Введение
Быстрый рост трафика в беспроводных сетях связи и ограниченность частотного ресурса, выделяемого операторам мобильной связи, заставил разработчиков телеком оборудования обратить внимание на нелицензируемые диапазоны частот. Использование нелицензируемых диапазонов частот представляет большой интерес и для операторов мобильной связи, что позволяет им существенно увеличить емкость мобильной сети связи. Нелицензируемый спектр, доступный во всем мире, включает диапазоны частот 2.4 ГГц, 5ГГц и 60 ГГц. В настоящее время организация 3GPP продолжает разработку и стандартизацию радиосети доступа пятого поколения 5G NR (New Radio), где как одна из функциональных возможностей, так же как и в существующих стандартах 4G LTE, заложена работа в нелицензионных диапазонах частот. Один из основных критичных моментов, который возникает при работе мобильных сетей в указанных диапазонах, это обеспечение честного и гармоничного сосуществования с другими системами, также работающими в этих диапазонах, такими как WiFi (802.11a/h/j/n/ac/ax) в диапазоне 5ГГц и WiGi (Wireless Gigabit, IEEE 802.11ad/ay) в диапазоне 60ГГц. Взаимное сосуществование мобильных технологий и технологий WiFi в диапазоне 5ГГц в последнее время очень хорошо изучено и предложены различные решения сосуществования мобильных сетей LTE и WiFi.
Рисунок 1. Взаимное сосуществование различных технологий.
Рассмотрим основные решения LTE-U, LAA, LWA и MulteFire (см. Рисунок 1), которые в настоящий момент готовы к коммерческому внедрению.
LTE-U
Технология LTE-U (англ. LTE-Unlicensed) считается первой технологией использования нелицензируемого спектра частот стандартами LTE. Впервые появилась не в стандартах 3GPP, но в последствии была формализована в 3GPP Rel.12. В LTE-U используется только канал передачи данных вниз (канал downlink). LTE-U используется на рынках соединенных штатов Америки, южной Кореи, Китае и Индии. Технология использует принцип доступа CSAT (Carrier Sensing Adaptive Transmission), когда разрешено использовать спектр частот в любое время на столько долго на сколько это необходимо если это не мешает другим технологиям. В технологии LTE-U используется такая же структура фреймов, как и в традиционном LTE. Схема организации связи приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Технология LTE-U.
Проблем внедрения технологии не существует если отсутствуют в этом же диапазоне сети WiFi. При наличии сети WiFi в которых по умолчанию используется алгоритм доступа LBT (listen before talk), возможно существенное влияние одной технологии на другую (LTE <-> WiFi), и в данном случае требуется дополнительная оптимизация LTE-U сети.
LAA
Технологию LAA (англ. Licensed Assisted Access) можно считать дальнейшим развитием технологии LTE-U. Технология стандартизирована и впервые описана в 3GPP Rel.13. В первом варианте исполнения технология так же как и LTE-U поддерживала только передачу данных по каналу downlink, что в последствии было доработано и начиная с 3GPP Rel.14, где технологию стали называть eLAA (enhancements to LAA), или начиная с 3GPP Rel.16 - FeLAA (Further enhancement on LAA), используется как канал линии вниз (downlink) так и канал линии вверх (uplink). В технологиях LAA используется алгоритм доступа LBT, что позволяет более существенно снизить взаимное влияние технологии LTE и WiFi при работе в одном диапазоне частот. Схема организации связи семейства технологий LAA приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Технологии LAA/eLAA/FeLAA.
В отличие от LTE-U, технология LAA для минимизации интерференции использует новую структуру фрейма на канале вниз (Frame Structure Type 3). При работе в диапазоне 5 ГГц используется LTE Band 46, диапазон частот 5150 МГц – 5950 МГц (подробнее в ETSI TS 136 101).
LWA
Технология LWA (англ. LTE-WLAN Aggregation) также один из видов доступа с использованием нелицензируемого спектра. В отличие от LAA, технология LWA при работе в нелецинзируемом спектре для передачи информации на физическом уровне использует точки доступа WiFi стандартов 802.11, т.е. передаваемые пакеты сети LTE инкапсулируются в пакеты WiFi. Существует два сценария внедрения LWA – совмещенный (англ. Colocated) и не совмещенный (англ. Non-Colocated) как показано на рисунке 4.
Рисунок 4. Технология LWA.
Независимо от сценария внедрения передаваемые данные разделяются на уровне PDCP стандарта LTE и пересылаются в LWAAP (протокол адаптации LWA), который, в свою очередь, перенаправляет их на физический уровень сети WLAN. Различие между этими двумя сценариями заключается в расположении стека WLAN MAC/PHY. В совмещенном сценарии WLAN MAC/PHY находится внутри базовой станции eNB (то есть там же, где и LTE Radio Stack). В данном случае, LTE PDCP может подключаться к LWAAP напрямую, и ему не нужен какой-либо специальный интерфейс взаимодействия между LTE и WLAN. В случае же не совмещенного сценария WLAN MAC/PHY располагается удаленно от eNB. В данном случае для организации взаимодействия используется специальный интерфейс Xw (Xw-C и Xw-U) для передачи управляющих и пользовательских данных между LWAAP и WLAN MAC/PHY.
MulteFire
Технология MulteFire основана на стандартах 3GPP LTE и разработана альянсом MulteFire Alliance. Основное отличие от всех других видов нелицензируемого доступа заключается в том, что MulteFire может работать в нелицензируемом спектре самостоятельно и независимо от сетей связи операторов связи. Релиз 1.0 спецификации MulteFire впервые был опубликован в январе 2017 года. На рисунке 5 показана схема организации связи отдельно стоящего внедрения сети MulteFire с организацией взаимодействия с сетями 3GPP.
Рисунок 5. Отдельно стоящее внедрение MulteFire.
В данном случае пользовательское оборудование, поддерживающее MulteFire одновременно подключено и к сети MulteFire и сети 3GPP.
На рисунке 6 показана схема организации связи сети MulteFire при реализации плотного взаимодействия с сетью 3GPP. В данном случае пользовательское оборудование MulteFire подключено к только одной сети, или MulteFire или 3GPP одновременно. Также возможна реализация комбинированного решения.
Рисунок 6. Плотное взаимодействие MulteFire с 3GPP сетями.
Заключение
Технологиям доступа при использовании нелицензируемого спектра частот безусловно будет уделяться повышенное внимание как операторами связи, так и производителями телекоммуникационного оборудования. При внедрении решений необходимо учитывать специфику локального законодательства при работе в нелицензируемом спектре частот, где накладываются определённые ограничения на максимальную излучаемую мощность и максимальную спектральную плотность мощности. Рядовым пользователям необходимо учитывать, что при использовании описанных выше технологий как сеть оператора связи, так и мобильный телефон должны поддерживать указанную технологию.
Литература
1. Стандарты 3GPP LTE
2. http://www.sharetechnote.com
3. https://www.multefire.org
