Sieci 4G - technologia jutra

30 sierpnia 2011 roku zapukała do polskich domów rewolucja telekomunikacyjna. Od tego dnia na naszym rynku działa pierwsza komercyjna sieć LTE, która rozpoczęła oferowanie naprawdę szybkiego dostępu do Internetu za pomocą technologii komórkowej. Sieć wykorzystywana przez Cyfrowy Polsat obsługuje szybkości nawet do 134 Mb/s. W praktyce klient uzyskuje aż 70 Mb/s. Jednak czy faktycznie jest to technologia 4G?

Nowoczesne systemy cyfrowej telefonii komórkowej GSM drugiej generacji pojawiły się w 1991 roku. Dostęp do Internetu w systemie transmisji pakietowej GPRS pojawił się wraz z wprowadzeniem sieci 2,5G w roku 2000. Rok później światło dzienne ujrzały pierwsze sieci trzeciej generacji. Na naszych oczach trwa przeskok w świat 4G. Co niesie ta zmiana?

Skąd się wzięło 4G

Nazwa sieci trzeciej generacji - 3G - pochodzi ze wspólnego projektu organizacji standaryzacyjnych, które utworzyły konsorcjum 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Jego celem był rozwój systemów telefonii komórkowej trzeciej generacji. W ten sposób powstały znane nam technologie UMTS i HSPA, które stanową trzon funkcjonujących dziś sieci trzeciej generacji. Naturalnym posunięciem wydaje się więc nazwanie kolejnej grupy rozwiązań mianem czwartej generacji.

Okazuje się jednak, że tego typu nazewnictwo nie pojawia się w żadnych oficjalnych dokumentach.

Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny, który z ramienia ONZ nadzoruje obowiązujące na świecie standardy w świecie telekomunikacji, w 2008 roku opublikował finalną wersję zbioru wymagań dla sieci radiowych o nazwie IMT-Advanced, który powszechnie jest uznawany ramową specyfikacją sieci 4G.

Podstawowe wymagania określone w tym dokumencie to przede wszystkim nominalna szybkość transmisji danych do 1 Gb/s dla klienta stacjonarnego i 100 Mb/s dla klienta poruszającego się oraz oparcie całej sieci na protokole IP. W praktyce takich sieci komercyjnie funkcjonujących jeszcze nie ma. Najbliższe tym wymogom rozwiązanie to oczywiście technologia LTE.

LTE dostępne dziś

Ponieważ sieci spełniające wymagania IMT-Advanced są na razie poza zasięgiem, konsorcjum 3GPP stworzyło standard LTE (Long Term Evolution), który implementuje większość wymagań dotyczących technologii 4G, jednak ograniczając się do niższych prędkości. Maksymalna prędkość do klienta wynosi tutaj 326,4 Mb/s, a dane w kierunku sieci można wysyłać z prędkością 86,4 Mb/s. Pojemność sieci została znacząco zwiększona w porównaniu z 3G: w najmniejszym obszarze sieci, jakim jest komórka, może być nawet 200 aktywnych użytkowników. Taka komórka ma średnicę do 5 km. Dane przesyłane przez sieć wędrują nie dłużej niż 10 ms.

Te rozwiązania są praktycznie realizowane w sieciach instalowanych komercyjnie na całym świecie, także w Polsce. Najczęściej wskazuje się na nie jako na technologię 3,9G. Cyfrowy Polsat zdecydował się pozostać przy nazwie LTE i nie posługuje się numerkami generacji, nie chcąc zapewne wprowadzać zamieszania i wpędzać klientów w zakłopotanie.

LTE-Advanced to przyszłość

Konsorcjum 3GPP nie ustaje w swoich działaniach i pracuje nad specyfikacją LTE-Advanced, która docelowo ma spełnić wszystkie wymagania IMT-Advanced. Podstawowymi założeniami z punktu widzenia operatorów jest zapewnienie technologicznej zgodności z istniejącymi sieciami LTE, tak aby rozwiązanie to stanowiło jej naturalne rozszerzenie, w celu spełnienia wymagań ITU wobec sieci czwartej generacji.

Podstawowe rozwiązanie, jakie ma zapewnić osiągnięcie 1 Gb/s, to możliwość agregacji kanałów, dzięki któremu transmisja może odbywać się w kilku oddzielnych wycinkach częstotliwości. Przede wszystkim wynika to z braku możliwości praktycznego zapewnienia wymaganej szybkości za pomocą tylko jednego kanału 20 MHz. Standard pozwala na agregację nawet 5 osobnych kanałów, w celu utworzenia wirtualnego kanału o szerokości do 100 MHz. Także pojemność sieci ma się zwiększyć nawet 3-krotnie w porównaniu ze zwykłym LTE.

Jednak LTE-Advanced to przyszłość i w tej chwili trwają intensywne prace nad ukończeniem specyfikacji tego standardu, co planowane jest na rok 2012. Co ciekawe, prace są na tyle zaawansowane, że już od marca 2011 trwają testy pierwszych urządzeń. Wróćmy jednak na ziemię.

4G to marketing

Ze względu na to, że nazwa 4G nie została wyraźnie wskazana w żadnym z dokumentów jako oznaczenie zestandaryzowane, pojawiło się szerokie pole do popisu dla działów marketingu firm telekomunikacyjnych, które postanowiły wykorzystać to niedopatrzenie do własnych potrzeb. Efektem tego stało się reklamowanie rozszerzeń technologii trzeciej generacji, takich jak HSPA i HSPA+DC jako rozwiązań 4G.

Chaos pogłębił Międzynarodowy Związek Telekomunikacyjny, który w grudniu 2010 ogłosił, że można uznać za rozwiązania 4G wszystkie technologie nie spełniające IMT-Advanced, ale wykazujące się istotnym zwiększeniem wydajności w porównaniu z oryginalnym standardem 3G.

W ten sposób operator Play w zasadzie otrzymał przyzwolenie na prowadzenie kampanii marketingowej, reklamującej swoją sieć jako 4G. Podobne działania reklamowe prowadzi wiele innych operatorów na całym świecie.

Wielu specjalistów uważa, że opisywanie sieci działającej w standardzie HSPA jako 4G to swego rodzaju nadużycie terminologiczne, które z jednej strony wprowadza w błąd co do znacznie większej szybkości oferowanych usług w porównaniu z innymi operatorami 3G na rynku, a z drugiej - wprowadza chaos w kontakcie z klientem, utrudniający przyszłe pozycjonowanie technologii IMT-Advanced na rynku.

Technologia w służbie szybkości

W jaki sposób daje się osiągnąć tak wysokie przepustowości transmisji danych przy bardzo małych opóźnieniach w sieciach LTE? Twórcy standardu zastosowali znane już wcześniej rozwiązania i tylko odpowiednio je zoptymalizowali.

Przede wszystkim zastosowana została modulacja, umożliwiająca przesłanie naraz więcej, niż jednego bitu informacji: od 2 przy modulacji QPSK, przez 4 w 16QAM, aż do 6 bitów przy modulacji 64QAM.

Ponadto stosowane są bardzo szerokie kanały transmisyjne. O ile w sieciach trzeciej generacji stosowany był kanał 5-megahercowy, o tyle w LTE można już stosować kanały nawet o szerokości 20 MHz.

W tak szerokich kanałach często zdarzają się różnego rodzaju zakłócenia. W celu zabezpieczenia się przed związanymi z tym problemami w postaci zniekształceń transmisji i odbić, kanał radiowy został podzielony na wiele niezależnych wąskich wycinków o niższej prędkości transmisji przez zastosowanie modulacji OFDM.

Kolejnym rozwiązaniem poprawiającym działanie sieci jest MIMO. Ta technologia, znana między innymi z najnowszych sieci Wi-Fi standardu 802.11n, polega w skrócie na zastosowaniu wielu anten nadawczych i odbiorczych, dzięki czemu połączenie staje się odporne na zaniki związane z wygaszaniem się fal radiowych, a także pozwala na zwiększenie przepływności poprzez nadawanie różnych strumieni danych za pomocą każdej z anten.

Odpowiednie zmniejszenie opóźnienia wnoszonego przez sieć zostało osiągnięte poprzez skrócenie ramki, w której transmitowane są dane. W LTE trwa ona 10 milisekund i składa się z 20 elementów, w których przesyłane są informacje między siecią a użytkownikiem.

Ważnym z punktu widzenia regulatora rynku rozwiązaniem jest możliwość korzystania z dwóch rodzajów transmisji dupleksowej: z zastosowaniem oddzielnych częstotliwości do nadawania i odbierania transmisji jak w technologii 3G (FDD) oraz rozdzielonej czasowo komunikacji dwukierunkowej na jednej częstotliwości (TDD). Dzięki temu Urząd Komunikacji Elektronicznej może zachować zgodność ze schematem częstotliwości obowiązującym w technologiach trzeciej generacji, a jednocześnie wydajniej wykorzystać leżące w jego gestii częstotliwości.

Preferowanym rozwiązaniem w sieciach LTE jest czasowy podział dostępu TDD, który umożliwia dynamiczny dobór pasma przeznaczonego na transmisję w obu kierunkach, dzięki czemu sieć może elastycznie reagować na bieżące potrzeby użytkowników sieci.

Artykuł pochodzi z raportu specjalnego PC World "Internet PL. 20 lat Internetu w Polsce". Wydanie można pobrać bezpłatnie ze strony pcworld.pl/internet.


Zobacz również