 9 и 10. В основе этих рекомендаций лежат передовые радио технологии:
· OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
· Frequency domain equalization
· SC-FDMA (Single Carrier FDMA)
· MIMO (Multi-Input Multi-Output)
· Multicarrier channel-dependent resource scheduling
Fractional frequency reuse

Как можно легко заметить, что почти все перечисленные радио технологии уже применялись на тот момент в мобильном стандарте WiMAX (802.16е), который был принят намного ранее в 2005 году. А в 2008 году насчитывал уже более 200 коммерческих сетей WiMAX.

Если сравнивать обе технологии WiMAX и LTE, мы убедимся, что с технологической точки зрения они имеют минимальные отличия.
С точки зрения архитектуры обе технологии используют протокол IP, что значительно минимизирует капитальные затраты, позволяет гибко предоставлять сервисы, упрощает управление сетью, предоставляет простую интеграцию различных производителей.
Также похожа и структура сетей (рис.1 и рис.2), в которых основные элементы имеют аналогичное функциональное назначение:
· Клиентское устройство (MS/UE)
· Базовая станция (BS/eNodeB)
· Шлюзы (ASN-GW/MME+Serving Gateway)
· Центральный узел (ААА,HA/HSS,PCRF)
· Транспортная сеть на базе протокола IP/MPLS
Система управления




Таблица 1.



Рисунок 2 – топология сети WiMAX



Рисунок 1. Топология сети LTE

Сравнительный анализ основных характеристик существующих на сегодняшний день технологий LTE Rel.8 и WiMAX 802.16e проведен в таблице 1. Из таблицы видно, что обе технологии применяют самые последние инновации радио технологий и не имеют принципиальных отличий.

В технологии LTE на 3-м сетевом уровне используются нестандартные протоколы, пришедшие из технологии 3G, которые закрыты и усложняют процесс интеграции (рис. 3).



Рисунок 3. Сетевые технологии LTE и WiMAX

Сравнительный анализ основных характеристик существующих на сегодняшний день технологий LTE Rel.8 и WiMAX 802.16e проведен в таблице 1. Из таблицы видно, что обе технологии применяют самые последние инновации радио технологий и не имеют принципиальных отличий.

В таблице 2 приведен сравнительный анализ скоростей передачи в канале 10 МГц для технологии LTE Rel.8 и WiMAX.




Таблица 2

Если говорить о скоростях передачи для последних версий обеих технологий LTE Rel.10 (LTE-Advanced) и 802.16m (WiMAX2), то фактически эти данные также приблизительно равны и достигнуты только в лабораторных условиях. Сегодня можно найти много маркетинговой информации о скоростях в 300-400 Мб/с. Такие значения легко рассчитать математически, как показано ниже для технологии LTE.



Рисунок 4 – структура субфрейма нисходящего потока LTE



Рисунок 5 – модуляционная схема для различных типов модуляции

Расчётные 400 Мб/с это теоретическое значение, реальная пропускная способность будет ниже.
Как мы видим, 4G технологии позволяют предоставлять широкополосные сервисы, которые соответствуют современным требованиям рынка. Пользователь мобильных мультимедийных услуг не будет ощущать никакой разницы от того, через какую сеть, LTE или WiMAX, предоставляется сервис.
Однако операторы связи свой выбор 4G технологии смогут реализовать только в рамках лицензии на определённый диапазон частот, что является особой темой для обсуждения.
Так как LTE эволюционировал от 3G сетей UMTS и CDMA, то FDD LTE работает на частотах: 700 МГц (США), 800 МГц (Северная Америка, часть Европы), 900 и 1800 МГц, 1700 и 1900 МГц, 2100 МГц (Европа). TD-LTE работает в диапазонах 2,3 и 2,5 ГГц.

Технология WiMAX продолжает свое развитие в диапазонах 2,3; 2,5; 3,5 ГГц. Более наглядно распределение технологий по частотных диапазонам видно в таблице 3.




Таблица 3

Одним из существенных вопросов при развертывании 4G сетей будет вопрос доступности спектра. По сути, для построения 4G сети необходимо 50-60 МГц для организации, например 5-6 каналов полосой 10 МГц, так как скорости 100 Мб/с и выше возможно добиться в частотном канале от 10 МГц. Поэтому при построении 4G сети проще получить требуемую полосу в высоких диапазонах, которые имеют широкий спектр.

Диапазоны частот до 2100 МГц плотно распределены между GSM, CDMA, UMTS операторами. Наиболее подходящими для новых игроков являются полосы существующих WiMAX операторов (2300; 2500 МГц) и частично UMTS (2100 МГц).
Естественно, что на более низкой частоте радиус соты будет больше, также будут лучше характеристики проникновения радиоволны и работа в условиях отражения, что важно в условиях городской застройки. Но если мы говорим действительно о больших сетях с высокой плотностью абонентов, то и плотность установки базовых станции будет рассчитываться исходя из загрузки базовой станции, а факторы распространения радио волны уже не будут оказывать такого влияния, т.е. легко можно использовать частоты и более высоких диапазонов.

Подводя итоги, еще раз отметим, что с точки зрения технических характеристик технологии 4G не имеют принципиальных отличий. Существенным отличием является только работа в разных частотных диапазонах. В Украине по-разному может сложиться ситуация с внедрением 4G технологий. Операторам, использующим технологию WiMAX 802.16e, проще и дешевле мигрировать к технологии 802.16m. CDMA и 3G операторы, скорей всего, будут внедрять LTE, но нерешенной остается проблема освобождения частот. Также частотные диапазоны LTE в Украине зависят от регуляторной политики, а сети WiMAX развиваются уже несколько лет. Имея многолетний опыт построения сетей WiMAX и партнерство с одним из лидеров на рынке компанией Alvarion, наша компания сможет предоставить решения как 802.16m, так и решения TD-LTE.

Анатолий Шавловский