LTE Advanced Pro: LTE без ограничений

Перемены, аналогичные революции в мобильной связи, изменяют все. Так, они уже давно поспособствовали тому, чтобы прежнее определение сети, звучащее как «соединение компьютеров и серверов с помощью кабелей» стало неактуальным. Никакого чуда в этом нет: число людей, подключающихся к сети через смартфон, постоянно растет, что отражается на неограниченном расширении сетей мобильной связи. Стандарт 5G является отдаленной целью отрасли, которая в прошлом году уведомила о разработке плана по созданию подобной беспроводной супер-сети: начиная с 2020 года она будет развертываться по всему миру и, отталкиваясь от производительности и числа абонентов, оттеснит проводной Интернет «на обочину».

Однако развитие уже существующих сетей не застопорится: поставщик сетевого оборудования Cisco определил, что только в 2015 году трафик в мобильном Интернете увеличился на 74 %. И до 2020 года подобный рост будет наблюдаться каждый год. Причина тому — пользователи, которые не только «серфят» в Интернете, но и обращаются к сервисам с большим объемом передаваемых данных, например, потокам видеоданных. Чтобы они смогли это делать, технология быстрой радиосвязи LTE предоставляет в распоряжение диапазоны частот «по ту сторону» DSL.

Загрузка со скоростью 1000 Мбит/с

В то время как федеральное правительство планирует к 2018 году обеспечить каждый дом широкополосным кабельным соединением со скоростью 50 Мбит/с, глава Vodafone (провайдера мобильной связи) мечтает, что уже в 2017 году его компания станет «гигабитной». Подобные мечты воплотятся в реальность благодаря следующей стадии развития технологии LTE, которую консорциум по стандартизации (3GPP) одобрит в марте этого года: за применяемым в настоящее время стандартом LTE Advanced последует LTE Advanced Pro.

Сокращение «Pro» обещает больше, чем просто гигабитную скорость. В качестве переходного этапа к 5G данный стандарт поглотит предыдущие стандарты радиосвязи, такие как GSM, вмешается в технологию беспроводных сетей, частично вытеснит старые и заполнит новые области применения, например, автоматизированное вождение. Для клиентов, провайдеров и поставщиков оборудования это означает, что тот, кто воздержится от активных действий, очень быстро станет аутсайдером.

Революция начинается с модема

Первое впечатление от LTE Advanced Pro многие покупатели смартфонов скоро получат в форме Samsung Galaxy S7. Компания Samsung в последние годы уже приучила пользователей к тому, что в ее флагманских моделях применяются самые современные технологии. Модель S7 в зависимости от региона комплектуется различными процессорами: либо Qualcomm Snapdragon 820, либо Samsung Exynos 8890.

Глоссарий технологии LTE

> Квадратурная амплитудная модуляция (QAM): этот параметр определяет число одновременно передаваемых битов, например, 256 QAM = 8 бит, 64 QAM = 6 бит и 16 QAM = 4 бит.

> MIMO: одновременная отправка и получение данных несколькими антеннами. Чем больше соотношение (например, 4×4), тем выше общая итоговая скорость передачи данных.

> LTE-U/LAA-LTE: LTE дополнительно отправляет данные на частотах беспроводной сети в диапазоне 5 ГГц.

> LWA: LTE-модем и WLAN-маршрутизатор совмещают передачу данных.

Оба процессора оснащены собственным интегрированным LTE-модемом, который предвосхищает основные инновации LTE Advanced Pro. Обзор функций нового модема Qualcomm-X12 показывает, что ожидает клиентов. Это относится не только к моделям Galaxy, а почти ко всем смартфонам: процессоры Qualcomm встроены лишь в треть всех существующих мобильников, однако доступ в Интернет почти у всех смартфонов (включая iPhone) осуществляется через модемы Qualcomm.

Современный iPhone 6s практически исчерпал возможности LTE-сети. Его уже не очень новый модем X7 достигает скорости 300 Мбит/с при загрузке информации из Интернета и 50 Мбит/с при закачке. Модель X12 обещает максимальную скорость в два и даже три раза выше, а именно 600 и 150 Мбит/с.

Предпосылками к подобному увеличению скорости является целый ряд инноваций. Во-первых, следует отметить, что технология LTE использует т. н. «квадратурную амплитудную модуляцию» (QAM), которая позволяет кодировать в каждом сигнале несколько бит одновременно. Таким образом, первой инновацией является улучшенная модуляция, которая накладывается на несущий сигнал. Современная LTE-сеть использует для выгрузки параметр QAM 16; это означает, что каждой несущей передаются 4 бита. Для входящего канала действует QAM 64, что соответствует 6 битам. Так работает модем iPhones 6s. Модель X12 в Samsung Galaxy S7 «трудится» больше: он отправляет через QAM 64 и принимает данные через QAM 256, при этом на одну несущую приходится 8 бит. Благодаря этому X12 при той же полосе пропускания загружает на треть больше данных.

Кроме того, X12 может использовать увеличенную полосу пропускания по сравнению с X7 в iPhone. С момента внедрения LTE Advanced смартфоны смогут одновременно отправлять и получать данные на нескольких диапазонах частот. Данная технология называется «агрегацией несущих частот» (Carrier Aggregation). Модем X7 в iPhone для входящего канала может объединять не более двух диапазонов частот, каждый из которых охватывает 20 МГц; это обеспечивает скорость от 150 Мбит/с. У X12 благодаря улучшенному параметру QAM скорость может достигать 200 Мбит/с; он также может объединять три диапазона частот.

Передача данных на частотах беспроводных сетей

Скорость загрузки данных для диапазона 20 МГц
> Модем Х7: 64 QAM (6 бит) без MIMO = 150 Мбит/с
> Модем Х12: 256 QAM (8 бит) с 2х2 MIMO = 400 Мбит/с

Наряду с исчерпанием возможностей LTE Advanced, модем X12 также включает в себя функции для грядущего расширения «Pro». К ним относятся технологии LTE-U (действует для США) и LAA-LTE (действует для Европы). Оба сокращения представляют идею переноса сети LTE в диапазон 5 ГГц, которая, к сожалению, уже занята беспроводными маршрутизаторами. В целом в распоряжении провайдеров мобильной связи находится 19 диапазонов частот шириной 20 МГц каждый, которые они могут использовать по своему усмотрению. В отличие от обычных, разрешенных для LTE диапазонов, они не должны приобретаться за большие деньги. Европейская система LAA-LTE не создает предпосылок для помех, так как действует по принципу «прослушивания перед передачей» (Listen before Talk): отправка данных осуществляется только в паузы беспроводной сети.

Технология задумана как ускоритель загрузки, который должен, прежде всего, улучшить прием в зданиях с помощью т.н. «малых ячеек» (Small Cells). В конце 2015 года компании Qualcomm и Deutsche Telekom успешно завершили полевые испытания технологии LAA-LTE. Бруно Якобфойерборн, технический директор Telekom, оценивает LAA- LTE как «ключевую технологию». X12 доминирует только в американском варианте LTE-U, однако Qualcomm анонсировала появление в 2016 году модема X16, который будет поддерживать технологию LAA-LTE.

Технологии LTE и WLAN должны непосредственно взаимодействовать. Эта идея включена в следующую инновацию X12: стандарт LTE + Wi-Fi Link Aggregation (LWA) предоставит возможность одновременной передачи данных через WLAN и LTE, если смартфоны зарегистрированы в обеих сетях. LTE-передатчик, наряду с непосредственной передачей данных на смартфон, создает беспроводное соединение через маршрутизатор, который также соединяется со смартфоном. Косвенная передача данных через маршрутизатор действует, в принципе, аналогично VPN-туннелю — посредством сигнала LTE.

Новая технология для LTE Advanced Pro

Однако грядущий стандарт LTE Advanced Pro выходит за рамки того, что может предложить модем X12. Он расширяет возможности объединения каналов с 5 разрешенных диапазонов частот в LTE Advanced до максимального значения 32, то есть «утоляет частотный голод». Взгляд на будущее распределение каналов показывает, что, начиная с 2017 года, абонент сможет использовать гораздо больше, чем пять диапазонов. В этом случае диапазон 700 МГц будет переадресован с DVB-T на LTE. Для этого наряду с LAA-LTE существуют дополнительные функции: Vodafone и Telekom зарезервировали для себя по одному блоку 20 МГц во всем диапазоне 1500 МГц. В этом диапазоне действует ограничение: в нем можно либо скачивать, либо выгружать данные, одновременно это делать нельзя.

Еще больше возможностей будет предоставлено, если операторы отключат технологию 2G GSM в диапазоне 900 МГц. Для России это звучит пока неправдоподобно, но швейцарский лидер рынка, компания Swisscom, намеревается отключить технологию GSM в конце 2020 года. Неутолимый «голод» LTE требует новых жертв.

Больше MIMO в мобильной связи

Благодаря технологии с использованием нескольких антенн (MIMO) можно увеличить скорость передачи данных в сетях LTE. Технология MIMO в настоящее время применяется в большинстве беспроводных маршрутизаторов. Идея состоит в передаче двух сигналов на одинаковых частотах антеннами, разнесенными в пространстве. На небольшом расстоянии (в квартире) эти сигналы поступают в приемник со смещением и не накладываются друг на друга. Однако мобильная связь обладает большей дальностью действия, которая нивелирует незначительные пространственные различия между передающими антеннами. Поэтому в LTE на каждый сигнал применяется иная поляризация (см. следующую страницу). Для этого антенны должны быть расположены под разными углами, что пока еще нельзя найти ни в одном смартфоне.

Еще одна новинка технологии Pro, отсылающая нас к будущему, действует под названием 3D- или FD-MIMO (Full Dimensional). В наше время недостатком LTE является быстрое падение скорости передачи данных, если несколько оконечных устройств обращаются к одной и той же радиомачте. Технология FD-MIMO обеспечивает возможность многократного увеличения количества антенн на каждой мачте, так как участники благодаря направленной радиосвязи принимают другой, пространственно разделенный сигнал. Таким образом, одна мачта на каждой частоте может обслуживать больше конечных устройств. При этом сигнал «выравнивается» по вертикали и по горизонтали, что обеспечивает лучший прием, особенно в центре городов с высотными зданиями.

На первом этапе для FD-MIMO запланировано 16 антенн, на следующей стадии строительства — 64. Соответственно, одна LTE-мачта может обслуживать большее число абонентов без того, чтобы они страдали от снижения скорости передачи данных. Если взглянуть на полевые испытания крупных игроков на рынке оборудования (Ericsson, Nokia, Huawei), становится ясно, что в них еще не используется технология FD-MIMO.

Скорость передачи данных 1 Гбит/с достигается у них благодаря агрегации каналов, 256 QAM и 4×4 MIMO. Среди европейских провайдеров наиболее активно форсирует переход на новую технологию компания Vodafone.

«Умные» автомобили и датчики с LTE

Консорциум по стандартизации 3GPP расширил технологию LTE не только на Advanced Pro. Одновременно беспроводная связь должна быть пригодной для  «Интернета вещей», т. е. самостоятельной коммуникации между устройствами. Для этого LTE расширяется на два дополнительных стандарта, которые отличаются не повышенной, а пониженной скоростью передачи данных и тем самым — уменьшенным энергопотреблением. LTE-M отправляет данные в узком диапазоне частот (1,4 МГц) и достигает максимальной скорости 1 Мбит/с.

Еще меньший диапазон, а именно 200 кГц, требуется для «узкополосного «Интернета вещей» (NB-IoT, Narrowband Internet of Things), скорость передачи данных в котором составляет всего несколько кбит/с. Благодаря этому технология LTE превращается из супер-связи в универсальную структуру, которая в будущем сможет объединить в большую сеть все устройства, которые способны «общаться без проводов».

Турбо-скорость связи в «Интернете вещей»

Первое полевое испытание системы NB-IoT компания Deutsche Telekom провела в сентябре прошлого года на оборудовании компании Huawei. При этом эксплуатировалась система парковки с применением этой беспроводной технологии. Компания Vodafone протестировала систему NB-IoT в декабре. При этом речь шла об эксплуатации счетчиков воды. В обоих случаях обновления ПО базовой станции было достаточно для интеграции NB-IoT в сеть мобильной связи. Для компаний-участников речь идет о гигантском бизнесе. В масштабах мирового рынка до 2020 года они насчитали свыше 500 млрд. евро только для объединения в сеть наших инфраструктур: от автоматизированного вождения и интеллектуального промышленного производства до датчиков, измеряющих параметры окружающей среды в центрах городов.

При коммуникации между автомобилями технология беспроводной связи зарекомендовала себя в форме 802.11p. Преимущества 802.11p состоят в малом времени отклика и создании самоорганизующихся ad-hoc-сетей между автомобилями. Эти способности важны в случае возникновения затруднений, например, аварии или пробки, о чем должны быть предупреждены другие участники движения.

Однако сеть 802.11p работает на частоте 5,9 ГГц и обладает малым радиусом действия. Этот также делает необходимой интеграцию автомобиля в сеть мобильной связи. В настоящее время проводятся проверки возможности комбинирования обоих решений, основанных на LTE.

Первые полевые испытания на базе модели А9 были проведены в ноябре компанией Deutsche Telekom совместно с Nokia, Continental и Институтом интегральных схем общества Фраунгофера. Решающим результатом стало то, что сигнал мог быть передан между автомобилями в течение 20 миллисекунд. В течение этого времени автомобиль проезжает около метра. Этого малого времени отклика достаточно для большинства сценариев аварий. Кажется, что технология LTE могла бы быстро расширить свой потенциал в качестве универсальной радиосвязи.

ФОТО: компании-производители; Jan Jirous/Shutterstock; Legion-Media; Dan Steinberg/Invision for Letv/AP Photo