Радиочастотный спектр для систем мобильной связи LTE
31 мая 2010
Рубрика: Связь и телекоммуникации. Тэги:
Автор: Абдукадыров А.Х..

В предыдущих статьях (журнал InfoCOM.UZ № 9, 2009г. и № 1, 2010г.) мы дали общую ознакомительную информацию о технологии LTE, являющейся одной из главных составляющих систем мобильной связи четвертого поколения – 4G и рассказали немного о технических нововведениях, реализованных в данной технологии. Сегодня мы затронем вопросы внедрения систем LTE и, в частности, рассмотрим проблему выделения радиочастот для развития этой технологии.

Радиочастотный спектр (РЧС) — ценный и ограниченный ресурс любого государства и в настоящее время спрос на его использование все больше возрастает. Этому способствуют рост популярности и распространение систем беспроводной связи вкупе с их улучшенной функциональностью, удобством пользования и сокращением затрат на устройства и услуги. За счет этого предполагается, что существующие новые мобильные и беспроводные широкополосные сети будут быстро осваивать имеющиеся радиочастотные ресурсы и нуждаться в новых частотах.

Потенциальный спектр частот для систем LTE
Системы LTE и WiMAX имеют свои отличительные характеристики и по-разному решают вопрос дуплексного разноса: WiMAX — на основе временного разделения (TDD), т.е. не требует наличия у операторов парных частот, тогда как LTE строится главным образом на основе частотного разделения (FDD) и использовании парных частот. Поясним, что режим TDD позволяет организовывать нисходящую и восходящую линии связи на одном частотном канале, тогда как режим FDD требует, чтобы линии «вниз» и «вверх» были разнесены по разным (парным) частотным каналам.

Между тем, вопросы разработки стандарта LTE проектом 3GPP в основном завершились в 2008 г., и первые развернутые сети LTE стали появляться уже к концу 2009 и началу 2010 гг. На рис. 1 представлены наиболее вероятные полосы частот, предусмотренные для развертывания сетей LTE в различных регионах мира, но с той оговоркой, что это распределение является неокончательным и возможны некоторые корректировки в будущем.

lte_31_05_2010

Далее рассмотрим эти полосы более подробно.

Диапазон 700 МГц
В США лицензии на этот коммерческий диапазон были распроданы с аукциона в апреле 2008 г. На торги была выставлена полоса в 62 МГц, разбитая на 5 блоков: нижний А (12 МГц), нижний B (12 МГц), нижний E (непарный 6 МГц), верхний C (22 МГц), верхний D (10 МГц). На этих полосах можно добиться высокоэффективного использования выделенного ресурса, так как низкочастотные сигналы имеют свои преимущества там, где нет плотных застроек и не требуется высоких скоростей передачи данных.

Еще в 2005 г. в США была принята Программа развития цифрового телевидения, согласно которой все американские телекомпании должны были завершить переход от аналогового вещания к цифровому до 17 февраля 2009 г. А это предполагало освобождение диапазона 700 МГц для других служб радиосвязи.

Что касается Европы, да и большей части остального мира, то там возлагают большие надежды на получение, так называемого, «цифрового дивиденда» — т.е. освобождения части РЧС за счет перехода от аналогового к цифровому телевидению. Это, по мнению специалистов, позволит заполучить значительный радиочастотный ресурс для развития беспроводных широкополосных сетей в УВЧ-диапазоне. При этом предусматривается, что распределение частот в этом диапазоне будет производиться с учетом требования общемировой гармонизации РЧС (насколько это максимально допустимо) с целью создания основ для реализации услуги «глобального роуминга».

Перераспределение диапазона 900 МГц (полоса GSM)
Диапазон 900 МГц является не только самым распространенным и наиболее гармонизированным в мировом масштабе диапазоном частот для мобильной связи из всех доступных в настоящее время, но также обладает рядом преимуществ, таких как большая дальность связи и устойчивое сокращение затрат на развертывание сетей, что делает его стратегически важной полосой радиочастот. Кроме этого, диапазон 900 МГц имеет хорошие показатели по проникновению внутри зданий и особенно подходит для организации широкополосной связи в отдаленных негустонаселенных районах.

Продолжающийся процесс «миграции» пользователей из сетей GSM в сети UMTS, имеющий место в более чем 150 странах мира, постепенно уменьшает нагрузку сетей GSM-900 и начинает освобождать спектр в этом диапазоне. Как результат, многие операторы задумываются о перспективах развертывания в этих полосах частот сетей UMTS (в частности, HSPA/HSPA+). Однако на практике складывается ситуация, что уже сегодня возможно предпочтительнее и перспективнее будет развертывание в этом диапазоне сетей LTE. По сравнению с системами HSPA/HSPA+, система LTE, как ожидается, существенно улучшит производительность абонентского терминала, емкость секторов сот и сократит время отклика в абонентской плоскости, тем самым, предоставляя значительно улучшенный пользовательский интерфейс. Кроме того, сеть UMTS может быть развернута только при наличии полос с шириной в 5 МГц, а первые абонентские терминалы, способные работать в диапазоне 900 МГц, как ожидается, появятся не ранее 2010 г. Учитывая все эти факторы, многие операторы рассматривали вариант резервирования полос в диапазоне GSM-900 до 2010 г. для развертывания сетей LTE.

Действительно, поддержка системами LTE работы в полосах шириной в 1,25 МГц дает прекрасную возможность их развертывания в освобожденных полосах GSM и дальнейшего наращивания сети по мере высвобождения дополнительных полос частот. Благодаря улучшенной спектральной эффективности систем LTE их развертывание в диапазоне 900 МГц обеспечит самую высокую емкость сетей, а также позволит операторам создавать сети LTE с большими зонами охвата при значительно низких по сравнению с более высокими частотами затратах, обеспечивая тем самым высококачественные широкополосные услуги в масштабах обширных территорий.

Ну и наконец, ожидается, что развертывание сетей LTE в диапазоне 900 МГц принесет дополнительный выигрыш по затратам и логистике, поскольку базовые станции LTE можно будет размещать на уже существующих сайтах GSM, так как зоны радиоохвата сетей GSM и LTE в этом диапазоне будут одинаковыми. При этом не предполагается, что европейские сотовые операторы будут в скором времени прекращать работу сетей GSM, поскольку те все еще обеспечивают основу мобильной голосовой связи и глобального роуминга. На самом деле, сети GSM с применением технологии EDGE (или ее обновленной версией E-EDGE) могут обеспечить плавный переход к сетям LTE. В связи с этим наиболее вероятным сценарием развития видится тот, что сети LTE в диапазоне 900 МГц будут сосуществовать с сетями GSM-900 еще на протяжении 5-10 лет и только после этого возможно полное прекращение работы систем GSM. В конце концов детали перераспределения диапазона 900 МГц будут во многом зависеть от проводимых дискуссий и принимаемых решений на уровне ЕС.

Диапазон расширения IMT
Еще в 2000 г. Всемирная конференция радиосвязи (ВКР) определила три дополнительные полосы частот для развития наземных служб IMT-2000 в диапазоне 2500-2690 МГц. Согласно решению ВКР, начиная с 2008 г., в Европе выделена общая полоса в 140 МГц для систем IMT-2000 с частотным разнесением FDD, включая полосу 2500-2570 МГц для восходящей и полосу 2620-2690 МГц для нисходящей линий связи. Дополнительная полоса в 50 МГц (2570-2620 МГц) выделена для непарных каналов с временным разнесением TDD. Предполагается, что благодаря гармонизированному распределению этих полос частот для всех районов мира удастся добиться экономии за счет вала и обеспечивать глобальный роуминг. Некоторые европейские страны, такие как Норвегия, Швеция и Великобритания, уже завершили внутреннее распределение частот, а Нидерланды, Германия и Австрия находятся на стадии завершения. (См. табл. 1)

lte_31_05_2010_1

Вероятно, сети LTE будут развернуты в полосах с частотным разнесением — FDD этого диапазона. Кроме того, этот диапазон — единственный из всех доступных, который позволяет использовать сети LTE «на полную мощность», обеспечивая каналы шириной до 20 МГц. В этой связи ожидается, что операторы мобильной связи, прежде всего, будут испытывать и резервировать каналы с максимальной шириной в 20 МГц, чтобы иметь возможность предоставления высокоскоростных услуг широкополосной связи.

Пример США: передовые беспроводные услуги (Advanced Wireless Services, AWS)
В сентябре 2006 г. Федеральная комиссия связи США (FCC) провела аукцион лицензий на услуги AWS (Аукцион  66), в котором победившие участники выиграли в общей сложности 1087 лицензий. В духе политики свободного рынка американского правительства, FCC не закрепляет жестко определенную технологию за определенным диапазоном частот. Поэтому обладатели лицензий AWS могут использовать выделенный ресурс для развертывания любой технологии, включая системы 2G, 3G или 4G.

Другие диапазоны-кандидаты
GSM 1800:
Интерес прежде всего проявляют страны Северной и Южной Америки, Азиатско-Тихоокеанского региона (АТР) и некоторые страны Европы, Ближнего Востока и Африки (ЕБВА), в частности, в качестве варианта перехода от существующих сетей GSM.

Основной диапазон сетей UMTS: Это полосы в диапазоне 3,0-3,5 ГГц, выделенные в регионах EБВА и АТР для развертывания сетей в более чем 150 странах. В этом диапазоне большинство операторов получили по две, три, а в некоторых случаях и по четыре полосы шириной в 5 МГц. Хотя многие из них пока используют лишь одну полосу, но с ростом мобильных услуг передачи данных и начавшейся миграцией в сторону сетей UMTS/HSPA пока неясно, как и сколько полос можно будет высвободить для развертывания сетей LTE в 2009-2010 гг.

PCS 1900: Это альтернативный диапазон, в частности, не доступный в регионе ЕБВА, который можно будет освоить после заполнения полос в 700 МГц и для услуг AWS.

Сотовые сети в 850 МГц: В США в этом диапазоне также возможно перераспределение частот после заполнения полос в 700 МГц и для услуг AWS.

В таблице 2 приведены все рассматриваемые диапазоны частот для развертывания сетей LTE.

lte_31_05_2010_2

Будущие потребности в спектре
Доклад ITU-R за номером М.2078 вобрал в себя все требования к спектру для будущего развития систем IMT-2000 и следующей программы IMT-Advanced. Согласно этому докладу к 2020 г. во всех районах международного союза электросвязи (МСЭ) необходимо будет выделить полосы шириной от 500 МГц до 1 ГГц. В этом же докладе прогнозируется, что к 2010 г. в Европе объем трафика вырастет от 2 до 3 раз по сравнению с показателями 2008 г. и что уже к 2015 году полос частот, выделенных для развития услуг IMT, не будет хватать. А рынок к тому времени будет требовать еще больших возможностей сетей по предоставлению широкополосных услуг. В связи с этим, одной из главных задач конференции ВКР 2007 г. (ВКР-07) было определение дополнительных, гармонизированных международных полос частот с учетом требования глобального роуминга и стандартизации оборудования для экономии за счет объема производства. В итоге, ВКР-07 выделила полосы 2300-2400 МГц и 450-470 МГц для развития систем IMT (включая IMT-2000 и IMT-Advanced) на общемировом уровне, а также полосы или части полос в диапазонах 698-862 МГц и 3400-3600 МГц с учетом особенностей различных регионов и стран, как приведено в табл. 3.

Таким образом, ВКР-07 сделала существенные шаги к высвобождению и подготовке необходимых полос частот для будущего развития сетей LTE. В частности, начат процесс высвобождения спектра в полосе 698-806 МГц для мобильных радиослужб. Следующим шагом будет работа с отдельными странами по систематизации распределения РЧС для мобильных служб с целью гармонизации на национальном или региональном уровнях по всему миру. Ну а затем необходимо будет работать над глобальной гармонизацией распределения радиочастотного спектра.

Заключение
В заключение отметим, что возможность выделения новых полос радиочастот вкупе с перераспределением ныне используемых являются ключевыми факторами на пути успешного развертывания перспективных сетей LTE. Усовершенствование же функциональных возможностей и характеристик оборудования систем LTE приведет к экономии за счет роста производства и откроет новые горизонты развития систем мобильной связи. В этом процессе особую важность обретет скорейшее появление на рынке функционального и недорогостоящего абонентского и инфраструктурного оборудования LTE.

В следующей статье мы дадим понятие о наиболее перспективных технологиях радиоинтерфейса OFDM и MIMO, которые являются основой современных систем мобильной и широкополосной связи.

Использованная литература
1. Spectrum Analysis for Future LTE Deployments. White Paper. Motorola.
2. http://www.3gpp.org/article/lte
3. http://en.wikipedia.org/wiki/3GPP_Long_Term_Evolution

Orphus system
Подписывайтесь на канал infoCOM.UZ в Telegram, чтобы первыми узнавать об ИКТ новостях Узбекистана
В Telegram
В Одноклассники
ВКонтакте