Реферат "Перспективы развития сетей связи 4-го поколения"

Федеральное агентство связи

УрТИСИ ФГОБУ ВПО СибГУТИ

Реферат

По теме:

Песпективы развития сетей связи 4-го поколения

Выполнил:

Самошкин М. А.

Проверила:

Евдакова Л. Н.

Екатеринбург 2013г.

Введение

4G (от англ. fourth generation — четвёртое поколение) — поколение мобильной связи с повышенными требованиями. К четвёртому поколению принято относить перспективные технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с подвижным и 1 Гбит/с — стационарным абонентам.

Технологиям LTE Advanced (LTE-A) и Mobile WiMAX Release 2 (также известным, как WirelessMAN-Advanced или IEEE 802.16m) присвоено официальное обозначение IMT-Advanced, что позволяет их квалифицировать в качестве технологий 4G.

Определение понятия

Спецификации любого поколения связи, как правило, относятся к изменению фундаментального характера обслуживания, несовместимым технологиям передачи, более высоким пиковым битрейтом, новыми полосами частот, более широким каналом полосы пропускания, выражаемой в единицах частоты — герцах, а также большей ёмкостью для множественной одновременной передачи данных (более высокой системе спектральной эффективности, измеряемой в бит/с/Гц/сектор).

Новые поколения мобильной связи начинали разрабатываться практически через каждые десять лет с момента перехода от разработок первого поколения аналоговых сотовых сетей в 1970-х годах (1G) к сетям с цифровой передачей (2G) в 1980-х годах. От начала разработок до реального внедрения проходило достаточное количество времени (например, сети 1G были внедрены в 1984 году, сети 2G — в 1991 году). В 1990-х годах начал разрабатываться стандарт 3G, основанный на методе множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA); он был внедрен только в 2000-х годах (в России — в 2002 году). Сети поколения 4G, основанные на IP-протоколе, стали разрабатываться в 2000 году и начали внедряться во многих странах с 2010 года.

В марте 2008 года сектор радиосвязи Международного союза электросвязи (ITU-R) определил ряд требований для стандарта международной подвижной беспроводной широкополосной связи 4G, получившего название спецификаций International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-Advanced), в частности установив требования к скорости передачи данных для обслуживания абонентов: скорость 100 Мбит/с должна предоставляться высокоподвижным абонентам (например, поездам и автомобилям), а абонентам с небольшой подвижностью (например пешеходам и фиксированным абонентам) должна предоставляться скорость 1 Гбит/с.

Так как первые версии мобильного WiMAX и LTE поддерживают скорости значительно меньше 1 Гбит/с, их нельзя назвать технологиями, соответствующими IMT-Advanced, хотя они часто упоминаются поставщиками услуг, как технологии 4G. 6 декабря 2010 года МСЭ-Р признал, что наиболее продвинутые технологии рассматривают как “4G”, хотя этот термин не определён.

Основные исследования при создании систем связи четвёртого поколения ведутся в направлении использования технологии ортогонального частотного уплотнения OFDM[5]. Кроме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами — MIMO. При данной технологии передающие и приёмные антенны разнесены так, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.

Системы связи 4G основаны на пакетных протоколах передачи данных. Для пересылки данных используется протокол IPv4; в будущем планируется поддержка IPv6.

Требования IMT-Advanced

- Передовые международные мобильные телекоммуникационные системы (IMT-Advanced), опредёленные сектором радиосвязи МСЭ, должны отвечать некоторым требованиям, чтобы считаться сетями поколения 4G[6]:

- основываются на коммутации пакетов, используя протоколы IP;

- пиковые скорости передачи данных от 100 Мбит/с для пользователей с высокой мобильностью (от 10 км/ч до 120 км/ч) и от 1 Гбит/с для пользователей с низкой мобильностью (до 10 км/ч);

- используются динамически разделяемые сетевые ресурсы для поддержки большего количества одновременных подключений к одной соте;

их масштабируемая полоса частот канала 40 МГц[8][9];

- минимальные значение для пиковой спектральной эффективности 15 бит/с/Гц в нисходящем канале и 6,75 бит/с/Гц в восходящем канале (имеется в виду, что скорость передачи информации 1 Гбит/с в нисходящем канале должна быть возможна при полосе пропускания радиоканала менее 67 МГц)[10];

- спектральная эффективность на сектор в нисходящем канале от 1,1 до 3 бит/с/Гц/сектор и в восходящем канале от 0,7 до 2,25 бит/с/Гц/сектор[8];

- плавный хэндовер через различные сети;

- высокое качество мобильных услуг.

Модель «MVNO на сетях LTE»: перспективы развития

Компания J’son & Partners Consulting опубликовала результаты исследования «MVNO на сетях LTE», основными целями которого были анализ мирового и российского рынков виртуальных операторов, предоставляющих услуги на сетях LTE, и оценка влияния развития этой модели на рынок 4G в целом. Исследование охватило мировой рынок, представленный странами США, Япония, Южная Корея, Австралия, Польша и Россия.

MVNO (Mobile Virtual Network Operator) — это оператор подвижной радиотелефонной связи, оказывающий услуги связи, используя инфраструктуру других операторов. Как рассказали CNews в J&P, сейчас в мире запущено несколько десятков проектов MVNO на сетях LTE. По количеству проектов лидируют Австралия, Япония и США. Как правило, в странах-лидерах LTE действуют по несколько MVNO, предлагающих большое разнообразие тарифных планов (postpaid и prepaid), рассчитанных на различные группы потребителей, а также смартфоны, Wi-Fi-роутеры и другое абонентское оборудование.

В качестве первых MVNO на сетях LTE часто выступают сами операторы мобильной связи, не получившие спектр на частотном диапазоне, либо по другим причинам, что не позволяет им использовать спектр для LTE. При этом в развитии MVNO на собственных сетях LTE заинтересованы операторы с относительно небольшой абонентской базой.

По данным компании, сегодня в мире наблюдается смещение бизнес-модели виртуального оператора-дискаунтера к более сложным бизнес-моделям, включающим гибкую тарификацию онлайн (например, Zact, США), одновременное использование сетей 4G различных стандартов — WiMAX и LTE (Asahinet, Япония). При этом продолжает активно развиваться модель MVNE, позволяющая небольшим компаниям быстро и с небольшими затратами развернуть MVNO-проект. К перспективным бизнес-моделям в J&P относят заключение контрактов одного MVNO сразу с несколькими MNO.

Основные MVNO на сетях 4G LTE в мире

В России, по мнению J’son & Partners Consulting, модель MVNO пока не получила широкого распространения. У базовых операторов пока нет правовых стимулов к предоставлению ресурсов виртуальным мобильным операторам. Российские компании, оказывающие услуги по модели MVNO, нуждаются в дальнейшем укреплении нормативной базы, в частности, в облегчении условий подключения к действующим сетям мобильной связи, считают аналитики.

Так, среди ключевых сдерживающих факторов развития LTE в России в J’son & Partners Consulting отметили: ограниченный ряд мобильных устройств (смартфоны, планшетные ПК) с поддержкой LTE, высокие цены; ограниченная конкуренция и, как следствие, высокие тарифы на LTE; невозможность использования в сетях LTE доступных к продаже смартфонов с поддержкой LTE в «российских» частотных диапазонах; проблемы, связанные с частотным спектром для LTE (в условиях дефицита частот — отсутствие механизма технического нейтралитета, необходимость проведения конверсии, распределение частот на конкурсах, а не аукционах и пр.).

«Последнее препятствие является общим для многих стран, — подчеркнули в компании, — однако в большинстве из них с тем или иным успехом работают механизмы, позволяющие сгладить эту проблему – технологическая нейтральность, распределение готовых к использованию частот на аукционах вместо проведения дорогостоящей конверсии и пр.».

Первая коммерческая сеть LTE была запущена в России компанией Yota Networks, инфраструктурным подразделением «Скартел» (торговая марка Yota) в Новосибирске в начале 2012 г. В феврале 2012 г. «МегаФон» заключил соглашение со «Скартел» о совместном использовании инфраструктуры для развития сетей LTE. Фактически мобильный оператор выступает в качестве виртуального оператора (MVNO) на сети Yota Networks, которая, в свою очередь, использует существующую инфраструктуру «МегаФона» (площадки для базовых станций, волоконно-оптические линии связи и пр.). По собственным данным, к концу 2012 г. «Йота» и «МегаФон», предоставляющие услуги 4G на сети Yota Networks, обслуживали около 700 тыс. и 150 тыс. абонентов соответственно.

Первым «псевдо-виртуальным» оператором в России в J&P назвали компанию «Корбина Телеком», когда она предоставляла услуги сотовой связи в стандарте DAMPS на сети компании «ВымпелКом», в 2007 г. абоненты были переведены на стандарт GSM. Первая компания, которая назвала себя виртуальным оператором — это «Евросеть». В 2005 г. «Евросеть» и «Народный Телефон» сделали опытные зоны MVNO в нескольких регионах России. В 2012 г. абонентская база российских MVNO выросла примерно на 20% и составила около 1,4 млн абонентов. Виртуальным операторам было выдано более 9 млн номеров и зарезервировано 40 млн номеров.

«Условия, которые предлагает “Скартел” в рамках MVNO-соглашений, не устраивают никого из операторов. Операторы вынуждены рассчитывать на строительство своих сетей LTE, но этот процесс займет больше времени», — указали в компании. Неспособность операторов договориться со «Скартел» о работе в качестве виртуальных операторов, по мнению J’son & Partners Consulting, задерживает развитие рынка LTE в условиях ограниченной конкуренции.

В целом, как резюмировали в J’son & Partners Consulting, на данный момент попытки российского регулятора «раскачать» рынок MVNO в России в связи с появлением коммерческих сетей LTE пока не привели к ощутимым результатам. Крупные игроки рынка — владельцы частот на LTE — не заинтересованы в развитии рынка MVNO, однако при благоприятных условиях готовы сами стать виртуальными операторами в тех регионах, в которых у них нет LTE-покрытия. Тем временем, средние и малые операторы и компании не из телекоммуникационного сектора готовы становиться виртуальными операторами, в том числе MVNO на LTE, однако крупные операторы, как правило, «не пускают» их в свои сети под различными предлогами (недостаточная емкость и загруженность сетей, отсутствие интересных бизнес-планов и пр.). На практике это проявляется, например, в установлении заградительных тарифов для потенциальных MVNO, отметили в компании.

По прогнозам J&P, модель MNVO на сетях LTE будет активно развиваться во всем мире в ближайшие годы, и количество виртуальных операторов на сетях 4G продолжит расти.

Перспективы развития 4G в Росси

В последние годы технологии передачи данных стремительно развиваются. Это обусловлено несколькими причинами. Одна из них — лавинообразный рост объемов хранящегося во Всемирной сети цифрового медиаконтента (включая изображения, тексты, звуковые и видеозаписи). Быстро расширяется парк смартфонов, серьезно увеличивающих нагрузку на сотовые сети. Кроме того, значительно повысилась популярность интернет-сервисов, для работы с которыми требуется широкополосное соединение, — таких как видеоконференц-связь или трансляция потокового видео. Справиться со значительно возросшей нагрузкой позволит переход к технологиям сотовой связи следующего, четвертого поколения (4G). Давайте разберемся, что же это такое.

Главное отличие сетей четвертого от предыдущего (третьего, или 3G) поколения заключается в протоколах передачи данных. В сетях 4G применяется пакетная передача данных с возможностью использования протоколов IPv4 и IPv6. Это, в частности, позволяет задействовать технологию VoIP и обеспечить высокое качество голосовой связи. Кроме того, сети 4G способны передавать данные с небывалыми для сотовых сетей предшествующих стандартов скоростями — порядка 100 и даже 1000 Мбит/с. Важно отметить, что столь высокие скорости доступны как для неподвижных абонентов, так и для тех, кто передвигается со скоростью до 120 км/ч. Таким образом, пользователь может просматривать веб­сайты, воспроизводить видео и музыку в потоковом режиме не только сидя в кафе или гостинице, но и в движении — в машине, поезде и других видах транспорта.

Нюансы реализации

В настоящее время существуют два конкурирующих между собой стандарта четвертого поколения, работающие в одном и том же частотном диапазоне: LTE и mobile WiMAX (IEEE 802.16e). Стандарт LTE выигрывает у mobile WiMAX по многим параметрам — зоне покрытия, скорости передачи данных, простоте развертывания сети и пр. Однако в Россию первым пришел именно mobile WiMAX. Осенью 2008 года компания «Скартел», предоставляющая услуги под торговой маркой Yota, развернула сети mobile WiMAX, работающие в частотном диапазоне 2,5-2,7 ГГц. Зона их покрытия охватывала значительную часть территории Москвы и Санкт-Петербурга. В развитии транспортной сети «Скартела» активное участие приняла компания «Мастертел»: на базе уникальной волоконно­оптической сети «Мастер­Коннект» было осуществлено подключение нескольких сотен базовых станций в Москве.

Стандарт LTE разрабатывался в рамках консорциума 3GPP как эволюционное развитие CDMA и UMTS с сохранением обратной совместимости. Именно благодаря этому затраты на создание сетей LTE относительно невелики: их можно разворачивать поверх уже существующей инфраструктуры стандартов GSM или CDMA.

В России внедрение LTE задерживалось главным образом из-за регуляторных ограничений и недоступности необходимых частотных ресурсов. Теперь же эта проблема решена. В Москве лицензии на развертывание сетей четвертого поколения получили операторы «большой тройки»: ОАО «ВымпелКом», ОАО «Мобильные телеСистемы» и ОАО «МегаФон». На остальной территории России необходимые частотные ресурсы выделены компаниям «Скартел», «Основа Телеком» и «Ростелеком».

Темпы внедрения технологии 4G на территории России оценить пока сложно, поскольку процесс их развертывания начался совсем недавно. На данный момент сотовые сети стандарта LTE функционируют в семи российских городах: Москве, Новосибирске, Краснодаре, Сочи, Самаре, Владивостоке и Уфе.

Ложка дегтя

Ни для кого не секрет, что в России уровень проникновения фиксированного доступа в Интернет по-прежнему остается довольно низким. Это обусловлено географическими особенностями нашей страны, а также инфраструктурными и экономическими проблемами многих регионов. Отсутствие развитой инфраструктуры является серьезным препятствием для развития 4G-сетей, поскольку без волоконно­оптических линий связи, обеспечивающих высокую пропускную способность, не получится в полной мере реализовать многие возможности новой технологии. Если говорить более предметно, то для предоставления действительно качественного сервиса операторам нужно обеспечить подключение каждой базовой станции к каналу с пропускной способностью не менее 100 Мбит/с. Кроме того, по мере роста нагрузки на сотовую сеть неизбежно встанет вопрос о необходимости расширения каналов доступа в Интернет с вышестоящими провайдерами.

Согласно результатам исследования, к концу 2011 года уровень проникновения Интернета по России в целом составил 47%, а в домохозяйствах — 40%. Однако средние показатели не отражают громадной разницы между мегаполисами и регионами. Например, в Москве и Санкт-Петербурге доля домохозяйств, обеспеченных подключением к Интернету, равна 80-85%. В регионах же картина в корне иная: в среднем этот показатель составляет около 20%, но есть и такие, где он не превышает 2%. В основном это отдаленные регионы со сложным ландшафтом и неразвитой телекоммуникационной инфраструктурой.

Суть проблемы заключается в том, что разворачивать телекоммуникационную инфраструктуру в удаленных регионах с малой экономической активностью и полным или частичным отсутствием кабельных канализаций просто невыгодно. Операторы не хотят идти в регионы, поскольку срок окупаемости проектов значительно возрастает. Решить эту проблему непросто. Необходима государственная поддержка операторов, готовых инвестировать в развитие широкополосных сетей в регионах. Она может быть реализована в виде налоговых льгот, выдачи кредитов на особых условиях, государственных инвестиций в проекты развития инфраструктуры конкретных регионов. Без этих мер развитие сотовых сетей 4G в России, к сожалению, обречено. Воспользоваться их возможностями в полной мере смогут лишь обитатели крупных городов, в то время как жителям удаленных областей и регионов останется лишь надеяться, что рано или поздно на экранах их смартфонов тоже загорится заветный значок.

Частотный спектр для сетей четвертого поколения (4G): текущая ситуация и перспективы в мире и в России (на ноябрь 2013 года)

Наличие достаточного объема частотного спектра является необходимым условием для развития полноценных сетей LTE, а в России «частотная» проблема стоит наиболее остро. Компания J’son & Partners Consulting представляет основные результаты исследования «Частотный спектр для сетей четвертого поколения (4G): текущая ситуация и перспективы в мире и в России».

Диапазоны частот для LTE и практика их использования в мире

По данным GSA, на 17 октября 2013 года в 83 странах мира было запущено 222 коммерческие сети LTE, причем почти половина из этого количества сетей – в последние 12 месяцев. Как ожидается, к концу 2013 года количество стран с коммерческими сетями LTE возрастет до 93, а число самих сетей – до 260. Наиболее масштабные сети (по количеству абонентов) развернуты в США, Японии, Южной Корее и Австралии.

Большая часть сетей LTE работает в парном спектре в режиме FDD (FDD (Frequency Division Duplex) - частотный разнос входящего и исходящего канала, при котором прием и передача сигнала происходят на разных частотах), но интерес к сетям LTE TDD продолжает расти – в 18 странах мира уже развернуто 23 LTE-сети, которые поддерживают режим TDD (TDD (Time Division Duplex) - прием и передачи сигнала происходят на одной частоте, но с разделением по времени. Технология лучше всего подходит для приложений, имеющих несимметричный трафик)(из них 11 сетей поддерживают оба режима - FDD и TDD).

Всего под технологию LTE выделено более 40 диапазонов частот (bands), при этом использование спектра для LTE имеет региональные особенности. Например, в США наиболее популярными являются диапазоны 700 МГц (в основном, band 13 и band 17) и AWS (AWS band (Advanced Wireless Services band) – парные частоты в диапазонах 1710-1755 МГц (передача) и 2110-2155 МГц (прием))(1,7/2,1 ГГц), в Европе – диапазоны 1800 МГц (band 3) и 2600 МГц (band 7), в перспективе – 800 МГц (band 20). В Японии первые запуски LTE состоялись в диапазоне 800/850 МГц; 1,5 ГГц; 1,7 ГГц и 2,1 ГГц (в зависимости от оператора); также был выделен диапазон 700 МГц (APT700) для запуска будущих сетей LTE.

Большой интерес в мире связан с рефармингом частот GSM для их использования в сетях LTE. В особенности это касается диапазона 1800 МГц, а в некоторых случаях – 900 МГц. При этом большинство регуляторов одобряет технологически нейтральный подход, при котором операторы могут использовать имеющиеся у них частоты вне зависимости от конкретной технологии.

В целом, наиболее распространенным в мире диапазоном остается 1800 МГц (band 3) – его используют 43% коммерческих сетей LTE FDD. Следующие по популярности диапазоны – это 2,6 ГГц (band 7) и 800 МГц (band 20), в них работают 30% и 12% LTE-сетей, соответственно.

В условиях дефицита частот для LTE в отрасли поднимается вопрос об использовании дополнительных диапазонов частот. В июле 2013 года Консорциум 3GPP завершил стандартизацию технологии LTE для диапазона 450 МГц, что дает возможность операторам (в том числе в России), имеющим такие частоты, разворачивать сети LTE в этом диапазоне. Использование низких частот при строительстве сетей мобильной связи позволяет существенно экономить на строительстве сетей, поскольку для обеспечения покрытия одной и той же площади требуется значительно меньшее количество базовых станций, чем в случае использования высоких частот (например, 2,6 ГГц). Использование низкочастотных диапазонов (450, 700 и 800 МГц) актуально для покрытия территорий с низкой плотностью населения, где не требуется высокая емкость сетей, достигаемая при использовании высоких частот.

Частоты для сетей LTE в России

В России по состоянию на октябрь 2013 года в коммерческую эксплуатацию запущены сети LTE в 37 регионах. В подавляющем большинстве регионов сети запущены в парном спектре (LTE FDD) в диапазоне 2600 МГц (band 7), за исключением сетей LTE TDD - МТС в Москве (2600 МГц, band 38) и «Вайнах Телеком» в Чеченской Республике (2,3 ГГц, band 40).

Кроме того, компания «Основа Телеком» разворачивает сети LTE TDD в диапазоне 2,3 ГГц (band 40), в котором компания обладает большим частотным ресурсом - от 70 до 100 МГц, в зависимости от региона. К концу января 2014 года, согласно лицензионным требованиям, оператор должен построить и запустить сети в 40 регионах. На 3 октября 2013 года «Основа Телеком» подготовила к тестовому запуску сети в 12 регионах.

Напомним, что по итогам конкурса состоявшемся в 2012 года, «Ростелеком», МТС, «МегаФон» и «ВымпелКом» получили LTE-лицензии в нижнем (720-790 МГц, 791-862 МГц) и верхнем (2500-2690 МГц) диапазонах. Каждый из победителей получил по 2 полосы в верхнем диапазоне шириной в 10 МГц и 7,5 МГц – в нижнем. Верхний спектр частот является относительно свободным и пригодным для развития LTE-сетей, а нижний – преимущественно занят силовыми структурами и системами радионавигации и радиолокации и требует проведения конверсии.

По оценке Ассоциации региональных операторов связи (APOC), по состоянию на май 2013 года «МегаФон» и «Скартел» в совокупности контролировали около 36% спектра, доступного для построения сетей мобильного ШПД (3G, 4G) в России. Примерно одинаковым частотным ресурсом обладали «Ростелеком» (с учетом дочерней компании «Скай Линк») и МТС (24% и 23%, соответственно). На долю «ВымпелКома» пришлось оставшиеся 17% спектра. При этом, по оценке APOC, в России по тем или иным причинам не используется около до 135 МГц спектра, пригодного для LTE.

Важным событием может стать получение разрешения от регулятора использовать для развертывания сетей LTE GSM-диапазон 1800 МГц. Однако решение этого вопроса по-прежнему откладывается, главным образом из-за разногласий чиновников по поводу обязательств, накладываемых на операторов, которые планируют строить LTE в этом диапазоне. Между тем задержка внедрения принципа технологической нейтральности остается существенным сдерживающим фактором развития LTE в России.

Особенности использования верхних и нижних частот для LTE

- Развитие LTE на частоте 1800 МГц в среднем на 60% экономичнее, чем строительство сетей в высокочастотных диапазонах. Использование этого диапазона позволяет сократить время выхода технологии LTE на рынок и ускорить его развитие. В более выгодном положении окажутся те компании, которые смогут провести рефарминг для нижних частот 800-900 МГц, где развертывание сетей LTE в несколько раз дешевле, чем в диапазонах выше 2 ГГц.

- Развертывание сетей в низкочастотной области спектра более привлекательно с точки зрениязатрат и оптимально подходит для покрытия районов с низкой плотностью населения (пригороды и сельские районы). Низкие частоты, по сравнению с высокими, обеспечивают существенно лучшее проникновение внутри зданий и большую площадь покрытия, что, с одной стороны, позволяет обеспечить связью большие территории, а с другой – серьезно ограничивает плотность базовых станций и обостряет проблему внутрисистемной интерференции.

- Высокие частоты отлично подходят для построения систем LTE в регионах с высокой плотностью населения, где требуются высокие скорости передачи данных. Однако если работать только в высокочастотном диапазоне, то неизбежно возникают проблемы с радиопокрытием. Фемтосоты, установленные в местах с высокой концентрацией абонентов (трафика) и в помещениях, помогают уменьшить «теневые» зоны в покрытии. Фемтосоты необходимы для улучшения покрытия сети на первых этажах зданий, в подвальных помещениях и на складах, а также для решения абонентских проблем, связанных с перегрузкой сети в часы пик.

- Возможность использовать комбинацию из двух диапазонов (высокого и низкого) - залог объемного покрытия и обеспечения необходимой емкости в местах, где трафик особенно востребован. Для улучшения покрытия внутри зданий рекомендуется использовать фемтосоты.

Перспективы частотного регулирования России

Регуляторные изменения в области назначения и использования частотного ресурса будет определять вектор развития широкополосных мобильных коммуникаций на среднесрочную и долгосрочную перспективу. Основные направления регулирования касаются нескольких ключевых вопросов:

- переход от распределения частот по частным и общим решениям и конкурсам к частотным аукционам;

- принятие принципа технологической нейтральности;

- возможность совместного использования частот несколькими операторами;

- правила оплаты радиочастотного спектра.