LTE: технология мобильной связи 4G и её основные принципы

LTE, Long Term Evolution, — стандарт мобильной связи, который в быту называют 4G. Главный сдвиг по сравнению с 3G: вся сеть, включая голос, построена на пакетной передаче IP. Раньше существовали отдельные механизмы для голосовых вызовов и для данных, а в LTE остался один канал для данных, и голос со временем переехал в него же, в виде технологии VoLTE.

Стандарт разработан консорциумом 3GPP и появился в конце 2000-х. Его первые версии называют 3.9G, а полноценным 4G по требованиям международных организаций считается более поздний вариант LTE-Advanced. На практике в интерфейсе телефона значок 4G означает любую из этих версий.

Сеть делится на две части. Сеть радиодоступа состоит из базовых станций eNodeB, к которым по радио подключаются абоненты. Ядро, EPC, содержит узлы, отвечающие за управление подвижностью, выдачу IP-адресов, учёт, аутентификацию по SIM и выход в интернет. Такая упрощённая плоская архитектура с малым числом промежуточных узлов уменьшает задержку: отклик в LTE обычно порядка десятков миллисекунд.

Как устройство выбирает станцию и что происходит при перемещении между сотами, рассказано на странице про базовую станцию. Настройки подключения в виде точки доступа описаны на странице про APN.

Поскольку голос переехал в пакетную сеть, он конкурирует с обычными данными за радиоресурсы, и сеть должна отдавать ему приоритет. Для этого в LTE есть понятие выделенных несущих с заданным качеством обслуживания, привязанных к типу трафика. Голосовой вызов получает выделенную несущую с высоким приоритетом, а обычный веб-трафик идёт по несущей по умолчанию.

В сторону абонента используется OFDMA: полоса разбивается на множество узких поднесущих, и разным пользователям выдаются участки этой сетки по времени и по частоте. Это устойчиво к отражениям сигнала в городе. В обратную сторону применяют вариант SC-FDMA, который экономнее по энергии передатчика телефона.

Стандарт допускает каналы шириной от 1,4 до 20 МГц, а с агрегацией несущих несколько каналов объединяют для повышения скорости. Работают также технологии многоантенных систем MIMO, которые используют несколько антенн, чтобы передавать параллельные потоки. Они близки к тому, что применяется в Wi-Fi и разобрано на странице про MIMO.

Для пользователя эти механизмы прозрачны, но заметны их следствия. Абоненту у края соты приходится передавать на более низких скоростях, а рядом с вышкой сеть даёт максимальные значения. Кроме того, эффективность в обратном направлении, от телефона к сети, обычно ниже из-за ограничений мощности передатчика, поэтому загрузка файлов идёт медленнее скачивания.

LTE работает в разных частотных диапазонах, у разных операторов и стран набор отличается. Низкие частоты лучше проникают в здания и покрывают большую площадь, но полоса там уже, а высокие дают больше скорости при меньшей дальности. Поэтому телефон должен поддерживать нужные операторам диапазоны, что особенно важно при покупке устройства за границей. Подробности по диапазонам — на странице про диапазоны LTE.

Скорость зависит от ширины канала, числа антенн, качества сигнала и загрузки соты. Категории терминалов, cat 4, cat 6 и выше, показывают теоретический максимум, но реальная скорость почти всегда заметно ниже: ей делится вся сота, а мешают расстояние и помехи.

Считается, что значок 4G обещает хорошую скорость. Он лишь называет технологию, а результат определяет сигнал и загрузка. Другое допущение: LTE и 4G строго синонимы. Как сказано, значок может относиться и к первым версиям стандарта, и к LTE-Advanced. Третье: в LTE нельзя звонить без 3G. После появления VoLTE это устарело, но нужна поддержка функции и в телефоне, и оператором.

Сведения о сети можно увидеть в служебных экранах смартфона. На Android часто есть раздел «Информация о SIM» или скрытый инженерный экран, где показаны диапазон, уровни сигнала и идентификатор соты. О самих показателях сигнала написано на странице про RSRP, RSRQ и SINR.