УДК 621.396.1

СЕТИ 4G: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Богомолова Екатерина Андреевна1, Пилипенко Александр Михайлович2
1Южный федеральный университет, студентка Института радиотехнических систем и управления
2Южный федеральный университет, кандидат технических наук, доцент кафедры теоретических основ радиотехники

Аннотация
В работе представлен обзор основных технологий беспроводных сетей связи четвертого поколения (4G). Приведены важнейшие характеристики сетей 4G и описаны методы передачи данных в этих сетях. Определены достоинства и недостатки стандартов четвертого поколения LTE и WiMAX. Представлены главные тенденции развития сетей 4G.

Ключевые слова: беспроводные сети, методы модуляции, разделение каналов, скорость передачи данных, сотовая связь, телекоммуникации, цифровые технологии


4G NETWORKS: CURRENT STATUS AND PROSPECTS OF DEVELOPMENT

Bogomolova Ekaterina Andreevna1, Pilipenko Alexandr Mikhailovich2
1Southern Federal University, Student of the Institute of Radio Engineering Systems and Control
2Southern Federal University, Candidate of Engineering Science, Associate Professor of the Department of Fundamentals of Radio Engineering

Abstract
The paper provides an overview of the main technologies of the fourth generation wireless communications (4G). The most important characteristics of 4G networks are presented and data transmission methods in these networks are described. The advantages and disadvantages of the fourth generation standards LTE and WiMAX are defined. The main trends in the development of 4G networks are presented.

Keywords: cellular communications, channel division, data transmission rate, digital technologies, modulation methods, telecommunications, wireless networks


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Богомолова Е.А., Пилипенко А.М. Сети 4G: современное состояние и перспективы развития // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/10/70415 (дата обращения: 28.09.2017).

Темпы и направления развития технологий беспроводного доступа в настоящее время определяются рядом факторов, среди которых можно выделить ограниченность радиочастотного ресурса, рост пользовательского трафика, различия потребностей абонентов и т.д. Будущее внедряемой технологии зависит также от экономических аспектов, а не только технических достоинств (обеспечение значительно большей скорости передачи данных, эффективность использования спектра, выбор частоты функционирования). Кроме того, немалое значение имеет совместимость с системами предыдущего стандарта, стационарными сетями, уместность применения данной спецификации в различных средах.

Фактически, каждое новое поколение мобильной связи начинало разрабатываться примерно через промежуток в десять лет после предыдущего. Сети беспроводной связи четвертого поколения (4G) на основе IP-протокола начали свое развитие в 2000-х годах и в настоящее время уже внедряются во многих странах.

Право стандарта называться термином 4G определяется его соответствием критериям, прописанным Международным союзом электросвязи (ITU-R). В 2008 году он определил ряд требований для стандарта международной подвижной беспроводной широкополосной связи 4G, названного спецификацией International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-A). В соответствии со спецификацией IMT-A сеть 4G должна поддерживать пиковые скорости 100 Мбит/с – для абонентов с высокой мобильностью и 1 Гбит/с – для абонентов с низкой мобильностью [1]. Кроме того, сеть 4G должна обеспечивать возможность хэндовера через различные сети и поддерживать мобильные услуги с высоким качеством, включая удобные для пользователя приложения и оборудование.

В настоящее время наиболее перспективными радиоинтерфейсами считаются мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (Orthogonal frequency-division multiplexing – OFDM) и пространственное кодирование сигнала, при котором передача и прием данных реализуется системами из нескольких антенн (Multiple Input Multiple Output – MIMO).

Метод OFDM позволяет осуществлять передачу информации в условиях сложного канала, в частности – при многолучевом приеме, что, к примеру, актуально в городах с разноэтажной застройкой. Многократные отражения радиосигнала от зданий, других сооружений представляют собой помехи, широко распространенные в цифровых системах. При использовании OFDM высокоскоростной поток данных разделяется на ряд более низкоскоростных потоков, каждый из которых передается на отдельной поднесущей. Впоследствии низкоскоростные потоки данных объединяются. Каждая поднесущая модулируется независимо от другой поднесущей (вид модуляции может быть различным: QPSK, ВPSK, 64-QAM и др.). На приемной стороне, несмотря на сильное перекрытие смежных спектров поднесущих, помехи от соседних частот компенсируются, благодаря ортогональному способу демодуляции. Перенос битов в параллельных цифровых потоках позволяет реализовать охранный временной интервал для каждого передаваемого символа OFDM, а его наличие, в свою очередь, помогает устранить межсимвольную интерференцию при передаче [2].

Особенность технологии MIMO заключается в использовании нескольких антенн на приемной и передающей стороне, то есть данные могут передаваться по нескольким независимым каналам. Это позволяет в разы повысить пропускную способность сети [3].

Международный союз электросвязи официально признал «технологиями четвертого поколения» интерфейсы IEEE 802.16m (WirelessMAN-Advanced – WiMAX-2) и LTE-Advanced (LTE-A) [4]. Первоначально разработанные для решения разных технологических задач, в условиях постоянной конвергенции служб беспроводной связи WiMAX и LTE стали выступать конкурентами, к примеру, в диапазонах 2300 МГц и 2600 МГц.

Среди главных преимуществ LTE-A, прежде всего, − расширение полосы пропускания и скорости передачи за счет агрегации частотных диапазонов [5]. Абонентское устройство может суммировать каналы на разных частотах, доступных оператору (как в смежных, так и несмежных полосах). Так, использование ряда «компонентных» несущих позволяет создать канал с шириной до 100 МГц, а значит, намного увеличить пропускную способность. Однако такой метод связан с определенными сложностями, например, повышением стоимости пользовательского оборудования: терминал должен одновременно принимать одну либо несколько компонентных несущих.

В LTE-A усовершенствована технология множественного доступа в восходящем канале благодаря кластерному SC-FDMA (представляет собой распространение дискретного преобразования Фурье на OFDM (DFT-S-OFDM)). Схема кластерного SC-FDMA аналогична стандартному SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access), но позволяет для осуществления передачи выделить несмежные (кластерные) группы поднесущих вместо одной поднесущей. С другой стороны, при несомненном выигрыше этой технологии по гибкости использования спектра, она требует перепланирования и выделения новых радиочастотных ресурсов.

В свою очередь, по сравнению с системами 3G, релиз 2.0 мобильного WiMAX (WiMAX-2) вдвое повышает спектральную эффективность в нисходящем и восходящем каналах. Пиковые скорости стандартов LTE-A и WiMAX-2 существенно не различаются, в них используется и временное и частотное дуплексирование (разделение восходящего и нисходящего каналов), а также передовые технологии MIMO (4х4, к примеру, одна из самых распространенных спецификаций). Однако, во-первых, системы WiMAX имеют преимущество по времени появления на рынке связи в 2 года, так как к 2009 году ряд коммерческих сетей уже были введены в эксплуатацию. Во-вторых, внедряемая технология должна обеспечивать удобный переход от систем 3G к усовершенствованным, будучи развернутой на базе существующих сетей. В случае LTE-A это более проблематично, так как эта спецификация требует революционного улучшения 3G, тогда как переход к WiMAX-2 достаточно плавный, и совместимость с предыдущими релизами гарантирована. Более того, главный поставщик элементной базы систем WiMAX – компания Intel – один из крупнейших производителей на сегодняшний день.

И все же, несмотря на преимущество более раннего выхода WiMAX на рынок связи, LTE-A также представляет собой динамично развивающуюся систему и приспособленную к массовому развертыванию, поскольку ожидается, что именно она будет призвана справиться с быстрым ростом мобильного трафика. К середине 2015 года 88 компаний из 45 стран предоставляли услуги на базе LTE-Advanced.

Таким образом, в настоящее время вопрос о решении мирового рынка в пользу того или иного стандарта остается спорным. Согласно многим прогнозам, WiMАХ будет отведена роль нишевой технологии, тогда как многие крупные операторы беспроводной широкополосной передачи данных ориентируются на переход к LTE. В свою очередь, в некоторых сферах деятельности, не требующих кардинально новых скоростей передачи, этот переход не востребован, так как связан с большими финансовыми затратами на усовершенствованное оборудование и нехваткой радиочастотного спектра. Кроме того, достаточно часто поднимается вопрос объединения двух данных технологий. Интерес к созданию интегральных микросхем, поддерживающих оба стандарта, уже проявляли такие компании, как Clearwire, Intel. Поэтому одной из главных тенденций развития сетей 4G можно назвать ориентацию на создание гибридных сетей WiMAX/LTE.


Библиографический список
  1. ITU global standard for international mobile telecommunications ´IMT-Advanced´, 2010. – URL: http://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-adv/Pages/default.aspx (дата обращения 11.07.2016).
  2. Волков Л.Н., Немировский М.С., Шинаков Ю.С. Системы цифровой радиосвязи: базовые методы и характеристики: Учеб. пособие. – М: Эко-Трендз, 2005. – 392 с.
  3. Пилипенко А.М. Особенности применения технологии MIMO для повышения пропускной способности беспроводных сетей связи // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. – URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/12/60066 (дата обращения: 11.07.2016).
  4. Пилипенко А.М., Ефремов С.А. Проектирование беспроводной городской сети связи четвертого поколения // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 12 [Электронный ресурс]. – URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/12/61436 (дата обращения: 11.07.2016).
  5. Румни М. Введение в LTE-Advanced // Электронные компоненты. 2011. № 5 [Электронный ресурс]. – URL: http://www.russianelectronics.ru/leader-r/review/2187/doc/56316/ (дата обращения: 11.07.2016).


Все статьи автора «Пилипенко Александр Михайлович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: