Использование радиочастотного спектра сетями LTE и LTE Advanced

Разработка спецификаций 3GPP Release 8 дала старт работам над техническим обликом сетей мобильной связи новых поколений, следующих за поколением 3G, и призванных революционно изменить привычные технологии. Как известно, разработчики отказались от технологии радиоинтерфейса W-CDMA и перешли к более прогрессивной технологии OFDMA. Основные требования к новым сетям, которые отражены в спецификациях 3GPP Release 8, – это значительное повышение спектральной эффективности (доведение ее до 5 бит/c/Гц); повышение пропускной способности до 100 Мбит/с по линии вниз (DL) и 50 Мбит/с по линии вверх (UL) при масштабируемой ширине одного частотного канала от 1,4 МГц до 20 МГц, а также сокращение задержки передачи пакетов данных до 10 мс, по сравнению с 80 мс при технологии HSDPA (Release 5), и упрощение архитектуры сети.

Особенности использования диапазонов частот. В целях внедрения решений ВКР-07 [1] для систем мобильной связи семейства IMT Advanced (LTE и LTE Advanced) рабочими группами Партнерского проекта 3GPP и ETSI в технических спецификациях определены 17 полос радиочастот для режима частотного дуплекса FDD и 8 полос для режима временного дуплекса TDD, показанных в табл. 1 [2]. Диапазоны частот, специфицированные 3GPP для сети радиодоступа E-UTRA сети LTE (табл. 1), также входят в число диапазонов, определенных в РекомендацияхМСЭ для развития сетей мобильного беспроводного доступа 3-го и 4-го поколений.

Таблица 1

Большинство частотных каналов режима FDD по линии вверх (приема базовых станций (БС) и передачи абонентский станций (АС), как правило, используют более низкие частоты, чем по линии вниз, за исключением диапазонов 13 и 14.

Как видно из таблицы, диапазоны, предназначенные для развития сетей LTE, уже освоены или осваиваются в России для работы сетей мобильной связи и беспроводного доступа различных технологий:

• 790–862 МГц (воздушная радионавигация РСБН, первые сотовые сети DAMPS-800 и CDMA-800);
• 880–915 МГц/925—960 МГц (GSM-900);
• 1710–1785 МГц/1805—1880 МГц (GSM-1800);
• 1900–1980 МГц/2010—2025 МГц/2110—2170 МГц (3 G/UMTS);
• 2300–2400 МГц (WiMAX);
• 2500–2690 МГц (WiMAX).

Таким образом, будущее внедрения сетей LTE в России связано с необходимостью реформирования использования радиочастотного спектра (РЧС) на основе национальных процедур его высвобождения и перепланирования.

Анализ спецификаций 3GPP и стандартов ETSI для LTE показывает, что для обеспечения требований МСЭ в отношении скорости передачи к IMT Advanced (табл. 2) диапазонов, специфицированных для сетей LTE (табл. 1), может не хватить для справедливого распределения ресурса между национальными операторами.

Таблица 2

Поэтому для развития IMT Advanced в варианте LTE Advanced были специфицированы дополнительные полосы частот, увеличившие их общее число – до 22 полос (для режима частотного дуплекса FDD) и до 9 полос (для режима временного дуплекса TDD), показанные в табл. 3 [3]. Для систем IMT Advanced было выделено дополнительно 200МГц в диапазоне 3,4–3,6 ГГц (диапазоны 22 и 41), а также применено инверсное использование полос частот еще для одного специфицированного диапазона – диапазона цифрового дивиденда 790–862 МГц (диапазон 20). К еще одной особенности использования РЧС системами LTE Advanced в диапазоне 3,4–3,6 ГГц следует отнести возможность одновременного использования полос 3410–3500 МГц и 3510–3600 МГц как для режима FDD, так и для режима TDD без разделения на непересекающиеся полосы FDD и TDD, как это сделано для диапазона 2500–2690МГц. Это свидетельствует о намерении внедрения разработчиками системы LTE Advanced концепции гибкого использования спектра в диапазоне 3,4–3,6 ГГц [4].

Таблица 3

Из табл. 3 видно, что выделенные LTE Advanced дополнительные диапазоны 3400—3600 МГц для режимов TDD и FDD в России уже осваиваются сетями WiMAX (диапазон 3,5 ГГц).

Использование частотных каналов сетями LTE. Для исследования возможных сценариев применения специфицированных диапазонов частот проанализируем требования к ширине частотных каналов, используемых абонентскими и базовыми станциями сети LTE, представленные в табл. 4.

Таблица 4

В отличие от стандартного частотного канала систем UMTS шириной 5 МГц частотные каналы LTE имеют возможность и механизмы масштабирования по ширине в пределах от 1,4 до 20 МГц в зависимости от профиля услуг абоненту.

Возможности использования частотного ресурса для сетей LTE можно получить, проанализировав ресурсные возможности диапазонов частот, предназначенных для их внедрения:

Диапазон 900МГц (доступный ресурс 35МГц) используется, как правило, двумя-четырьмя операторами с полосами шириной менее 10 МГц. Типовой сценарий возможного использования – каналы LTE шириной 1,25–5МГц

Диапазон 1800 МГц (доступный ресурс 75 МГц) используется, как правило, двумя-четырьмя операторами второй волны GSM с полосами более 10 МГц. Типовой сценарий возможного использования – каналы LTE шириной 5–10 МГц.

Диапазон 2100МГц (доступный ресурс 60МГц) используется, как правило, операторами UMTS с выделенными полосами частот более 10МГц. Типовой сценарий возможного использования – каналы LTE с шириной 5–10 МГц

Диапазон 2600 МГц (доступный ресурс 70 МГц для LTE/FDD) определен как диапазон WAPECS и допускает использование других технологий. Типовой сценарий возможного использования – каналы LTE шириной 5, 10, 15, 20МГц

Ввиду различной емкости диапазонов частот, которые предполагается использовать в будущем в сетях LTE и показанных в табл. 1, часть возможных частотных каналов не может быть использована, так как ширина спектра канала превышает ширину полосы выделенных частот для конкретного диапазона LTE. Соотношение применимости каналов с различной шириной спектра в сетях LTE иллюстрирует табл. 5. Возможность применения канала с определенной шириной спектра в таблице отмечена словом да, невозможность – словом нет. Анализ табл. 5. показывает, что в диапазоне 2500–2690МГц будут применяться каналы с шириной спектра 5, 10, 15 и 20 МГц.

Таблица 5

Кроме того, проблемы с использованием диапазонов GSM-900/1800 для сетей LTE в России будут иметь не только технологические, но и регуляторные причины:

Прежде всего, это – противоречия в принципе выдачи лицензий на развертывание сетей для технологии UMTS (WCDMA-HSPA) и LTE и для сетей GSM в диапазоне 900/1800 (так как операторы GSM-900/1800 имеют региональные лицензии, а операторы 3G – национальные). Кроме того, до настоящего времени лицензии на услуги высокоскоростного доступа в сетях мобильной связи выдаются на услуги подвижной радиотелефонной связи (сети стандарта IMT/UMTS).

Таким образом, для обеспечения эффективного использования диапазона LTE необходимо совершенствовать регуляторную базу не только в области использования РЧС, но и лицензирования.

Использование в сети LTE различающихся по ширине (ассиметричных) полос частот для каналов передачи и приема базовых и абонентских станций в одном сеансе связи в будущем не должно вызывать каких-либо проблем и будет рекомендовано в последующих Release 9–10.

В отличие от системы LTE для передачи и формирования широкополосных частотных каналов в системе LTE Advanced используется принцип агрегации частотных блоков для передачи группового сигнала в системе. Агрегированная ширина полосы канала до 100МГц, включающая в себя множество базовых частотных блоков, называемых компонентными несущими (Component carriers – CC), формируется на основе агрегации (суммирования) этих частотных блоков в передающих устройствах абонентских и базовых станций LTE. Каждая компонентная несущая совместима с требованиями Release 8 к ширине частотного канала системы LTE (табл. 4).

Это позволяет удовлетворить требованиямМСЭ и 3GPP к максимальной скорости передачи данных до 1 Гбит/с для системы LTE Advanced, а также обеспечить:

• совместимость системы LTE с частотными каналами Релиза 8;
• агрегацию несущих для случаев как прилегающих, так и неприлегающих друг к другу частотных каналов, и использование асимметричных частотных каналов в режиме FDD;
• гибкое использование спектра при работе системы LTE Advanced.

Таблица 6

Возможные сценарии, имеющие высший приоритет в рамках исследований 3GPP по использованию компонентных несущих в сетях LTE Advanced, показаны в табл. 6.

Анализ табл. 6 показывает, что рассматриваемые сценарии 3GPP включают сценарии, обеспечивающие как максимальные возможности системы LTE Advanced в режиме TDD с полосой агрегированного канала 100МГц, так и минимальные – с частотными каналами 10МГц в режиме FDD

Заключение. Проведенный в статье анализ показывает, что использование диапазонов частот в сетях LTE и LTE Advanced будет осуществляться на принципах мультидиапазонности, связанных с видом услуги и географической зоной обслуживания.

Основным диапазоном первого этапа развития сетей LTE станет диапазон 2500–2690 МГц (со стратегией использования парной полосы UL: 2,500–2,570 ГГц, DL: 2,620–2,690 ГГц для режима FDD и непарной полосы 2,570–2,620 ГГц для режима TDD).

Диапазоны частот GSM-900/1800 МГц будут использоваться в сетях LTE и LTE Advance как дополнительные, с приоритетом диапазона GSM-900МГц, с учетом позиций регуляторов и вендоров.

Критерием при выборе величины необходимого частотного ресурса в процессе планирования использования систем LTE и LTE Advance может служить условие достижения эффективности их внедрения по сравнению с действующими системами IMT/UMTS последних модификаций (Release 6 и 7).

Список использованной литературы

1. Тихвинский В.О., Терентьев С.В. Влияние результатов ВРК07 на дальнейшее развитие мобильной связи//Мобильные телекоммуникации. – 2008. – № 3. Стр. 30–34
2. 3GPP TS 36.104. Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base Station (BS) radio transmission and reception (Release 8).
3. 3GPP TR 36.912. Technical Specification Group Radio Access Network; Feasibility study for Further Advancements for E-UTRA (Release 9).
4. Тихвинский В.О. Применение сервисной и технологической нейтральности для повышения эффективности использования спектра в сетях LTE/UMTS/WiMAX//Т-Comm (Телекоммуникации и транспорт), Специальный выпуск. 2009. Стр. 11–18.