Bitwa o internet - krótka historia i droga do LTE

Pozbycie się ograniczających wszystko kabli okazało się potężnym impulsem dla całej branży komputerowej, która szybko znalazła sposób na wykorzystanie nowych mobilnych technologii. Bezprzewodowość oznaczała duże zmiany niemal we wszystkich dziedzinach życia - od prostego korzystania z internetu począwszy, aż po zaawansowane projekty badawcze mające na celu stworzenie mapy geologicznej naszego globu. W ten sposób mobilność stała się synonimem komfortu i użyteczności. I pomyśleć, że prawdziwa ewolucja internetu zaczęła się od ... telefonu komórkowego. 

To właśnie na potrzeby telefonii komórkowej zaczęto opracowywać technologie transmisji danych, które mogłyby pozwolić na zwiększenie przepływności informacji w ramach sieci. Pierwszym krokiem na drodze do mającej nastąpić wkrótce rewolucji w transferze danych było  stworzenie technologii CSD (Circuit Switched Data), a później HSCSD (Hight Speed Circuit Switched Data). Oba te tryby wykorzystywały stacje bazowe GSM, działając na zasadzie komutacji łączy. Oznacza to ni mniej ni więcej, że podczas przesyłania danych zajmowane były te same kanały radiowe, które wykorzystywane były w czasie normalnej rozmowy. Słabą stroną tych technologii były więc nie tylko stosunkowo niskie prędkości transferów (w przypadku HSCSD - 57,6 kb/s odbieranie i 14,4 kb/s - wysyłanie), ale i bardzo wysokie koszty eksploatacji takiej usługi. Opłaty pobierane były bowiem za cały czas połączenia z internetem, nawet gdy żadna transmisja nie miała miejsca.

Pomimo sporych ograniczeń tych technologii branża telekomunikacyjna nie zamierzała na tym poprzestać i dalej pracowała nad zwiększeniem przepustowości transmisji . W ten sposób powstała technologia GPRS (General Packet Radio Service), a później EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), nazywana również EGPRS, czyli Enhanced GPRS. Obie oparte były na komutacji pakietów przesyłanych przez niezależną sieć od GSM, pozwalając na znacznie obniżenie kosztów dostępu do internetu.

Na rynku zaczynało robić się tłoczno od kolejno wydawanych standardów mobilnego internetu. Dlatego właśnie w 1998 roku powołano do życia specjalny instytut standaryzacyjny 3GPP (3rd Generation Partnership Project), zrzeszający narodowe i międzynarodowe organizacje odpowiedzialne za telekomunikacje. Jego głównym zadaniem było stworzenie spójnego systemu telefonii komórkowej trzeciej generacji - UMTS. W pierwszym jego opracowaniu znalazła się technologia WCMDA (Wideband Code Division Multiple Access), służąca do transmisji danych. Dalej poszło już z górki.

3GPP, które zajęło się ustalaniem standardów i ich specyfikacji, w ciągu kilkunastu ostatnich lat udostępniło dokumentacje jeszcze wydajniejszych technologii transferu danych. Pośród opublikowanych dotąd stabilnych wydań (release) zestawów standardów i specyfikacji znalazły się więc między innymi HSDPA (High Speed Downlink packet Access), HSUPA (High Speed Uplink Packet Acces), HSPA+  (Evolved High Speed Packet Access) oraz LTE (Long Term Evolution).Ta ostatnia określana jest też mianem systemu telefonii komórkowej czwartej generacji. Warto jednak wiedzieć, że LTE to tak naprawdę system 3,9G, bo dopiero kolejny standard - LTE Advanced spełnia oryginalne kryteria Międzynarodowego Związku Telekomunikacyjnego dla  4G określone w IMT-Advanced. Tak czy inaczej - jesteśmy świadkami nowej ery mobilnego internetu, bo oto LTE pojawiło się w Polsce.

LTE: podstawowe założenia technologii

Zapewne czujecie się teraz nieco zdezorientowani. Sieć 4G dopiero wchodzi na rynek? A co z szumnymi zapowiedziami sieci Play, która mieni się być pierwszą telefonią czwartej generacji? To zwykły chwyt marketingowy. Prawdziwe 4G dopiero nadejdzie, a LTE jest jej przedsmakiem.

Jak każdy z nowych standardów, także i LTE musiał spełniać pewne ściśle określone wymogi, które ustalone zostały przez instytut 3GPP. Te ramowe założenia wyznaczały kierunek prac nad tą technologią. Wśród nich wymienić można:

• redukcje kosztów przesyłu danych przypadających na jeden bit
• elastyczne użycie różnych pasm częstotliwości
• zwiększenie liczby dostępnych usług
• uproszczoną architekturę
• otwarty interfejs
• rozsądne zużycie mocy przez terminale

Natomiast właściwa specyfikacja techniczna Long Term Evolution, według dokumentu 3GPP Release 8 prezentuje się następująco:

• maksymalna szybkość łącza w dół (Downlink) w warstwie radiowej 326,4 Mb/s, przy zastosowaniu modulacji 64QAM, szerokości kanału 20 MHz i matrycy MIMO 4x4
• maksymalna szybkość w górę (Uplink) - 86,4 Mb/s, przy zastosowaniu modulacji 64QAM i szerokości kanału 20 MHz
• szerokość kanałów - 1.4, 3, 5, 10, 15 i 20 MHz
• praca w trybie FDD (Frequency Division Duplex) i TDD (Time Division Duplex)
• co najmniej 200 użytkowników w każdej komórce
• optymalny promień komórki (zasięg) - do 5 km
• opóźnienie małych pakietów <5ms
• zachowanie wysokich parametrów sieci dla użytkowników pozostających w ruchu do 120km/h (funkcjonalnie do 350 km/h)

Jeśli powyższe zapisy wydają się wam nieco zagmatwane, to ewentualne niejasności rozwieją się same w dalszej części niniejszej publikacji. Nim jednak przejdziemy dalej, musimy przybliżyć jeszcze jedno istotne zagadnienie - techniki wykorzystywane w technologii  LTE. To one są bowiem gwarantem jak najefektywniejszej eksploatacji pasma.

Techniki wykorzystywane w technologii  LTE

• MIMO (Multiple Input Multiple Output) służy poprawieniu jakości sygnału poprzez zbieranie go z różnych ścieżek i sumowaniu jego części składowych. Stało się to możliwe dzięki wykorzystaniu kilku anten (matrycy antenowych). Obecnie najpopularniejszymi są matryce 2x2
• HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) to protokół telekomunikacyjny odpowiedzialny za bezbłędny przesył danych nawet w czasie trudnych warunków propagacyjnych (w II/III typie tego protokołu strukturę przesyłanych danych dostosowuje się do warunków panujących w kanale transmisyjnym)
• OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) to metoda modulacji polegająca na jednoczesnej transmisji wielu strumieni danych na ortagonalnych częstotliwościach nośnych. Innymi słowy - transmisja o dużej przepływności zostaje rozłożona na kilka wolniejszych strumieni, co pozwala na efektywne wykorzystanie pasma przy jednoczesnej zmniejszonej wrażliwości na niedokładność synchronizacji oraz zakłócenia spowodowane odbiciami i interferencją. Technikę OFDM wykorzystuje się dla downlinku.
• SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access) - o ile downlink w LTE opiera się o OFDM, o tyle w uplinku ta metoda niezbyt się sprawdza. Dlatego właśnie uplink bazuje na SC-FDMA, którego zaletą jest niski pobór mocy. Dzięki wykorzystaniu tylko jednej nośnej rozwiązanie to jest znacznie praktyczniejsze, szczególnie dla rynku urządzeń mobilnych.
• SAE (System Architecture Evolution) - wymagania stawiane technologii LTE w kwestii wysokiej przepustowości i małych opóźnień wymusiły zmiany w całej strukturze sieci. I tak dzięki odchudzeniu szkieletu sieci i przeniesieniu części jej funkcji na obrzeża udało się usprawnić routing i zmniejszyć opóźnienia. Zwiększona pojemność sieci zapewnia zaś przepustowość na poziomie 150 Mb/s. Dane przesyłane są za pomocą nowoczesnych protokołów IP (IPv4, IPv6).
• SON (Self-Organizing Networks) pozwala na zmniejszenie kosztów operacji związanych z konfiguracją, optymalizowanie i naprawianiem sieci, które mają następować niejako automatycznie. trzy główne funkcje SON to samokonfiguracja, samooptymalizacja i samonaprawianie.

Z powyższej specyfikacji i opisów wykorzystywanych technik wyłania się obraz technologii niemal rewolucyjnej. Zmiany jakie przynosi ze sobą LTE są tak duże, że właściwie można tu już mówić o kolejnym skoku... cywilizacyjnym. Maksymalna przepustowość sieci i prędkości transmisji danych sięgające nawet do 300 Mb/s (do abonenta) przy opóźnieniach nie większych niż 10ms to tylko część z całej masy zalet tej technologii.

LTE zakłada elastyczne wykorzystanie różnych pasm częstotliwości - od 800 MHz do 2,6 GHz, co pozwoli na znaczne zwiększenie działania usługi. Co więcej, dzięki specjalnym trybom oszczędzania energii urządzenia mobilne współpracujące z technologią LTE będą w stanie dłużej i efektywniej pracować z dala od źródeł zasilania. Nie bez znaczenia pozostaje również fakt znacznego ograniczenia kosztów po stronie operatorów. Owszem, budowa całej infrastruktury LTE będzie z pewnością bardzo drogą inwestycją, ale jej dalsza eksploatacja przyniesie znacznie większe zyski od dotychczasowych. Spora w tym zasługa zmienionej architektury sieci i uproszczonego zarządzania.

Czy LTE ma więc jakieś wady? Owszem, ma. Najważniejsza z nich wynika z faktu, że każda nowa technologia to zawsze spora niewiadoma. Pompowanie olbrzymich pieniędzy w rozwój sieci LTE jest ryzykowne i część tego ryzyka przekładana jest na przyszłych odbiorów usługi. Przynajmniej początkowo, bo w miarę upowszechniania się standardu wszystko powinno się unormować. Na razie jednak LTE wcale nie rysuje się tak różowo, jak mogłoby się wydawać.