Temat:
Możliwości Aplikacyjne sieci 3G i 4G
Mateusz Ambrozik E3Y4S1
Prowadzone od początku lat 90. XX w. przez Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną (ITU) prace nad standaryzacją systemu komunikacji osobistej zakładały utworzenie jednolitego systemu lądowego dla całego globu, nazywanego początkowo FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System) i działającego w zakresie radiowym 2 GHz. Szybko rozszerzono funkcje i zasięg tego naziemnego systemu globalnego o segment satelitarny i rozwiązania techniczne łączące naziemne systemy telefonii komórkowej z systemami satelitarnej łączności ruchomej.
Do poprawnego współdziałania różnych urządzeń komórkowych 3Gjest konieczna standaryzacja (przez ITU) poszczególnych interfejsów, protokołów komunikacyjnych i funkcji podzespołów systemu IMT-2000 (UMTS). Po uzgodnieniu interfejsów (marzec 1999 r.), ostateczna akceptacja założeń systemu nastąpiła pod koniec 1999 r. Pilotowe systemy komórkowe 3G zaczęły działać w 2001 r. natomiast zakończenie pierwszego etapu wdrażania systemów komórkowych IMT-2000 nastąpiło w 2002 r.
Korzystając z doświadczeń systemu GSM oraz wstępnych założeń FPLMTS, z uwzględnieniem różnych zastosowań, opracowano kolejny standard światowego systemu radiokomunikacyjnego, oznaczonego IMT-2000 (International Mobile Telecommunications). Zakończenie długiego procesu normalizacji i zatwierdzenie standardu IMT-2000 przez ITU nastąpiło w 1999 r.
Ze względu na zbyt duże różnice występujące w infrastrukturze sieci eksploatowanych w poszczególnych częściach świata oraz różne zajętości pasm radiowych postanowiono, że systemy globalne będą funkcjonowały w kilku odmianach regionalnych (Europa, USA, Japonia, Chiny, Korea). jednocześnie zachowano możliwie wiele wspólnych cech i wymagań ogólnych systemu IMT-2000 o wysokiej przepustowości, także odnośnie podstawowych zakresów częstotliwości ustalonych przez ITU. Największe odstępstwa od standardu i związane z tym kłopoty, wynikające z wcześniejszego zagospodarowania podstawowych zakresów częstotliwości na inne potrzeby, występują w USA.
Zmodyfikowaną wersję uniwersalnego standardu IMT-2000 o nazwie UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), przeznaczonego do stosowania na kontynencie europejskim, przedstawiła (1997 r.) organizacja normalizacyjna ETSI. Zawarto w niej większość propozycji systemu IMT-2000 w prawie nie zmienionej postaci, chociaż modyfikacje dotyczą nie tylko pasm częstotliwości. Projekt stanowi de facto konwergencję wielu dotychczas działających sieci, przez połączenie istniejących systemów naziemnych (dyspozytorskich, komórkowych, przywoławczych) z systemami satelitarnymi. W rezultacie indywidualny abonent mobilny (ruchomy) otrzymał nową jakość usług multimedialnych o przepływności od 64 do 384 kb/s, rozszerzanych w środowisku lokalnym do 2 Mb/s.
Zgodnie z ustalonym przebiegiem prac standaryzacyjnych w wymaganiach na sieć osobistą trzeciej generacji IMT-2000 określono ostatecznie trzy projekty interfejsów radiowych dla systemów 3G, obejmujące rozwiązania:
interfejs radiowy naziemnego standardu UTRA (UMTS Terrestial Radio Access) – rekomendowanego przez ETSI dla europejskich systemów UMTS;
interfejs radiowy cdma2000 – stanowiący rozwinięcie dotychczasowego standardu IS-95 według TIA (Telecommunications Industry Association) - z przeznaczeniem do stosowania w USA;
interfejs radiowy UWCC-136, będący ewolucyjnym rozszerzeniem istniejącego standardu IS-136 - rekomendowany przez UWCC (Universal Wireless Communications Consortium) dla USA.
Celem procesu standaryzacji 3G było opracowanie założeń jednolitego globalnego systemu komunikacyjnego IMT-2000 (UMTS w Europie), umożliwiającego komunikację szerokopasmową (do 2 Mb/s) użytkownikom mobilnym, z uwzględnieniem lokalnych warunków eksploatacji pasma radiowego w poszczególnych regionach. Ponieważ dominującym systemem 2G na świecie stał się europejski system GSM, to w nowych założeniach dla IMT/UMTS utrzymano ewolucyjne przechodzenie od dotychczasowej telefonii drugiej generacji GSM do systemów 3G.
Istotnym elementem sieci komórkowych trzeciej generacji w europejskiej wersji UMTS jest hierarchiczna infrastruktura komórek dostępowych o różnym zasięgu i następujących cechach systemowych:
ujednolicony system oferuje usługi dostarczane dotąd przez oddzielne systemy radiokomunikacyjne, takie jak: komórkowe, dyspozytorskie (PMR), przywoławcze i telefonii bezsznurowej (DECT), oparte na infrastrukturze, która będzie łączyć różnorodne segmenty naziemne i satelitarne;
zróżnicowaną ofertę usług, od mowy po różnego rodzaju usługi multimedialne – łączących przekaz głosu (kodowanie do 8 kb/s), danych (faksy), dźwięku i obrazu (stałego i ruchomego);
dostęp do usług szerokopasmowych o większych przepływnościach niż w GSM – w preferowanym zakresie od 144 kb/s do 2 Mb/s, przy czym największe szybkości transmisji są dostępne jedynie lokalnie na terenach miejskich oraz intensywnie eksploatowanych głównych szlakach komunikacyjnych;
komunikacja z mobilnymi użytkownikami systemu ma przebiegać poprawnie, niezależnie od miejsca przebywania abonentów i czasu prowadzonej usługi, a także w różnych środowiskach. Przełączanie między wydzielonymi systemami (DECT, [[GSM], UMTS, satelita, inne) dokonuje się automatycznie według uprzednio ustalonych kryteriów.
W koncepcji telefonii komórkowej UMTS, opartej na hierarchii komórek o zmiennej gęstości abonentów i o innym zasięgu niż w systemach GSM, stosuje się: pikokomórki obejmujące pojedyncze pomieszczenia i budynki, mikrokomórki instalowane w zespole budynków osiedlowych i kwartałach dzielnicy mieszkaniowej oraz makrokomórki o zasięgu całego miasta, a także megakomórki o zasięgu województwa czy nawet kraju – w satelitarnej wersji przekazu. Poza terenami o największej gęstości abonentów (centra miejskie, skupiska ludności), transmisja jest realizowana przez stacje bazowe 3G z maksymalną szybkością 384 kb/s (tereny podmiejskie i wiejskie), a także za pośrednictwem przejściowej technologii komórkowej GPRS/EDGE (2,5G). Na terenach bardzo słabo zaludnionych nadal są stosowane technologie bezprzewodowe GSM, łącznie z transmisją satelitarną,podczas gdy łączność komórkowa z pojazdami samochodowymi w ruchu nie przekroczy przepływności 128 kb/s.
Liczny zbiór szybkości transmisji, od 1 kb/s do 144 kb/s (globalnie) i od 384 do 2 Mb/s (lokalnie), w połączeniu z jakością, jaką oferują sieci stacjonarne, i wielostopniową ochroną kryptograficzną, stał się dostępny w różnych środowiskach propagacyjnych. Segment naziemny standardowo obejmuje środowiska miejskie, wiejskie i górskie, a także wnętrza budynków. Segment satelitarny zapewnia dostęp do usług na obszarach pustynnych, morzach i oceanach oraz obszarach górskich – gdzie brak jest naziemnej infrastruktury telekomunikacyjnej.
Aplikacje szerokopasmowe 3G
Oferta nowych usług w systemie UMTS jest zróżnicowana, co jest związane z możliwością dostępu do szerokiego pasma. SystemUMTS jest bowiem optymalizowany nie pod kątem transmisji mowy, lecz globalnych i zróżnicowanych przekazów multimedialnych, co stanowi kolejną istotną różnicę w ofercie usług między systemami cyfrowymi starszej generacji (2G) a systemami trzeciej generacji (3G). Usługi 3G stały się dostępne za pomocą jednego (fizycznie) wspólnego terminalu działającego w różnych środowiskach sieciowych, zarówno wewnątrz pomieszczeń (na wzór terminali systemu DECT), jak i na zewnątrz budynków, także w pojazdach.
Terminale i telefony 3G nie są jednak wyraźnie zestandaryzowane, co oznacza, że powstają bardzo zróżnicowane terminale wideofoniczne, nie tylko pod względem oferowanych funkcji ale i ich ergonomii. Ich przyszłość wiąże się przede wszystkim z rozwojem kamer cyfrowych, syntezą i rozpoznawaniem mowy, modernizacją systemów rozpoznawania obrazów oraz z ciągłą miniaturyzacją komunikatorów PDA, pozycjonerów GPS, laptopów i browserów internetowych.
Zgodnie z przyjętymi założeniami systemy 3G mają cechy sieci globalnej i uniwersalnej. Globalny charakter sieci UMTS oznacza, że abonent tego systemu ma ciągłość oferowanych mu usług telekomunikacyjnych - czyli taki sam zestaw usług, personalizację, numerację, identyfikację, a także przenoszenie połączeń (roaming) między operatorami, przełączanie kanałów (handover) i wiele innych funkcji, niezależnie od miejsca, gdzie się znajduje i który typ sieci jest jego bazą macierzystą.
Rekomendowany koder mowy AMR w systemie UMTS |
---|
Tryb pracy kodera |
AMR 12.20 |
AMR 10.20 |
AMR 7.95 |
AMR 7.40 |
AMR 6.70 |
AMR 6.70 |
AMR 5.90 |
AMR 5.15 |
AMR 4.75 |
AMR SID |
FPLMTS
FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System) – podstawowy standard w telefonii komórkowej trzeciej generacji (3G). Miał zapewnić dostęp do bardzo rozległego zestawu usług i umożliwić ogólnoświatowy zasięg (roaming). Obecnie nazwa FPLMTS nie jest już stosowana – zastąpił ją termin IMT-2000(International Mobile Telecommunications 2000).
Proces standaryzacji
Proces standaryzacji IMT-2000
Prace nad opracowaniem systemu telefonii trzeciej generacji rozpoczęły się na początku lat 90. W 1992 r. podczas Światowej Administracyjnej Konferencji Radiowej (WARC 92) zorganizowanej przez ITU, określono podstawowe założenia systemu i wstępne pasma częstotliwości dla telefonii komórkowej trzeciej generacji 3G. Zgodnie z przyjętą przez ITU uchwałą oraz z postanowieniami odbytej w 1995 r. Światowej Konferencji Radiokomunikacyjnej (WRC 95) ustalono, że wstępne wdrożenie architektury naziemnej powinno nastąpić około roku 2001. W 1997 r. Europejska organizacja normalizacyjna ETSI przedstawiła dla kontynentu europejskiego założenia odmiany regionalnej IMT-2000 czyli systemu UMTS. Standard IMT-2000 został oficjalnie zatwierdzony na światowej konferencji radiotelekomunikacji (WRC 2000) w Stambule, gdzie pracowała nad nią grupa robocza WP-8.
Założenia standardu IMT-2000
Podczas tworzenia standardu IMT-2000 ujednolicono wymagania stawiane systemowi i określono podstawowe założenia, które ma on spełniać:
szybkość transmisji danych różna w zależności od odległości od stacji bazowej i od szybkości przemieszczania się terminala:
do 2Mb/s – kiedy terminal znajduje się maksymalnie 0,2 km od stacji bazowej (środowisko pikokomórkowe) i nie porusza się;
do 348 kb/s – odległość do 2km od stacji bazowej (środowisko mikrokomórkowe) i prędkość poruszania się terminala do 120 km/h;
do 144 kb/s – odległość powyżej 2km (środowisko makrokomórkowe) i prędkość powyżej 500km/h;
zapewniony dostęp do internetu;
komunikacja zarówno w trybie komutacji łączy jak i pakietów;
wysoka jakość transmisji mowy;
udostępnienie abonentowi różnych usług (także multimedialnych i czasu rzeczywistego) zintegrowanych razem i dostępnych na całym świecie:
System nawigacji;
System lokalizacji;
System informacji o zagrożeniach;
System informacji dla pagerów;
Gazeta elektroniczna, książka elektroniczna, tele-zakupy;
Wideo na żądanie, interaktywna telewizja;
Muzyka na żądanie, karaoke na żądanie;
Serwis informacyjny;
Baza danych, poczta e-mail;
Wideo konferencje;
Telefon mobilny, wideo telefon;
roaming światowy;
globalne pokrycie radiowe dzięki zastosowaniu systemu satelitów;
umożliwienie jednoczesnej realizacji różnych usług;
efektywne wykorzystanie dostępnego zakresu częstotliwości;
skuteczne zabezpieczenia przekazywanych informacji;
architektura umożliwiająca dalszą rozbudowę powiązaną z postępem technologicznym;
skalowalność sieci;
przenoszalność wstecz (tzn. dostępność terminali umożliwiających pracę w systemach zarówno drugiej jak i trzeciej generacji);
integracja różnych sieci wewnątrz sieci 3G:
Sieci łączności bezprzewodowej;
Radiowych sieci PABX;
Radiowych sieci LAN;
Radiowych sieci dostępowe WLL;
Radiowych niepubliczne sieci dyspozytorskie PMR;
Sieci przywoławczych;
Różne koncepcje dostępu radiowego w IMT-2000
Początkowo system IMT-2000 miał na całym świecie pracować na tych samych zasadach (te same zakresy częstotliwości, zasady dostępu do łącza) jednakże z uwagi na zbyt duże różnice występujące między infrastrukturą sieci w poszczególnych częściach świata i różne zajętości przeznaczonych dla 3G pasm radiowych postanowiono, że system będzie funkcjonował w kilku odmianach regionalnych: europejskiej, amerykańskiej, japońskiej, chińskiej i koreańskiej.
Standaryzacją odmiany Europejskiej zajął się Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI). Zaproponował on koncepcję interfejsu radiowego oznaczoną jako UTRA, na którą składają się dwie techniki transmisji szerokopasmowej z wielodostępem kodowym (WCDMA) przeznaczone dla różnych zakresów częstotliwości: IMT-DS (opierająca się na technice CDMA z rozpraszaniem bezpośrednim) i IMT-TC (technika TD-CDMA czyli połączenie wielodostępu kodowego i czasowego). Dalszą pracę w tym zakresie przejęła organizacja 3GPP. Włączyła ona też do swojej pracy opracowaną przez ETSI technikę oznaczoną jako IMT-FT (łącze radiowe systemu telefonii DECT).
W Ameryce komitet standaryzacyjny T1P1 zaproponował system wielodostępu kodowego z wykorzystaniem wielu nośnych CDMA2000 (rozwinięcie systemu CDMA w standardzie nazwane IMT-MC) oraz oparty na techniceTDMA system UWC-136 (ewolucja systemu IS-136 w standardzie nazwana IMT-SC). IMT-MC jest dalej rozwijane przez organizację 3GPP2.
Nad standardem japońskim pracowało stowarzyszenie ARIB (Association for Radio Industries and Businesses). Ponieważ ich plany także opierały się na standardzie WCDMA, w końcowym okresie przyłączyli się do ETSI w ramach organizacji 3GPP.
Także koreańskie stowarzyszenie TTA (Telecommunications Technology Association) zaproponowało wykorzystanie techniki WCDMA jednakże o nieco innej koncepcji interfejsu radiowego.
Techniki transmisji radiowej w IMT-2000
Po opracowaniu wszystkich tych technik ITU połączyło zbliżone propozycje i zdefiniowało pięć podstawowych technik transmisji radiowej, które będą stosowane w systemie IMT-2000. Są to:
Dzięki zróżnicowaniu tych technik ułatwione zostanie przechodzenie abonentów z sieci drugiej generacji (GSM) do systemu IMT-2000.
Zakres częstotliwości wykorzystywany w systemie
Ostateczna wersja zasobów widmowych dla systemu IMT-2000 została oficjalnie zatwierdzona w roku 2000 na Światowej Konferencji Radiowej. Zawierają się w czterech przedziałach:
Zakres częstotliwości używanych w standardzie IMT-2000
od 806 MHz do 960 MHz,
od 1710 MHz do 2025 MHz,
od 2100 MHz do 2200 MHz,
od 2500 MHz do 2690 MHz,
Przedziały 806 MHz – 960 MHz, 1710 MHz – 1885 MHz oraz 2500 MHz – 2690 MHz mają być udostępnione systemowi IMT-2000 dopiero w przyszłości dlatego na dzień dzisiejszy bierze się pod uwagę tylko górną połowę przedziału drugiego i przedział trzeci. Wewnątrz wszystkich zakresów wydzielono podzakresy zarezerwowane na transmisje satelitarne:
od 1980MHz do 2010MHz,
od 2170MHz do 2200MHz,
od 2500MHz do 2520MHz,
od 2670MHz do 2690MHz,
Problem polega na tym, że tylko Chiny mogą w pełni przeznaczyć obecnie dostępne pasma dla systemu IMT-2000. W pozostałych krajach część tych pasm jest zajęta przez inne systemy telekomunikacyjne. W Europie pasmo 1885-1900 jest zajęte przez system DECT, w USA w pasmach 1885-1910 i 1930-1990 pracuje system GSM, natomiast w Japonii i Korei pasmo do 1919MHz jest zajęte przez PHS. Docelowo jednak wszystkie zasoby widmowe określone w 2000 roku mają być wykorzystywane w systemie IMT-2000.
Podsumowanie
Standard IMT-2000 pomimo różnych, lokalnych metod dostępu do łącza radiowego ma pewne cechy, które charakteryzują go jako całość. Są to między innymi:
konieczność spełniania założeń opisanych w punkcie drugim,
takie same rozwiązania techniczne, terminale i architektura sieci naziemnej na całym świecie,
podobieństwo właściwości sygnału w łączu radiowym dla różnych technik transmisji,
wykorzystanie na całym świecie prawie tego samego zakresu częstotliwości.
Na dzień dzisiejszy istnieje jeszcze wiele problemów związanych z tym aby założenia te zostały spełnione na całym świecie. Największe chyba kłopoty wynikają z wcześniejszego zagospodarowania podstawowych zakresów częstotliwości na inne potrzeby – przykładem może być Ameryka.
UMTS (ang. Universal Mobile Telecommunications System, pol. Uniwersalny System Telekomunikacji Ruchomej[1]) – najpopularniejszy obecnie standard telefonii komórkowej trzeciej generacji.
Sieci budowane na bazie tego standardu oferują swoim użytkownikom możliwość wykonywania połączeń głosowych, wideorozmów, wysyłania wiadomości tekstowych oraz przesyłania danych. Dzięki zaimplementowanym w nich technologiom HSDPA i HSUPA (będących częścią standardu UMTS) użytkownicy mogą uzyskać transfer z przepływnością 21,6 Mbit/s podczas odbierania informacji i 5,76 Mbit/s podczas wysyłania danych.
UMTS jest następcą standardu GSM (oba standardy są rozwijane przez konsorcjum standaryzacyjne 3GPP), podczas jego projektowania pozostawiono bez większych zmian sieć szkieletową, wprowadzono natomiast zasadnicze zmiany w sieci radiowej. Dzięki nowemu interfejsowi radiowemu, możliwe jest lepsze wykorzystanie dostępnych zasobów radiowych, zapewnienie lepszego współczynnika Quality of Service i zaoferowanie lepszej przepływności danych. Najpopularniejszą technologią używaną dla potrzeb dostępu do sieci radiowej jestWCDMA dlatego często używa się określenia sieci WCDMA zamiennie z sieci UMTS (często stosuje się też nazwy typu sieci HSDPA dla sieci budowanych w standardzie UMTS, które mają zaimplementowaną tę technologię).
Sieci w obu standardach mogą ze sobą współpracować, dostępne są telefony pracujące zarówno jako terminale GSM jak i UMTS, możliwy jest handover (czyli przeniesienie aktywnego połączenia bez zrywania rozmowy/transmisji) pomiędzy oboma rodzajami sieci dla poruszającego się użytkownika. Usługi dostępne w sieciach GSM są też dostępne w UMTS, większość usług zdefiniowanych dla użytkowników UMTS jest dostępna (niektóre z gorszą jakością) po zalogowaniu się do sieci GSM. Ponieważ GSM jest obecnie najpopularniejszym standardem sieci komórkowych, UMTS okazał się najczęściej wybieranym rozwiązaniem, na którym oparto budowę sieci trzeciej generacji.
W drugim kwartale 2008 istniało około 230 sieci w standardzie UMTS zbudowanych w ponad 90 krajach, zarejestrowanych było ponad 235 mln subskrypcji, co stanowiło około 70% rynku systemów 3G[2].
Sieć 4G
Sieć 4G – technologia oparta na sieci radiowej o szybkim przesyle i wielofunkcyjnych punktach nadawczo-odbiorczych, funkcjonująca w paśmie 1800 MHz. Główną cechą odróżniającą 4G od swojej poprzedniczki (3G) jest szybkość transferu pomiędzy urządzeniami. Sieć czwartej generacji oferuje prędkość mobilnego Internetu na poziomie 100 Mb/s, a wysyłanie pakietów odbywa się z prędkością powyżej 25 Mb/s. Technologia umożliwia użytkownikom m.in.: ultraszybki dostęp do Internetu, zindywidualizowaną telefonię, dostęp do nowoczesnych serwisów z multimediami oraz grami[1].
Początki technologii 4G
Początki prac nad rozwojem sieci 4G sięgają 2000 roku, kiedy to okazało się, że ruch sieciowy na obszarze nadawca-odbiorca jest zbyt duży. Właściwe działanie systemu czwartej generacji rozpoczęło się w 2008 roku. Wówczas Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny (ITU-R) ustalił standardy, po spełnieniu których technologia może otrzymać certyfikat 4G. Opublikowane wymogi noszą nazwę IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications Advanced)[2].
Zalety sieci 4G
istotne przyspieszenie możliwości transferowych,
rzadkie występowanie przestojów i błędów transferu,
nawet 10-krotnie szybszy czas reakcji w porównaniu do 3G,
przebudowa systemu z trzeciej generacji na czwartą nie wymaga całkowitej modernizacji połączeń (jak w przypadku ewolucji z 2G do 3G),
komutacja pakietów na protokole IP,
uproszczona struktura sieci szkieletowej[3].
Wada sieci 4G
konieczność podniesienia kosztów urządzeń mobilnych oraz aparatów telefonicznych, obsługujących standard 4G[4].
IMT-Advanced (ang. International Mobile Telecommunications-Advanced) – zbiór wymagań określonych przez ITU-R, które muszą być spełnione przez sieci radiowe czwartej generacji. W mediach sieci spełniające te wymagania często określane są jako 4G. Prace nad systemem rozpoczęły się w 2000 roku, kiedy wiadomo już było, że urządzenia mobilne będą generować coraz więcej ruchu internetowego z którym nie poradzą sobie obecne sieci komórkowe[1].
Wymogi ITU-R dla IMT-Advanced
Aby sieć radiowa była zgodna z IMT-Advanced musi spełniać, między innymi, następujące wymagania[2]:
powinna być oparta o komutację pakietów IP
powinna współdziałać z obecnymi standardami sieci bezprzewodowych
przepustowość łącza radiowego powinna być nie mniejsza niż 100 Mbit/s
standard powinien ograniczać górne wartości opóźnień przesyłania danych:
dla warstwy transportowej (ang. user plane) opóźnienia powinny być nie większe niż 10 ms, niezależnie od tego w którym kierunku przesyłane są dane. Dotyczy to sytuacji, w których łącze nie jest obciążone, czyli korzysta z niego jeden użytkownik, przesyłający jednym strumieniem małe pakiety IP składające się tylko z nagłówka
dla warstwy kontrolnej (ang. control plane) opóźnienia powinny być nie większe niż 100ms. Pomiar opóźnienia warstwy kontrolnej dokonywany jest poprzez zmierzenie czasu przejścia urządzenia ze stanu spoczynku do stanu aktywnego
powinna działać dla różnych szerokości kanału radiowego - co najmniej do 40 MHz
standard powinien określać mechanizmy uwierzytelniania oraz szyfrowania w celu zapewnienia integralności systemu oraz ochrony danych przesyłanych przez użytkownika
Standardy spełniające wymogi
W 2008 roku ITU-R ogłosiło, że można zgłaszać standardy, które potencjalnie spełniają wymagania IMT-Advanced. W 2010 miano technologii kompatybilnych przyznano standardowi LTE-Advanced opracowanemu przez partnerstwo 3GPP oraz standardowi 802.16m-2011, znanego pod nazwą WiMAX[3].
Long Term Evolution (LTE) – standard bezprzewodowego przesyłu danych będący następcą systemów trzeciej generacji, rozwijany przez konsorcjum 3GPP. Głównymi celami nowego standardu jest zwiększenie możliwości telefonii komórkowej poprzez zwiększenie prędkości przesyłania danych, zmniejszenie opóźnień, zwiększenie efektywności spektralnej łączy radiowych, zmniejszenie kosztów transmisji danych, uproszczenie architektury.
Interfejs radiowy LTE używa technologii OFDM do transmisji danych od stacji bazowej do telefonu. Transmisja w kierunku przeciwnym (od telefonu w górę) wykorzystuje SC-FDMA (DFTS-FDMA). Jest to jedna z najbardziej widocznych różnic w stosunku do UMTS, który bazuje na WCDMA.
Pierwsza wersja standardu została wydana w grudniu 2008 roku jako Release 8, Release 9 został wydany w grudniu 2009, natomiast zgodność z IMT-Advanced, czyli zbiorem wymagań dla czwartej generacji sieci radiowych, została osiągnięta wraz z wydaniem LTE-Advanced oznaczonego Release 10[1].
Specyfikacja LTE (wg dokumentu 3GPP Release 8):
maksymalna szybkość w dół łącza w warstwie radiowej 100 Mb/s przy szerokości kanału 20 MHz
rozwiązania 4x4 MIMO, szerokość kanału 20 MHz
maksymalna szybkość w górę łącza – 50 Mb/s przy szerokości kanału 20 MHz
co najmniej 200 użytkowników w każdej komórce
opóźnienie małych pakietów < 5 ms
optymalny promień komórki do 5 km
praca w trybie FDD (Frequency Division Duplex) i TDD (Time Division Duplex)
zachowanie wysokich parametrów dla użytkowników w ruchu do 120 km/h (funkcjonalnie do 350 km/h)
LTE | WCDMA (UMTS) | HSPA HSDPA/HSUPA | HSPA+ | |
---|---|---|---|---|
Max przepustowość Downlink | ~300 Mb/s (MIMO 4x4) | 384 kb/s | 14 Mb/s | 28 Mb/s |
Max przepustowość Uplink | 50 Mb/s | 384 kb/s | 5,7 Mb/s | 11 Mb/s |
Opóźnienie | ~10 ms | 150 ms | 100 ms | 50 ms |
Metoda wielodostępu | OFDMA/SC-FDMA | CDMA |
HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) znacznie zmniejsza skutki błędów w transmisji danych.
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) technika OFDM została wykorzystana w LTE, gdyż zapewnia wysoką przepustowość i jest jednocześnie odporna na zakłócenia spowodowane odbiciami i interferencją.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) system ten wykorzystuje kilka anten (matryce antenowe) w celu dostrzeżenia różnych ścieżek sygnału. Matryca wyłapuje składowe sygnału, które są potem odpowiednio sumowane, a efektem tego jest poprawna jakość sygnału.
SAE (System Architecture Evolution) zwiększa pojemność sieci zapewniająca przepustowości na poziomie 150 Mbps, a także wykorzystuje nowoczesne protokoły IP (IPv4, IPv6).
SC-FDMA (Single Carrier – Frequency Division Multiple Access) stosowany jest w uplink. Zaletą SC-FDMA jest lepszy w porównaniu z OFDMA współczynnik PAPR (peak-to-average power ratio). Jest on osiągany dzięki wykorzystaniu tylko jednej nośnej.
SON (Self-Organizing Networks) zmniejsza koszty operacji związanych z konfiguracją, optymalizowaniem i naprawianiem sieci. Wyróżnia się trzy główne funkcje SON: samokonfiguracja, samooptymalizacja i samonaprawianie.
Kanały logiczne LTE |
---|
Kanały kontrolne |
|
Kanały transportowe LTE |
Downlink |
|
Kanały fizyczne LTE |
Downlink |
|
System LTE stosuje 3 rodzaje modulacji:
QPSK 2 bity na symbol
16QAM 4 bity na symbol
64QAM 6 bitów na symbol
Rodzaj modulacji, którą wykorzystuje się w kierunku uplink, jest QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Jej zaletą jest to, że im większa liczba bitów na Symbol, tym większa ilość przesyłanych informacji i lepsze wykorzystanie pasma. Wadą QAM jest to, że im większa liczba bitów na symbol, tym mniejsza odporność na zakłócenia. Drugą modulacją stosowaną w LTE jest QPSK. Jej zaletą jest zwiększenie efektywności wykorzystania pasma, przy jednoczesnym braku negatywnego wpływu na bitową stopę błędów (BER).
Konstelacje modulacji w LTE:
Konsorcjum 3GPP pracuje aktualnie nad technologią, która ma spełniać wymogi ITU względem technologii IMT-Advanced, a jest nią technologia LTE-Advanced. Prace nad LTE-A rozpoczęły się w kwietniu 2008 r. Operatorzy i producenci uzgodnili podczas wstepnych prac podstawowe założenia LTE-Advanced:
ma być z technologicznego punktu widzenia rozszerzeniem LTE
ma spełniać wymogi ITU dotyczące IMT-Advanced i stać się pierwszą na świecie telefonią komórkową czwartej generacji (4G)
współpracować ma w pełni z LTE i innymi technologiami radiowymi.
W czerwcu 2008 roku ukazał się dokument TR 36.913, w którym ustalono wymagania techniczne LTE-A. Główne wymagania względem technologii LTE-A zaprezentowane są poniżej w tabeli.
Parametry | Dane |
---|---|
Przepustowość | do abonenta 1 Gb/s od abonenta 500 Mb/s |
Maksymalna szerokość pasma | powyżej 70 MHz |
Opóźnienia | w płaszczyźnie sterowania < 50 ms w płaszczyźnie użytkownika 5-10 ms |
Wydajność widmowa | 30 b/s/Hz DL 15 b/s/Hz UL |
Zasięg | do 1 km |
Mobilność | taka sama jak w LTE |
Pojemność | 3-krotnie większa niż w LTE |
Maksymalna szerokość pasma określona w wydaniu 8 i 9 standardu, wynosząca 20 MHz uniemożliwiała spełnienie wymagań IMT-Advanced dotyczących przepustowości łącza radiowego. Definiując LTE-Advanced, 3GPP zaproponowało rozwiązanie tego problemu w postaci agregacji pasma – operator ma możliwość agregacji do pięciu, niekoniecznie sąsiednich pasm o maksymalnej szerokości 20 MHz, formując w ten sposób jedno szerokie pasmo o maksymalnej szerokości 100 MHz, co pozwoli na przesyłanie danych w kierunku urządzenia mobilnego z prędkością do 1 Gb/s[2][3].
Cyfrowy Polsat – LTE 1800 MHz[4][5]
Play – LTE 1800 MHz
Orange – LTE 1800 MHz (w planach 800 MHz) (częstotliwość dzierżawiona od T-Mobile)
T-Mobile – LTE 1800 MHz
Midas – LTE 1800 MHz (w planach 800 MHz) – rozwój sieci[8]
Ameryka Południowa 2500 MHz;
Europa 800, 900, 1800, 2600, 3400, 3600 MHz;
Azja 1800 i 2600 MHz;
Australia 1800 MHz.