LTE

Стандарт разрабатывается консорциумом 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и зафиксирован в сериях документов Release 8 (с незначительными доработками в Release 9). Наряду с 3.95G, LTE также продвигается под названиями 4G LTE и Advanced 4G, однако исходная версия не соответствовала техническим требованиям 4G, определённым в Release 8/9 для LTE Advanced. Эти требования задал ITU-R в спецификации IMT Advanced. Позднее, под влиянием рынка и технического прогресса, международная организация ITU-R признала LTE, а также WiMAX и Evolved High Speed Packet Access, технологиями 4G^[6]. Стандарт LTE Advanced формально удовлетворяет требованиям ITU-R для IMT-Advanced^[7]. Для различения LTE Advanced и WiMAX-Advanced от «текущих» технологий 4G, ITU определяет последние как «True 4G»^[8].^[5]

LTE (англ. Long-Term Evolution) — зарегистрированный товарный знак ETSI (European Telecommunications Standards Institute) для технологии беспроводной передачи данных и развития стандартов GSM/UMTS^[9]. К проекту, помимо ETSI, активно подключены другие мировые организации и компании.

Целью LTE было повысить пропускную способность и скорость мобильных сетей за счёт цифровой обработки сигналов и новых методов модуляции рубежа 2000-х годов. Помимо этого планировались упрощение архитектуры сети (переход к системе, полностью основанной на IP-протоколе) и существенное сокращение сетевой задержки по сравнению с 3G. Протокол LTE несовместим по радиоинтерфейсу с 2G и 3G, поэтому требует выделенного полосового спектра.

Впервые идея LTE была озвучена в 1998 году (COFDM-радиодоступ на смену CDMA, рассмотрение в L-диапазоне), а в 2004 году официально предложена японской NTT Docomo. В 2005 году стартовали формальные исследования стандарта^[10]. В мае 2007 года создан альянс LTE/SAE Trial Initiative (LSTI) для координации усилий поставщиков и операторов в глобальном внедрении LTE^[11].^[12]

Стандарт LTE был окончательно утверждён в декабре 2008 года, а первый коммерческий запуск состоялся 14 декабря 2009 года в Осло и Стокгольме компанией TeliaSonera. Это был доступ в интернет через USB-модем. В 2010 году появился первый в мире мобильный телефон с LTE — Samsung SCH-r900, а с февраля 2011 — первый LTE-смартфон Samsung Galaxy Indulge (оба — для оператора MetroPCS). Вторым массовым LTE-смартфоном стал HTC ThunderBolt от Verizon^[13].^[14][15][16] В Канаде первая сеть LTE появилась у Rogers Wireless (июль 2011 года — продажа USB-модема Sierra Wireless AirCard 313U и затем устройств HTC и Samsung)^[17].

Сначала операторы CDMA планировали переходить на конкурирующие технологии UMB и WiMAX, но крупные компании (Verizon, Sprint, MetroPCS — США; Bell, Telus — Канада; KDDI — Япония; SK Telecom — Южная Корея; China Telecom и China Unicom — Китай) объявили о миграции именно на LTE. Следующее развитие — LTE Advanced, стандартизированный в марте 2011 года. Коммерческие сервисы стартовали в 2013 году, дальнейшая эволюция получила название LTE Advanced Pro (утверждён в 2015 году)^[18].

Спецификация LTE предусматривает максимальные скорости приёма до 300 Мбит/с, передачи — до 75 Мбит/с при задержках менее 5 мс в радиодоступе (E-UTRA). Поддерживаются быстро движущиеся устройства, трансляции мульти- и широковещательных потоков, масштабируемая ширина канала (от 1,4 до 20 МГц), оба режима дуплекса — FDD и TDD. Сетевой стек на базе Evolved Packet Core (EPC) обеспечивает бесшовную работу с сетями GSM, UMTS и CDMA2000^[19]. Упрощение архитектуры снижает издержки: один сегмент E-UTRA способен поддерживать в 4 раза больше трафика и голосовых соединений, чем HSPA^[20].

Из-за различий в используемых диапазонах частот LTE по странам, устройства должны поддерживать несколько диапазонов для работы по всему миру.

• 2004 — NTT Docomo (Япония) предлагает LTE как международный стандарт^[21].
• Сентябрь 2006 — Siemens Networks и Nomor Research демонстрируют первую живую эмуляцию LTE.
• Февраль 2007 — Ericsson впервые в мире показывает работу LTE на скорости до 144 Мбит/с^[22].
• Сентябрь 2007 — NTT Docomo демонстрирует скорость LTE 200 Мбит/с при мощности менее 100 мВт.
• Ноябрь 2007 — Infineon представляет первый в мире радиочип SMARTi LTE для поддержки LTE в одном чипе^[23].
• 2008 — начало поставки тестового оборудования LTE от ряда компаний, демонстрация первого end-to-end мобильного вызова LTE (Ericsson).
• Февраль 2008 — демонстрации передачи HD-видео и online-игр по LTE.
• Апрель 2008 — демонстрация первых hand-off с EV-DO на LTE и обратно (Motorola), передачи данных на скоростях до 50 Мбит/с при 110 км/ч (LG и Nortel).
• Ноябрь 2008 — первые сессии LTE в спектре 700 МГц (Motorola).
• 14 декабря 2009 — первый запуск коммерческой сети LTE в Стокгольме и Осло (TeliaSonera/NetCom (Norway)), на оборудовании Huawei (Осло), Ericsson (Стокгольм).
• 2010—2011 — запуск и тестирование LTE в различных странах Европы, Азии и Северной Америки; появление первых LTE-смартфонов (Samsung Galaxy Indulge — февраль 2011, HTC ThunderBolt — март 2011).

Большинство операторов GSM и HSUPA планируют модернизацию сетей до LTE. Некоторые ключевые этапы:

• Август 2009: Telefónica начинает тестирование LTE в Испании, Великобритании, Германии, Чехии, Бразилии и Аргентине^[24].
• 24 ноября 2009: Telecom Italia анонсирует первое открытое предпромышленное внедрение LTE.
• 14 декабря 2009: TeliaSonera запускает первую в мире коммерческую сеть LTE (Стокгольм, Осло).
• 6 октября 2010: Rogers Communications начинает LTE-тесты в Оттаве (Канада).
• 7 июля 2011: Rogers Wireless — запуск первой LTE-сети в Канаде.
• К 2019 году запущено 717 коммерческих LTE-сетей в мире^[25].

Самые массовые по охвату страны (февраль/март 2019, по данным OpenSignal):

Полный перечень приводится в статье Список стран по проникновению 4G LTE.

LTE с временным дуплексом (LTE-TDD, также TDD LTE) — разновидность 4G, совместно созданная международным консорциумом (вкл. China Mobile, Datang Telecom, Huawei, ZTE, Nokia Solutions and Networks, Qualcomm, Samsung, ST-Ericsson). Второй вариант — LTE с частотным дуплексом (LTE-FDD). Хотя некоторые компании используют термин «TD-LTE», в спецификациях 3GPP он не закреплён.

Главные отличия: LTE-FDD использует парные частоты для приёма/передачи; LTE-TDD работает на одной частоте, чередуя приём и передачу по времени, с возможностью динамической настройки соотношения^[26]. Диапазоны LTE-TDD — 1850-3800 МГц, как правило, дешевле для доступа и содержат меньше трафика, часто перекрываются с WiMAX. Около 90 % технологий LTE-TDD и LTE-FDD совпадают, что позволяет использовать одни и те же чипы и модемы обоих типов.

Большая часть работ по LTE была посвящена переходу 3G UMTS к полностью 4G-архитектуре с упрощением архитектуры — замена сети, основанной на коммутации каналов и пакетов, полностью плоской IP-архитектурой. Радиоинтерфейс LTE — E-UTRA, поддерживает:

• Скорости загрузки до 299,6 Мбит/с и передачи до 75,4 Мбит/с (для топовых пользовательских устройств на 4×4 антеннах с полосой 20 МГц).
• Минимальные задержки передачи данных (менее 5 мс для малых IP-пакетов в оптимальных условиях).
• Стабильную работу с мобильными терминалами, движущимися до 350—500 км/ч.
• Радиосхему OFDMA на приём, SC-FDMA на передачу.
• Оба типа дуплекса (FDD и TDD).
• Гибкость по ширине канала: 1,4 / 3 / 5 / 10 / 15 / 20 МГц.
• Работа в широком диапазоне частот для IMT-2000.
• Поддержка ячеек с радиусом от десятков метров (фемто-, пикосоты) до 100 км (макросоты); оптимальная дальность для сельских районов — 5 км.
• До 200 активных абонентов в каждой полосе 5 МГц^[27].
• Крайне упрощённая архитектура — только eNode B без контроллеров базовых станций.
• Совместимость и межработу с предшественниками (GSM/EDGE, UMTS, CDMA2000).
• Агрегацию несущих.
• Поддержку мультимедийного вещания MBSFN (например, Mobile TV на инфраструктуре LTE).

Стандарт LTE поддерживает только пакетную коммутацию (all-IP). Для работы голосовых вызовов операторы реализуют:

• Voice over LTE (VoLTE) — основной, но требует IMS в сети.
• Circuit-switched fallback (CSFB) — временное решение, при звонке телефон переключается на сеть 2G или 3G (классическая коммутация каналов), используется там, где IMS не внедрён; минус — задержка соединения.
• Simultaneous voice and LTE (SVLTE) — одновременная работа телефона в LTE и сети каналов; решение полностью вынесено на уровень устройства, но повышает его энергопотребление.
• Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) — бесшовный переход между VoLTE и каналом при ухудшении сигналу LTE.
• OTT-сервисы (например, Skype) — голосовая связь сторонними приложениями.

На практике, массовое внедрение VoLTE затянулось из-за необходимости обновления не только пользовательских устройств, но и ядра сети. Ранние версии LTE зачастую опирались на fallback к 2G/3G для голосовой связи.

Для VoLTE 3GPP требует как минимум AMR-NB (narrow band), рекомендуется — Adaptive Multi-Rate Wideband (AMR-WB, HD Voice). Для расширенных звонков (Full-HD Voice) доступно кодирование AAC-ELD (20 Гц — 20 кГц), что превышает полосу традиционных мобильных кодеков.

LTE поддерживает множество полос в различных регионах мира:

• Северная Америка — 600, 700, 850, 1700, 1900, 2300, 2500, 2600, 3500, 5000 МГц (полосы 2, 4, 5, 7, 12, 13, 14, 17, 25, 26, 28, 29, 30, 38, 40, 41, 42, 43, 46, 48, 66, 71)
• Центральная/Южная Америка — 600, 700, 800, 850, 900, 1700, 1800, 1900, 2100, 2300, 2500, 2600, 3500, 5000 МГц
• Европа — 450, 700, 800, 900, 1500, 1800, 2100, 2300, 2600, 3500, 3700 МГц (полосы 1, 3, 7, 8, 20, 22, 28, 31, 32, 38, 40, 42, 43)
• Азия — 450, 700, 800, 850, 900, 1500, 1800, 1900, 2100, 2300, 2500, 2600, 3500 МГц
• Африка — 700, 800, 850, 900, 1800, 2100, 2300, 2500, 2600 МГц
• Океания (Австралия, Новая Зеландия) — 700, 850, 900, 1800, 2100, 2300, 2600 МГц

Телефоны из одних стран могут быть не совместимы с сетями LTE в других регионах без поддержки всех необходимых диапазонов.

По данным базы ETSI (на март 2012 г.), около 50 компаний заявили о наличии ключевых патентов, покрывающих стандарт LTE^[28]. ETSI не занимается проверкой достоверности заявлений, поэтому анализ патентных портфелей требует учёта независимых данных. Суммарные выплаты лицензионных отчислений составляют 3,3-5 % выручки сотовых устройств — ниже номинальных ставок из-за перекрёстных соглашений^[29][30].