LTE (Long Term Evolution)

LTE (w podstawowej wersji) jest często określana jako technologia spełniająca założenia 3.9G lub Super 3G. Jak widać, określenie to sugeruje, że standard ten nie jest w pełni zgodny ze specyfikacją sieci czwartej generacji. Z tego powodu trwają pracę nad LTE Advanced – więcej informacji na ten temat znajdziemy w dalszej części artykułu.

Jedną z największych zalet LTE są poszerzone możliwości związane z wprowadzaniem dodatkowych, atrakcyjnych dla użytkownika usług, które z racji rozwoju technologii komunikacyjnych zdobywają sobie coraz większą popularność. Mowa przede wszystkim o multimediach przesyłanych do odbiorcy strumieniowo (VoIP, wideokonferencje, VOD), co wymaga oczywiście sporej prędkości łącza.

Motywacje wprowadzenia standardu LTE są wielopłaszczyznowe.:

  • zapewnienie konkurencyjności dla standardów 3G,

  • spełnianie zapotrzebowania użytkowników na wyższe szybkości transmisji danych i lepszą jakość usług,

  • redukcja kosztów przypadających na jeden bit danych,

  • optymalizacja systemu pod względem przełączania pakietów i zużycia mocy,

  • zapewnienie mniejszej złożoności sieci i bardziej otwartego interfejsu,

  • redukcja kosztów utrzymania i administracji,

  • unikanie fragmentacji technologii.

Wymagania nałożone na standard LTE zostały określone w dokumencie wydanym przez konsorcjum 3GPP. Prezentują się one następująco:

  • zastosowanie 4x4 MIMO,

  • maksymalna prędkość: Uplink – 50 Mb/s, Downlink – 100 Mb/s (przy szerokości kanału 20 MHz),

  • minimalnie 200 użytkowników dla każdej komórki,

  • opóźnienie małych pakietów: poniżej 5 milisekund

  • optymalny zasięg: do 5 kilometrów

  • praca w trybach: FDD (Frequency Division Duplex), TDD (Time Division Duplex)

  • zachowanie wysokich parametrów łącza dla użytkowników w ruchu do 120 km/h,

  • metody wielodostępu: OFDMA dla Downlinku, SC-FDMA dla Uplinku,

  • 3 rodzaje modulacji: QPSK, 16QAM, 64QAM.


Różnice w stosunku do 3G

Podstawowe różnice pomiędzy standardami trzeciej generacji (WCDMA, HSDPA/HSUPA, HSPA+), a LTE dotyczą maksymalnych przepływności – zarówno jeśli chodzi o Downlink jak i Uplink. Różnice łatwo zobaczyć, porównując kolejne specyfikacje. Kolejną istotną kwestią jest opóźnienie, zredukowane do około 10 milisekund. Następna istotna kwestia to metoda wielodostępu, która z CDMA została zmieniona na OFDMA / SC-FDMA (w zależności od kierunku transmisji). Co więcej, LTE jest standardem opartym w pełni o protokół IP (zarówno w wersji 4 jak i 6).


Kanały

Podczas prowadzenia transmisji niezbędne są odpowiednie kanały, odpowiedzialne za kontrolę przepływu danych oraz prawidłowe wykonywanie transmisji – można je podzielić na trzy kategorie – fizyczne, logiczne, transportowe. Warto spojrzeć na bardziej szczegółowe zestawienie:

 

Kanały fizyczne

Downlink

Uplink

  • Physical Broadcast Channel,

  • Physical Control Format Indicator Channel,

  • Physical Downlink Control Channel,

  • Physical Hybrid ARQ Indicator Channel,

  • Physical Downlink Shared Channel,

  • Physical Multicast Channel,

  • Physical Control Format Indicator Channel.

  • Physical Uplink Control Channel,

  • Physical Uplink Shared Channel,

  • Physical Radio Access Channel.

 

Kanały logiczne

Kanały kontrolne

Kanały przepływu

  • Broadcast Control Channel,

  • Paging Control Channel,

  • Common Control Channel,

  • Multicast Control Channel,

  • Dedicated Control Channel.

  • Dedicated Traffic Channel,

  • Multicast Traffic Channel.

 

Kanały transportowe

Downlink

Uplink

  • Broadcast Channel,

  • Downlink Shared Channel,

  • Paging Channel,

  • Multicast Channel.

  • Uplink Shared Channel,

  • Random Access Channel.


Techniki

Możliwości LTE byłyby trudne do osiągnięcia bez szerokiej gamy pomocniczych technologii, . Wśród nich znajdują się między innymi:

 

  • HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) – protokół odpowiedzialny za bezbłędność transmisji danych, przede wszystkim w trudnych warunkach propagacyjnych. Oparty jest między innymi o kody ED (Error Detecting) oraz dane odpowiedzialne za korekcję drobnych błędów (FEC). W przypadku powstania dużych nieścisłości następuje retransmisja danych. W LTE wykorzystywany jest HARQ typu II lub III, który niweluje zasadniczą wadę pierwotnej wersji – jest nią duża zajętość przepustowości przez dane sygnalizacyjne.

  • OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) – technika modulacji, opierająca się na transmisji wielu strumieni danych na ortogonalnych częstotliwościach nośnych. Orthogonal Frequency Division Multiplex wykorzystywany jest w ADSL, VDSL, WiMax czy właśnie LTE. Jest stosunkowo prosty w implementacji. Umożliwia efektywne wykorzystanie pasma oraz kontrolowanie stanu kanału radiowego. W przypadku Uplinku stosowana jest SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access).

  • MIMO (Multiple Input Multiple Output) – technika polega na wykorzystaniu wielu anten (dwie lub więcej) w celu odbioru i wykorzystania sygnałów dochodzących do odbiornika (tj. telefonu komórkowego lub innego urządzenia) różnymi drogami. MIMO niweluje problemy spowodowane wielodrogowością, poprawiając jednocześnie jakość sygnału. W LTE zazwyczaj używa się dwóch par anten – jednej do nadawania, drugiej do odbioru.

  • SAE (System Architecture Evolution) – technologia LTE wprowadziła duże modyfikacje w strukturze szkieletowej sieci. Główne cechy SAE to: zwiększona pojemność, oparcie całkowicie o protokoły IPv4 i IPv6, zmniejszenie opóźnień, minimalizacja kosztów utrzymania i rozwoju systemu. Co ciekawe, architektura jest łatwa w modyfikacji i dostosowaniu do potrzeb LTE Advanced. Modyfikacje wprowadzone przez SAE pozwalają na korzystanie z większych przepustowości bez nadmiernego obciążenia szkieletu sieci.

  • SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access) – technologia zbliżona do OFDMA, wykorzystująca jedną nośną. W LTE stosowana jest w Uplinku.

  • SON (Self-Organizing Networks) – jak sama nazwa wskazuje, technologia zapewnia pewnego rodzaju inteligencję w sieci – część operacji dotyczących optymalizacji, organizacji i konfiguracji działania sieci jest wykonywana samoczynnie. Wspomniane właściwości sprawiają, że koszty natury administracyjnej (naprawa, nadzór) zostają zredukowane.


Architektura

Architektura LTE jest częściowo oparta o starsze technologicznie rozwiązania, zaczerpnięte z GSM i WCDMA. Główne założenia wymienione w specyfikacji standardu pociągnęły jednak za sobą zmiany, dążące do zwiększenia pojemności i przepustowości sieci. Strukturę SAE można obrazowo podzielić na część radiową i szkieletową (core).

Główne cechy architektury:

  • optymalizacja struktury z dwoma typami węzłów,

  • odpowiedzialność stacji bazowych za analizę obciążenia, kontrolę użytkownika i zasobów radiowych, charging i inne zadania,

  • za zarządzanie zasobami radiowymi odpowiedzialne są stacje bazowe (eNodeB),

  • oparcie rozwiązań o protokół IP w wersjach 2 i 4,

  • brama i punkt przyłączenia są wspólne dla wszystkich technologii,

  • współpraca z WiMAX i innymi.


LTE-Advanced

Trwają prace nad technologią LTE-Advanced, która ma być naturalnym rozwinięciem LTE. Głównym założeniem projektowym jest spełnianie wymogów ITU określających cechy technologii IMT-Advanced.

Zasadnicze cechy LTE-Advanced:

  • współpraca z LTE i innymi technologiami (w tym łatwość dokonania zmiany pomiędzy LTE a LTE-Advanced),

  • zgodność technologiczna z LTE,

  • spełnianie wszystkich wymogów dotyczących IMT-Advanced (technologia ta ma stać się pierwszą telefonią czwartej generacji).


Specyfikacja

Główne założenia techniczne związane z LTE-Advanced:

  • Przepustowość do abonenta: 1 Gbps,

  • Przepustowość od abonenta: 500 Mbps,

  • Maksymalna szerokość pasma dla Downlinku: około 100 [MHz],

  • Maksymalna szerokość pasma dla Uplinku: 40 [MHz],

  • Opóźnienie: dotyczące sterowania –> poniżej 50 milisekund, dotyczące użytkownika –> 5 – 10 milisekund;

  • Wydajność widmowa: 30 [bps/Hz] dla Downlinku, 15 [bps/Hz] dla Uplinku;

  • Praca w różnych pasmach,

  • Zasięg: do około jednego kilometra,

  • Mobilność: taka sama jak w LTE,

  • Pojemność: 3 razy większa niż w LTE.


Implementacje i rozwiązania komercyjne

Niezbędne komponenty do budowy sieci LTE są już od kilku lat dostępne na rynku. Pierwsze sieci oparte o ten standard powstały pod koniec roku 2009. Od tego czasu LTE zdobywa coraz większą popularność – nie bez powodów zresztą. Zwiększone możliwości związane z przepustowością, przy jednoczesnym zmniejszeniu kosztu transmisji dla jednostki danych powodują, że operatorzy decydują się na wprowadzenie LTE do swojego portfolio. Szczegółowe informacje znajdują się na witrynach polskich i zagranicznych firm telekomunikacyjnych.


Dodatkowe informacje

Dla osób zainteresowanych jeszcze dokładniejszym zgłębieniem wiedzy na temat specyfikacji i rozwiązań technicznych związanych z LTE, polecamy oficjalną stronę konsorcjum 3GPP. Znajdują się na niej kolejne wydania standardu (oznaczane jako Relase), najnowsze informacje, schematy, zestawienia słów kluczowych i akronimów, a także rozmaite poradniki.