E-UTRA

E-UTRAN обладает следующими характеристиками:

• Пиковая скорость загрузки — 299,6 Мбит/с для 4×4 антенн и 150,8 Мбит/с для 2×2 антенн при ширине полосы 20 МГц. LTE Advanced поддерживает до 8×8 антенн со скоростью загрузки до 2998,6 Мбит/с в суммарном 100 МГц канале^[2].
• Пиковая скорость передачи — 75,4 Мбит/с в 20 МГц-канале в стандарте LTE и до 1497,8 Мбит/с в LTE Advanced канале шириной 100 МГц^[2].
• Минимальная задержка при передаче данных (до 5 мс для малых IP-пакетов в оптимальных условиях), сниженная задержка при передаче соединения и установке соединения.
• Поддержка терминалов, двигающихся со скоростью до 350 км/ч либо 500 км/ч в зависимости от диапазона частот.
• Поддержка дуплексной связи с временным дуплексом (TDD) и частотным дуплексом (FDD), а также полудуплекс FDD с той же радиотехнологией.
• Поддержка всех частотных диапазонов, используемых системами IMT-2000 согласно ITU-R.
• Гибкая ширина полосы: стандартизированы полосы 1,4; 3; 5; 10; 15 и 20 МГц. Старая технология UMTS использует фиксированную ширину канала 5 МГц.
• Повышенная в 2-5 раз спектральная эффективность по сравнению с 3GPP (HSPA) релиза 6.
• Поддержка ячеек радиусом от десятков метров (фемто и пикосоты) до макроячеек с радиусом более 100 км.
• Упрощённая архитектура: сетевое ядро E-UTRAN состоит только из узлов eNodeB.
• Поддержка взаимодействия с иными системами связи (например, GSM/EDGE, UMTS, CDMA2000, WiMAX и др.).
• Радиоинтерфейс с коммутацией пакетов.

Несмотря на то, что Universal Mobile Telecommunications System с HSDPA и HSUPA и их усовершенствованными версиями обеспечивал высокую скорость передачи данных, предполагался дальнейший рост использования беспроводных сервисов за счёт увеличения спроса на мобильные услуги и контент, а также продолжающегося снижения стоимости услуг для конечного пользователя. Это требовало не только более быстрого радиоинтерфейса, но и повышения экономической эффективности, чего старшие стандарты обеспечить не могли. Поэтому консорциум 3GPP выдвинул требования к новому радиоинтерфейсу (E-UTRAN) и ядру сети (System Architecture Evolution) для удовлетворения этих потребностей.

Данные повышения производительности позволяют мобильным операторам предоставлять четыре вида услуг (англ. quadruple play): голосовую связь, высокоскоростные интерактивные сервисы с передачей больших объёмов данных, а также IPTV с полной мобильностью.

E-UTRA, начиная с релиза 8 3GPP, проектируется как универсальная платформа развития радиоинтерфейсов GSM/EDGE, UMTS/HSPA, CDMA2000/EV-DO и TD-SCDMA, что позволяет увеличить скорости, спектральную эффективность и поддерживать расширенный функционал.

Сетевая часть E-UTRAN состоит только из eNodeB. Их задачи аналогичны задачам Node B вместе с радиосетевым контроллером (RNC) в UTRAN. Целью данного упрощения является минимизация задержек всех операций радиоинтерфейса. Соединения между eNodeB осуществляются по интерфейсу X2, а к ядру сети с коммутацией пакетов — по интерфейсу S1^[3].

Протокольный стек E-UTRAN состоит из:^[3]

• Физический уровень:^[4] Передаёт всю информацию с транспортных каналов MAC через радиоинтерфейс. Обеспечивает адаптацию канала (ACM), контроль мощности, поиск ячейки (для начальной синхронизации и передачи соединения) и другие измерения для уровня RRC.
• MAC:^[5] Подуровень MAC предоставляет набор логических каналов для подуровня RLC, которые мультиплексируются в транспортные каналы физического уровня. Управляет HARQ-коррекцией ошибок, обработкой приоритизации логических каналов одного UE, динамическим планированием между UE и др.
• RLC:^[6] Передаёт блоки PDUs протокола Packet Data Convergence Protocol (PDCP). Может работать в трёх режимах надежности: с автоматическим повтором и коррекцией ошибок, сегментацией/объединением PDU, упорядочиванием доставки, устранением дубликатов и др.
• PDCP:^[7] Для RRC обеспечивает передачу данных с шифрованием и проверкой целостности. Для IP — транспорт IP-пакетов с применением англ. ROHC, Robust Header Compression, с шифрованием, упорядочиванием, устранением дубликатов и повторной передачей данных при handover.
• RRC (Radio Resource Control):^[8] Включает: трансляцию системной информации, передачу служебных сообщений, организации и освобождение соединений RRC, управление ключами безопасности, handover, сигнальные измерения для межсистемной мобильности, QoS и др.

Смежные уровни со стеком E-UTRAN:

• NAS:^[9] Протокол между UE и MME на стороне сети (вне E-UTRAN). Осуществляет аутентификацию UE, управление безопасностью, генерацию сообщений пейджинга и др.
• IP

E-UTRA использует OFDM с антенной технологией MIMO, в зависимости от категории терминала; для downlink также возможно использование формирования направленного луча, что позволяет обслуживать больше пользователей, повысить скорости и снизить требования к мощности терминалов^[10].

Для uplink LTE используется как OFDMA, так и специализированная версия OFDM с предкодированием, называемая SC-FDMA (одночастотный мультиплексный доступ с разделением по частоте), что позволяет уменьшить недостатки обычного OFDM, связанные с высоким отношением пиковой мощности к средней (PAPR). Высокий PAPR требует более дорогих и неэффективных усилителей, что увеличивает стоимость терминалов и снижает время работы от аккумулятора. В релизе 8 и 9 также реализовано пространственное разделение пользователей (SDMA) / MIMO для uplink; в релизе 10 добавлен SU-MIMO.

В режимах передачи OFDM и SC-FDMA к передаваемым символам добавляется циклический префикс. Два типа циклических префиксов — обычный длиной 4,7 мкс и расширенный длиной 16,6 мкс — используются для поддержки различных задержек распространения.

LTE поддерживает дуплексную связь как с частотным дуплексом (FDD), так и с временным дуплексом (TDD). FDD использует два канала с фиксированным частотным разносом — один для uplink и другой для downlink; TDD — одну частоту поочередно для передачи и приёма. Обе схемы в LTE имеют собственную структуру фреймов, при этом могут использовать схожий аппарат в базовой станции и устройствах, что даёт экономию масштаба. TDD-режим согласован с TD-SCDMA, что упрощает их совместную работу. Доступны единые чипсеты с поддержкой режимов TDD-LTE и FDD-LTE.

Временная структура LTE: радиофрейм длится 10 мс и делится на 10 подфреймов по 1 мс. Для всех сервисов, кроме Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS), подфреймы имеют частотный шаг поднесущих OFDMA 15 кГц. 12 одновременных поднесущих в течение 0,5 мс времени составляют блок ресурсов^[11]. На терминал может быть выделено минимум 2 блока ресурсов за 1 подфрейм (1 мс) для downlink и uplink^[12].

Вся транспортная информация L1 кодируется турбокодами и внутренними препроцессорами на основе квадратичного перестановочного многочлена (QPP)^[13]. Для downlink применяется на физическом уровне гибридный ARQ (HARQ) с 8 (FDD) или до 15 (TDD) параллельными процессами; для uplink — до 8 процессов.

Downlink использует несколько физических каналов:^[14]

• Physical Downlink Control Channel (PDCCH): несёт, в частности, информацию о выделении downlink-каналов и грантах на uplink для UE.
• Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH): передача индикаторов формата управляющей информации (CFI).
• Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH): передача подтверждений для uplink-передачи.
• Physical Downlink Shared Channel (PDSCH): канал передачи L1-транспортных данных. Используемые модуляции: QPSK, 16QAM и 64QAM.
• Physical Multicast Channel (PMCH): используется для широковещательных передач по принципу единой частотной сети.
• Physical Broadcast Channel (PBCH): широковещательный канал основного системного сообщения в пределах ячейки.

Сигналы:

• Synchronization signals (PSS и SSS): обеспечивают UE обнаружение LTE-сот и синхронизацию.
• Reference signals (зависят от ячейки, MBSFN, либо UE): используются UE для оценки downlink-канала.
• Positioning reference signals (PRS): добавлены в релизе 9, позволяют UE выполнять OTDOA позиционирование по принципу мультилатерации.

Uplink использует три физических канала:

• Physical Random Access Channel (PRACH): служит для установки соединения и если UE утратил синхронизацию uplink^[15].
• Physical Uplink Shared Channel (PUSCH): передаёт L1-транспортные данные uplink и управляющую информацию. Поддерживает модуляции QPSK, 16QAM, а для некоторых категорий UE — 64QAM. Только этот канал (для большего BW) использует SC-FDMA.
• Physical Uplink Control Channel (PUCCH): несёт управляющую информацию. Для uplink в PUCCH передаются только подтверждения по DL и отчёты CQI, поскольку все UL-параметры передачи определяются сетью и передаются UE через PDCCH.

Сигналы:

• Reference signals (RS): используются eNodeB для оценки uplink-канала при декодировании передачи UE.
• Sounding reference signals (SRS): применяются eNodeB для оценки характеристик uplink-канала каждого пользователя и оптимизации планирования.

В релизе 8 3GPP определяет пять категорий UE для LTE по максимальной пиковой скорости и поддержке MIMO. В релизе 10, описывающем LTE Advanced, добавлено три новые категории; к релизу 15 их стало 18^[2].

Примечание: Максимальные скорости указаны для каналов шириной 20 МГц. Начиная с 6-й категории, значения приведены для нескольких объединённых 20 МГц-каналов. При меньшей полосе максимальные скорости будут ниже.

Примечание: Скорости приведены для L1 и не учитывают накладные расходы вышестоящих слоёв. Фактическая скорость зависит от ширины канала ячейки, нагрузки, конфигурации сети, возможностей устройств, условий распространения и др.

Примечание: Первая официальная скорость 3,0/1,5 Гбит/с (категория 8) близка к пиковому агрегированному значению для одного сектора базовой станции. Реалистичная максимальная скорость для одного пользователя — 1,2 Гбит/с для downlink и 600 Мбит/с для uplink^[16]. Компания Nokia Siemens Networks продемонстрировала downlink-скорость 1,4 Гбит/с в агрегированном 100 МГц-канале^[17].

Как и остальные стандарты 3GPP, E-UTRA делится на несколько релизов:

• Релиз 8, утверждён в 2008 году, — первый стандарт LTE
• Релиз 9, утверждён в 2009 году, — добавил черты физического уровня, как двухслойные (MIMO) передачи с формированием луча и поддержку позиционирования мобильных устройств
• Релиз 10, утверждён в 2011 году, — расширил стандарт многими функциями LTE Advanced: агрегация несущих, MIMO для uplink, ретрансляторы, повышение пиковых скоростей L1

Все релизы LTE проектируются с обратной совместимостью: например, терминал, поддерживающий релиз 8, будет работать в сети релиза 10, но новые функции доступны только устройствам соответствующего релиза.

См. подробно: LTE#Частотные диапазоны и ширины каналов

См. подробно: LTE#Внедрение по регионам

• В сентябре 2007 года компания NTT Docomo продемонстрировала E-UTRA со скоростью 200 Мбит/с и энергопотреблением менее 100 мВт во время испытаний^[18].
• В апреле 2008 года LG и Nortel продемонстрировали E-UTRA со скоростью 50 Мбит/с при движении со скоростью 110 км/ч^[19].
• 15 февраля 2008 года компания Skyworks Solutions представила фронт-энд модуль для E-UTRAN^[20].^[21][22]