Беспроводной стандарт связи LTE

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский Государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Кафедра информационно - коммуникационных технологий

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:

«Беспроводной стандарт связи LTE»

ПО ДИСЦИПЛИНЕ "ОРГАНИЗАЦИЯ ЭВМ "

Москва, 2009г.

Содержание

1. Введение.

2. Что такое LTE.

2.1 Основные характеристики LTE.

2.2 Цели разработки LTE.

2.3 Возможности, обеспечиваемые LTE.

2.4 LTE-Advanced.

2.5 Стандартизация LTE.

2.6 Факты: набор исходных требований 3GPP к LTE.

3. Оборудование.

3.1 Варианты сосуществования сети LTE и сетей предыдущих поколений.

3.2 Отвечая потребностям абонентов.

3.3 Отвечая потребностям операторов.

3.4 Архитектура.

3.5 Радиотехнология OFDM.

3.6 FDD и TDD.

4. Сравнение сетей WiMAX и LTE.

5. Выводы.

5.1 Ценовая эффективность

5.2 Заключение

1. Введение

По мере роста пользователей мобильного интернета и постоянно возрастающей потребности иметь возможность мобильного широкополосного доступа (ШПД) не только в домашних условиях или, скажем на рабочем месте, а в любой точке нахождения современного пользователя интернета, мобильный ШПД становится с каждым днем более распространенным. По прогнозам примерно 2/3 из около двух миллиардов людей, которые в 2012-2014 году станут пользователями ШПД, будут использовать эту технологию в мобильной форме. Большая часть из этих пользователей получат услуги мобильного ШПД, благодаря современным сетям с поддержкой таких сетевых протоколов передачи данных как HSPA (High Speed Packet Access) и LTE (Long Term Evolution).

Люди, которые привыкли идти в ногу с развитием технического прогресса, уже сегодня могут использовать интернет или работать с электронной почтой прямо с ноутбуков, с поддержкой технологии HSPA, а также обмениваться мультимедийным контентом (фото, видео, музыка) с телефонов в которых поддерживается технология 3G. С появлением технологии LTE, пользоваться такими услугами станет намного удобнее и комфортнее. Наверняка в сетях, построенных на технологии LTE, появятся и другие услуги, которые очень зависят от ширины канала связи. Из таких услуг можно выделить, например, онлайн-игры, мобильный видео-блоггинг, интерактивное ТВ, или какие-то профессиональные услуги.

Переход на стандарт LTE принесет важные преимущества как для абонентов так и для операторов предоставляющих услуги мобильного ШПД.

1. Емкость и производительность.

Одно из основных требований, предъявляемых стандартом к системам LTE - поддержка максимальной скорости загрузки данных вплоть до 100 Мбит/с. Но в рамках данной технологии возможна реализация еще более высоких скоростей (более 200 Мбит/с), и одна из ведущих компаний-производителей оборудования для ШПД уже демонстрировала работу системы LTE со скоростью около 150 Мбит/с. Более того, время отклика на посылку короткого пакета данных в радиоподсистеме RAN (Radio Access Network) сети LTE не должно превышать 10 мс. Такие требования говорят о том, что система LTE, более, чем какая либо другая технология, отвечает ключевым требованиям, предъявляемым к системам 4G.

2. Простота.

Система LTE обеспечивает работу в полосе частот различной ширины, начиная от значений заметно ниже 5 МГц (1.5 МГц) и до полосы 20 МГц. LTE также может быть реализована на основе различных принципов разделения сигналов, частотного (FDD - Frequency Division Duplex) и временного (TDD - Time Division Duplex). Сейчас для работы систем LTE предусмотрено 10 парных и 4 непарных диапазона частот. В дальнейших планах применение и других частотных диапазонов. Поэтому операторы могут сначала запускать LTE в "новых" частотных диапазонах, где проще получить полосы в 10 МГц (или 20 МГц), а далее пошагово внедрять LTE во всех остальных доступных диапазонах. Также продукты радиоподсистемы LTE будут обладать свойствами, которые облегчат построение и управление сетей следующего поколения. Для примера, такие функции, как "plug and play", автооптимизация и автоконфигурация упростят, а также снизят затраты на старт и управление сетями.

3. Широкий выбор терминалов

Помимо мобильных телефонов, в сетях LTE будет работать огромное количество компьютеров, нетбуков, ноутбуков, игровых приставок и других устройств, оснащенных модулем работы с LTE-сетью. Так как LTE обеспечивает поддержку handover и rouming в уже существующих мобильных сетях, то все эти устройства сразу после запуска смогут использовать существующее покрытие сетей 2G/3G.

С внедрением LTE, операторы смогут эффективно использовать выделенные им диапазоны частот, а также достичь бизнес-целей в области мобильного ШПД и связанных с этой технологией услуг.

2. Что такое LTE

LTE (Long Term Evolution) - название мобильного протокола передачи данных.  LTE это продолжение развития технологии CDMA,UMTS, основанной на использовании OFDM (к клиенту), SC-FDMA (от клиента) и MIMO. Особенностью этой технологии является возможность работать с частотным (парным, FDD) и временным (непарным, TDD) разделением каналов, что позволяет применять различные технологии оборудования, находящегося у операторов. Применение антенных технологий MIMO позволяет базовой станции обслуживать в 10 раз больше клиентов, чем позволяла прежняя технология WCDMA.

2.1 Основные характеристики LTE:

• Максимальная скорость приема 326 Mbps с шириной канала 20 MHz
• Максимальная скорость отдачи 86.4 Mbpps с шириной канала 20 MHz
• Работа в режимах TDD и FDD.
• ширина канала масштабируется до 20 MHz, с различным (1.4, 2.5, 5, 10, 15, и 20 MHz) шагом.
• Увеличенная спектрально-частотная эффективность в сравнении с Release 6 HSPA
• время отклика, до 10 msec, между оборудованием пользователя и базовой станцией и менее 100 msec время перехода в активное из неактивного состояния.

LTE является сетью с пакетной передачей данных и оптимизирована для использования IP технологий и всех возможностей, которые присущи ip-сетям. Соответствующие технические требования разработаны и утверждены  международным организацией 3GPP.

LTE - это переход от систем CDMA (WCDMA) к системам OFDMA, а также переход от систем с коммутацией каналов к системе e2e IP (система коммутации пакетов). Для перехода на LTE требуются устройства для абонентов, способные одновременно работать в сетях LTE/3G. Это необходимо учитывать для более плавного перехода к новейшим сетям.

2.2 Цели разработки LTE

снижение затрат на передачу данных;
увеличение скорости передачи данных;
возможность предоставления большего спектра услуг по более низкой цене;
повышение гибкости использования уже существующих систем.

Но основная цель – это увеличение скорости передачи данных, потому что все остальные цели, вытекают из решения этой задачи. Внедрение LTE обеспечит возможность создания высокоскоростных систем мобильной связи, оптимизированных для пакетной передачи данных со скоростью до 300 Мбит/с от базовой станции к пользователю и до 75 Мбит/с в обратном направлении. Построить сеть LTE будет возможно в различных частотных диапазонах - от 1.4 МГц до 20 МГц, а также по различным технологиям разделения - FDD (частотное) и TDD (временное).

Для внедрения скоростей до 326.4 Мбит/с в планах использовать технологию MIMO в конфигурации антенн 4x4. В конфигурации 2x2 пиковые скорости "вниз" достигают 172.8 Мбит/с (в частотной полосе 20 МГц). Максимальная скорость в направлении "вверх" достигает 86.4 Мбит/с на каждую полосу в 20 МГц.

Радиус действия базовой станции LTE различен. В оптимальном случае - это около 5 км, но при при достаточном поднятии антенны и существующей потребности он может составить до 100 км.

Протокол LTE более эффективно использует частотный спектр, отличается увеличенной емкостью и меньшими значениями задержки (latency), которая для небольших пакетов может достигать значения всего в 5 мс. Увеличение скорости передачи данных способствует повышению качества предоставляемых услуг, ускоряет распространение новых мультимедийных сервисов, таких как - многопользовательские онлайн-игры, видеоконференции, социальные сети, системы мониторинга и М2М, интерактивные онлайн приложения и прочее. Еще одно из преимуществ – это то, что в отличие от WCDMA (требующей полосы в 5 МГц), LTE-сеть способна работать с разными полосами частот - от 1.5 МГц до 20 МГц.

Звонок по мобильному телефону или сеанс передачи данных, инициированный в зоне действия LTE, технически передается без разрыва и потерь в сети 3G (WCDMA), GSM/GPRS/EDGE  или в CDMA2000.

Внедрение технологии LTE позволяет операторам уменьшить общие затраты, сократить совокупную стоимость эксплуатации сети, расширить свои возможности в области предоставления различных услуг и технологий, увеличить доходы за счет предоставления более качественных услуг передачи данных. Сеть также поддерживает MBSFN (Multicast Droadcast Single Frequency Network), что позволяет внедрять такие услуги, как мобильное ТВ в противовес DVB-H.

Стандарт Rel.8 предусматривает возможность одновременной работы до 200 активных пользователей в каждой соте, использующей полосу в 5 МГц.

2.3 Возможности, обеспечиваемые LTE

Высокая чувствительность;

Высокая пропускная способность сети;
Больше каналов мобильного ТВ;
Поддержка онлайн-игр за счет низкого latency;
Высокая интерактивность;
Более высокая скорость загрузки данных;
Возможность передачи голоса по IP/IMS;
Более высокое качество обслуживания;
OFDMA на линии от базовой станции с модулацией 64QAM;
Лучше качество изображения мобильного ТВ;
TDD, и FDD профили;
Полностью IP e2e сеть;
Ширина канала до 20 МГц;
Улучшенная антенная аппаратура;

Архитектура сети LTE

2.4 LTE-Advanced

Весной 2008 года сообщалось, что организация 3GPP согласовала планы дальнейшей разработки LTE с тем, чтобы они соответствовали последним заявлениям ITU по развитию технологии IMT-Advanced. Требования к LTE-Advanced будут сформулированы в новом техническом докладе 3GPP: TR 36.913 "Requirement for LTE-Advanced". Такое решение было принято на заседании 3GPP Technical Specification Group (TSG) RAN, завершившемся в Шеньжене, КНР.

2.5 Стандартизация LTE

LTE - это следующий важный шаг в развитии мобильной связи, который оформлен, как Release 8 3GPP (3rd Generation Partnership Project). LTE использует ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing) в качестве технологии радиодоступа, вместе с модернизированными антенными технологиями.

3GPP - это организация, основанная в 1998 году. Она объединила несколько организаций в области стандартизации телекоммуникаций. В настоящее время туда входят следующие компании CCSA , ARIB, ATIS, ETSI, TTA и TTC. Новаторы и разработчики со всего мира, представляющие более шести десятков операторов, вендоров и НИИ, принимают участие в совместных попытках сформулировать стандарт радиодоступа LTE.

Помимо протокола LTE, 3GPP разработала также "плоскую" сетевую архитектуру, основанную на применении IP-технологии. Данная архитектура определена, как часть разработок в рамках проекта SAE (System Architecture Evolution). Также были разработаны архитектура и концепции LTE-SAE для поддержки массового использования любых услуг на базе интернет протокола. Архитектура основана на эволюции существующей базовой сети GSM/WCDMA в сторону упрощения операций и эффективного по затратам развертывания.

Также было инициировано взаимодействие между 3GPP и 3GPP2 (организация, занимающаяся стандартизацией CDMA) с целью оптимизации межсетевого взаимодействия между CDMA и LTE-SAE. Это означает, что операторы CDMA смогут развить свои сети до LTE-SAE и воспользоваться экономией на масштабе и глобальном характере производства микросхем (чипов), что сыграло большую роль в успехе GSM и WCDMA.

Отправной точкой для стандартизации протокола LTE стала рабочая встреча 3GPP RAN Evolution Workshop, состоявшаяся осенью 2004 года в Канаде. В том же 2004 году начались исследования, целью которых было обозначить временные рамки эволюции технологии радиодоступа 3GPP:

сокращенная стоимость на бит;

гибкое использование существующих и новых частотных диапазонов;
увеличение объема услуг - больше услуг за меньшую цену с более высокой удовлетворенностью пользователей;

упрощенная архитектура и открытые интерфейсы;
сниженное энергопотребление терминалов

Данное исследование потребовалось для того, чтобы подтвердить, что концепция LTE сможет обеспечить набор требований, сформулированных в в 3GPP TR 25.913 Feasibility Study of Evolved UTRA and UTRAN.

Разработку LTE разбили на контрольные точки. График работ был согласован на заседаниях 3GPP летом 2007 г. Результаты показывали, что LTE не только отвечает, а иногда и превосходит, цели, установленные в отношении максимальных скоростей, пропускной способности, а также по производительности VoIP и Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS).

Завершить процедуру стандартизации LTE запланировали до конца 2007 года. После выхода первой спецификации были запланированы доработки и улучшения, которые будут связаны с изменениями требований и функциональности данного протокола.

2.6 Факты: набор исходных требований 3GPP к LTE

повышенная пиковая скорость: 100 Мбит/с в направлении вниз и 50 Мбит/с в направлении вверх;
сокращение отклика сети радиодоступа до 10 мс
повышенная спектральная эффективность (в 2-4 раза, по-сравнению с HSPA Release 6);
эффективная по затратам миграция от радиоинтерфейса и архитектуры Release 6;
Universal Terrestrial Radio Access (UTRA);
Улучшенная возможность широковещания;
IP-оптимизация (фокус на услугах в области пакетной коммутации);
масштабируемый диапазон от менее, чем 5 МГц до 5 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц;
поддержка работы, как с парными, так и с непарными частотными диапазонами;
поддержка межсетевого взаимодействия с существующими системами 3G и системами, которые не стандартизировались 3GPP.

3. Оборудование

Технически, LTE является производным от GSM сетей поколений 2, 2.5, 3G. Поэтому, наиболее подходящими сетями для внедрения данной технологии являются уже существующие сети мобильных операторов. Апгрейд оборудования для работы с поддержкой сетей 3G\LTE, позволяет развить существующую сеть, объединяя все возможности передачи голоса с ip-сетями, создавая, таким образом, единую, мультисервисную среду передачи данных.
На данный момент, в разработке и испытании оборудования для LTE участвуют многие гранды радиоэлектронной промышленности, в частности, Alcanel-Lucent, Motorolla, NTT DoCoMo, , Ericsson и т.п.

3.1 Варианты сосуществования сети LTE и сетей предыдущих поколений.