LTE (Long-Term Evolution) — это стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, часто обозначаемый как 4G LTE, разработанный консорциумом 3GPP на основе технологий GSM/EDGE и UMTS/HSPA с целью значительного повышения пропускной способности и скорости передачи данных. Стандарт был определён в серии документов Release 8, с незначительными улучшениями в Release 9, и внедрение началось с конца 2009 года.
Основные технические характеристики
LTE является естественным обновлением для операторов с сетями GSM/UMTS и для операторов с сетями CDMA2000. Хотя маркировка «4G» используется сотовыми операторами и производителями, технически LTE (согласно Release 8 и 9) не полностью удовлетворяет техническим требованиям, установленным 3GPP для нового поколения сотовой связи и требованиями Международного союза электросвязи (ITU-R в спецификации IMT Advanced), которые требуют скорости порядка гигабита в секунду.
LTE поддерживает несколько полос пропускания канала:
Интервал между несущими составляет 15 кГц, то есть несущие LTE разнесены на 15 кГц друг от друга. Каждая несущая способна переносить данные с максимальной скоростью 15 кбит/с.
Спецификация LTE позволяет обеспечить теоретические максимальные скорости:
- Максимальная скорость загрузки (Downlink): до 299,6 Мбит/с
- Максимальная скорость передачи (Uplink): до 75,4 Мбит/с в зависимости от категории оборудования
- Теоретический максимум: до 1–3 Гбит/с
Однако реальная скорость передачи данных значительно ниже и составляет примерно:
- При полосе 5 МГц: 37 Мбит/с на загрузку и 12 Мбит/с на передачу
- При полосе 10 МГц: 75 Мбит/с на загрузку и 25 Мбит/с на передачу
- При полосе 15 МГц: 112 Мбит/с на загрузку и 37 Мбит/с на передачу
- При полосе 20 МГц: 150 Мбит/с на загрузку и 50 Мбит/с на передачу (LTE cat.4)
- Средняя практическая скорость: 10–30 Мбит/с
По данным исследований 2014 года, средняя скорость загрузки данных в LTE-сетях составляла 12,5 Мбит/сек (в США среднее значение было вдвое меньше — 6 Мбит/сек).
Для повышения скорости используется агрегация полос (несколько полос на разных частотных диапазонах суммируются):
- LTE cat.6, LTE cat.9 — с агрегацией несколько полос
- LTE cat.12 — с агрегацией до четырёх полос, обеспечивающей скорость до 600 Мбит/с и выше
- LTE cat.20 (конец 2020 года) — с агрегацией семи каналов по 20 МГц (7×20 = 140 МГц) и скоростью до 2000 Мбит/с
- Задержка передачи данных может быть снижена до 2 миллисекунды
- 4G LTE предлагает задержку 5 миллисекунд
- LTE — 10 миллисекунд
Эта разница становится критически важной для видеоигр, трансляции видео и видеозвонков.
Частотные диапазоны в России:
В России для LTE наиболее часто используются:
- Диапазон 1800 МГц (Band 3) — радиус охвата около 6,5 км, наиболее используемый в России, сочетает высокую ёмкость и относительно большой радиус действия
- Диапазон 2600 МГц (Band 7 и Band 38) — радиус охвата около 3 км
- Более 80% базовых станций используют 1800 МГц
Теоретический предел для скорости 1 Мбит/сек составляет:
- От 3,2 км (2600 МГц) до 19,7 км (450 МГц)
- Диапазон 800 МГц способен обеспечить такую скорость на расстоянии до 13,4 км
- Диапазон 1800 МГц — на расстоянии 6,8 км
- На расстоянии 10–20 км можно поймать сеть 4G LTE с использованием направленной антенны
Архитектура и технология
LTE использует принципиально новый подход к модуляции и кодированию:
- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) для восходящего канала
- SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) для нисходящего канала
Эти методы обеспечивают лучшую спектральную эффективность по сравнению с предыдущими стандартами GSM/UMTS.
MIMO (Multiple-Input Multiple-Output):
Использование технологии MIMO с несколькими приемо-передающими антеннами позволяет увеличить скорость передачи пропорционально схеме:
- MIMO 2×2 — увеличение в 2 раза
- MIMO 4×4 — увеличение в 4 раза
Использование дополнительных антенн требует более сложного оборудования и приводит к удорожанию.
LTE поддерживает два режима работы:
- LTE FDD (Frequency Division Duplex) — частотное разделение, наиболее распространённый способ. Восходящий и нисходящий каналы используют разные частоты. Преимущества: более высокая пропускная способность и большая дальность действия. Недостатки: требует в два раза более широкую полосу частот (лицензия на большее количество частот), необходимы дополнительные фильтры и дуплексеры для изоляции каналов, что удорожает оборудование.
- LTE TDD (Time Division Duplex) — временное разделение. Приём и передача происходят на одной частоте, но в разные моменты времени. Преимущества: использует один частотный диапазон, базовые станции обходятся дешевле, позволяет эффективно перераспределять пропускную способность между восходящим и нисходящим каналами. Недостатки: более низкая пропускная способность (приём и передача поочередные), меньшая дальность действия, требует более строгой синхронизации времени.
Влияющие факторы на скорость
Факторы, влияющие на скорость LTE:
- Уровень приёма сигнала — соотношение сигнал/шум является самым явным влиянием. Если в эфире много помех или сигнал слабый, то скорость LTE будет низкой. Использование направленной 4G-антенны может существенно усилить сигнал и кратно увеличить скорость.
- Удалённость от базовой станции — чем дальше находится БС, тем хуже сигнал и ниже скорость. На разных частотах это влияние различное.
- Перегруженность сетевых ресурсов — в часы пик скорость может снижаться из-за большого количества пользователей.
- Тип использования интернета — серфинг, загрузка файлов, потоковое видео влияют на производительность.
Преимущества LTE
Основные достоинства технологии:
- Значительное повышение скорости передачи данных — реальная скорость 10–30 Мбит/сек значительно превышает возможности 3G (6–7 Мбит/сек максимум). LTE впервые вышла на уровень проводного ADSL соединения по стабильности и скорости.
- Повышенная стабильность работы — соединение не прерывается, обеспечивая надежный доступ в интернет.
- Низкая задержка — задержка 5–10 миллисекунд позволяет использовать LTE для приложений реального времени.
- Большая пропускная способность — позволяет передавать больше данных за одинаковое время по сравнению с GSM и UMTS.
- Гибкость полос пропускания — поддержка различных полос (1,4–20 МГц) позволяет операторам эффективно использовать спектр.
- Использование пакетной коммутации — данные разбиваются на пакеты, что обеспечивает более надежную связь и лучше использует сеть.
- Более качественная голосовая связь — уменьшение задержек позволяет достичь более ясного звука.
- Более простая архитектура сети — упрощение и реконструкция ядра сети, базирующегося на IP.
- Плавное переключение между поколениями — LTE поддерживает плавное переключение на сотовые вышки с GSM, UMTS и CDMA2000.
- Расширенные возможности конечных пользователей — возможность одновременной работы интернета и передачи голосовых вызовов, поддержка HDTV и других требовательных приложений.
- Доступность — карта покрытия 4G полностью покрывает самые населенные регионы страны.
- Экономичность — операторы предлагают выгодные условия пользования 4G-интернетом.
Недостатки LTE
Основные ограничения технологии:
- Стоимость инфраструктуры — значительные затраты на создание, модернизацию и установку новой сетевой инфраструктуры.
- Требование новых устройств — пользователи должны покупать новые смартфоны, поддерживающие LTE. Первые устройства с LTE появились только в 2010 году.
- Необходимость дополнительных антенн MIMO — использование технологии MIMO требует установки дополнительных антенн, что усложняет конструкцию базовых станций и удорожает оборудование.
- Техническая несовместимость с 2G и 3G — беспроводной интерфейс LTE несовместим с сигналами и протоколами предыдущих поколений.
- Ограниченное распространение высокоскоростных вариантов — LTE-Advanced с максимальными скоростями требует развёртывания новой инфраструктуры и все еще распространена не во всех регионах.
- Отличие от истинного 4G — LTE не полностью соответствует спецификациям истинного 4G (требуется скорость гигабита в секунду), хотя операторы называют её 4G.
- Зависимость от качества сигнала — скорость сильно зависит от уровня сигнала, удалённости от БС и помех в эфире.
- FDD требует лицензирования — при использовании режима FDD оператор должен платить за лицензию на использование спектра.
- TDD имеет более низкую пропускную способность — режим TDD требует более строгой синхронизации и обеспечивает меньшую дальность.
- Высокая задержка при проблемах со связью — в условиях плохого приема задержка может значительно возрасти.
Применение LTE
Использование технологии в различных областях:
- Мобильная связь — основное применение
- Телевидение высокой четкости — трансляция HDTV без проводных систем
- Видеоконференции — для бизнеса и личного использования
- Коммуникация и передача интернета — без применения проводных систем
- Частные мобильные сети LTE — используются для передачи голоса и мобильных данных в промышленности и корпоративном секторе
Сравнение LTE с другими технологиями
| Параметр | LTE (4G) | LTE-Advanced | 5G | 3G (UMTS) |
|---|---|---|---|---|
| Скорость загрузки | 10–30 Мбит/с | 50–300 Мбит/с | 1–10 Гбит/с | 6–7 Мбит/с |
| Скорость передачи | 5–25 Мбит/с | 10–100 Мбит/с | 500 Мбит/с–1 Гбит/с | 1–2 Мбит/с |
| Задержка | 5–10 мс | 5–10 мс | 1–2 мс | 50–100 мс |
| Полоса пропускания | 1,4–20 МГц | 40–100 МГц (агрегация) | 100 МГц–1 ГГц | 5 МГц |
| Дальность (1800 МГц) | 6,8 км | 6,8 км | Менее 2 км | 5–10 км |
| Спектральная эффективность | Высокая | Очень высокая | Максимальная | Средняя |
| Требует лицензию | Да (FDD) | Да | Да | Да |
| Требования к устройствам | LTE-модемы | LTE-A модемы | 5G модемы | UMTS модемы |
LTE представляет собой революционный скачок в развитии мобильных сетей, обеспечив высокие скорости передачи данных, низкие задержки и надежное соединение. Хотя технология была разработана более 15 лет назад, она остаётся основной рабочей лошадкой для большинства мобильных операторов во всём мире. С развитием LTE-Advanced и подготовкой к переходу на 5G, LTE продолжает оставаться критически важной технологией для обеспечения качественной мобильной связи и доступа в интернет.