Od co najmniej kilku lat magiczne LTE pobudza zmysły chyba wszystkich zainteresowanych nowoczesnymi technologiami. I wszystko było by w porządku tylko połowa „entuzjastów” nie bardzo jest w stanie powiedzieć czym jest tak naprawdę LTE i co kryje się za tym skrótem poza „rewolucyjna technologia”, „mega (ultra) szybki internet)”. Prawda jest niestety taka, że LTE nie jest taki wbrew pozorom rewolucyjny jak by się to wydawało, ale może od początku. 

Long Time Evolution

LTE jest skrótem od Long Term Evolution co można przetłumaczyć dosłownie jako „Ewolucja długoterminowa”. Co jak widać nie oznacza jednoznacznie niczego – dlatego LTE w rozumieniu telekomunikacyjnym jest „zbiorem” różnych technologii pozwalających na transmisję danych z dużą przepustowością w stosunku do technologii które obecne są już na rynku. Jednak LTE tak w gruncie rzeczy nie jest aż tak rewolucyjne jak mogłoby się to wydawać – gdyż o czym za chwilę opowiem nie ma jednoznacznego standardu LTE (żeby było śmieszniej 😉 – z założenia systemy oparte o tą technologię mogą pracować teoretycznie na dowolnym zakresie częstotliwości (aczkolwiek wyznaczone są odpowiednie przedziały : np. 750MHZ, 800MHZ, 900MHZ, 1800MHZ, 2100MHZ, 2.6GHZ,  3.3-3.8GHZ, 5GHZ) oraz na teoretycznie dowolnej szerokości kanałów od 5MHZ (3,5MHZ efektywnie) do zasadniczo 40MHZ. Przy czym żeby było jeszcze ciekawiej LTE pozwala na pracę w dwóch trybach FDD (Frequency Division Duplex) oraz TDD (Time Division Duplex) – oba tryby różnią się w dużej mierze tym, że pierwszy posiada osobny kanał dla nadawania i odbierania, w drugim trybie używany jest jeden kanał dla nadawania i odbierania (jest więc sporo wolniejszy). Zgodnie ze specyfikacją LTE dostępne są odpowiednio 3 modulacje : QPSK, QAM16 i QAM64. Dodatkowo w odróżnieniu od klasycznego systemu UMTS – LTE pozwala na wykorzystanie systemu wieloantenowego MIMO w konfiguracji 4×4 (cztery anteny nadające i cztery odbierające) – to tak w wielkim skrócie.

Teoria a praktyka

Teoria jak widać wyżej jest całkiem ładna. W najlepszym możliwym wypadku czyli dużej szerokości kanału LTE może osiągać prędkości do nawet 600Mbit przy oczywiście założeniu, że posiadamy 40MHZ pasma i dysponujemy systemem MIMO 4×4 oraz urządzeniami klienckimi MIMO 4×4. Ale wróćmy na ziemię 🙂 Bo teoria jest bardzo fajna zważywszy, że w porównaniu do tego co oferuje np. HSPA możliwości LTE wydają się olbrzymie. Jednak w praktyce wszystko nie wygląda już tak pięknie. Podstawowa różnica to jaką szerokość pasma możemy wykorzystać. W Polsce w ramach LTE do dyspozycji jest tego pasma niewiele – na cały kraj Plus/CP posiada 20MHZ kanał FDD w zakresie częstotliwości 1800MHZ (czyli łącznie mamy 20MHZ na kanał do klienta i 20MHZ na kanał od klienta). Dodatkowo Plus/CP posiada systemy oraz modemy dla klientów pracujące w trybie MIMO 2×2 co powoduje, że maksymalna – podkreślam teoretyczna wydajność systemu oscyluje zgodnie z prostą kalkulacją wynosi 150Mbit – co jest wręcz nachalnie reklamowane w reklamówkach Polsatu. Tak jak podkreśliłem – jest to bardzo teoretyczna przepustowość, gdyż 150Mbit dostępne jest przy założeniu iż spełnione są wszystkie warunki (niemalże laboratoryjne). No ale jedźmy dalej.

OFDM vs. WCDMA

LTE w odróżnieniu od systemów UMTS korzysta z zupełnie innego rodzaju dostępu do kanału transmisyjnego. W przypadku LTE dany kanał transmisyjny dzielony jest na małe segmenciki (resource blocki) które odpowiadają każdej podnośnej zgodnie z multipleksacją OFDM (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing). Zasada działania multipleksacji OFDM zasadniczo znana jest jeszcze ze standardów WIFI – w danej szerokości kanału tworzone są osobne tzw. subkanały o określonej niewielkiej szerokości na których transmitowane są cząstkowe dane. W ten sposób kanał wykorzystywany jest efektywniej – gdyż pozwala przenieść znaczną ilość danych – dodatkowo każdy subkanał modulowany jest określoną techniką. W przypadku 802.11g subkanały modulowane są taką samą modulacją (albo QPSK, QAM16 lub QAM64). W przypadku LTE każdy subkanał modulowany może być inną modulacją – ma to oczywiście podstawową zaletę związaną z faktem, że poszczególne subkanały możemy przypisać do konkretnego urządzenia końcowego – a co zatem idzie – dany szeroki kanał może być współdzielony przez urządzenia które odbierają sygnał o gorszych i lepszych parametrach – element sterujący stacją bazową może wybierać do których urządzeń wysyłamy sygnał z „wolniejszą” modulacją a do których możemy nadawać z „szybszą”. Jest to moim zdaniem bardzo fajny „ficzer” wbudowany bezpośrednio w warstwę PHY – który eliminuje częściowo potrzebę ciągłej retransmisji. W przypadku systemów WCDMA (UMTS, HSPA) nie jest stosowana multipleksacja OFDM i niejako wszystkie stacje klienckie nadają/odbierają w tym samym czasie za pomocą techniki CDMA – jest to oczywiście o wiele wolniejsza metoda dostępu i obarczona dużą ilością „błędów” z uwagi na współdzielony kanał – jednak bezapelacyjnie w odróżnieniu od modulacji OFDM posiada ona jedną podstawową zaletę – potrafi działać przy bardzo niskim poziomie odbieranego sygnał zachowując całkiem przyzwoite parametry. Dlatego zasięg HSPA na tej samej częstotliwości i szerokości kanału jest znacznie większy niż LTE. LTE aby pracować poprawnie przy niskich poziomach sygnału prowadza jeszcze pewno ulepszenie – mianowicie cykliczne testowanie nośnej – działa to na takiej zasadzie, że co jakiś czas stacja bazowa wysyła pewien sygnał korekcyjny na wszystkich nośnych – aby sprawdzić który nadaje się najlepiej do transmisji dla poszczególnych klientów – w teorii pozwala to na „kalibrowanie” stacji bazowej pod kątem przemieszczających się użytkowników oraz zmieniających się warunków propagacyjnych (odbicia, chwilowe tłumienia) – taka kalibracja ma oczywiście zalety ale również wady – które objawiają się tym, że taka korekcja zajmuje kanał regularnej transmisji co zajmuje oczywiście zasoby czasowe więc wpływa na ogólną wydajność.

Jak to więc jest z wydajnością praktycznymi maksymalnymi osiągami ?

Znalazłem ciekawy przelicznik jak obliczyć teoretyczną wydajność LTE:

1. Jeśli posiadamy 20MHZ pasma liczba pseudolosowych bitów wynosi 100
2. Jeśli przyjmiemy, że posiadamy jeden symbol OFDM dla kontroli regionu w każdej półramce, więc ilość symboli OFDM dla danych użytkownika wynosi 13.
3. Jeśli nasz system pracuje w trybie SISO (jedna antena) to ilość przenoszonych bitów wynosi 6.
4. Ilość podnośnych wynosi w tym wypadku 12
5. Ilość tzw. resouce-blocków aby przenieść dane wynosi odpowiednio 150 (13*12-6)
6. Ilość resource-bloków dla każdej półramki wynosi w tym wypadku 15000.
7. Przy maksymalnej dostępnej modulacji QAM64 dysponujemy więc 6 bitami danych.
8. Ilość bitów w każdej półramce wynosi więc (15000*6) czyli 90000 bitów.
9. W każdej sekundzie mamy 1000 ramek więc ilość surowych danych oscyluje w granicach 90Mbit/s.
10. Znając już surową przepustowość możemy obliczyć jeszcze tzw. FEC który zwykle w przypadku dobrego kanału transmisyjnego wynosi 5/6. To owocuje przepustowością na poziomie 75Mbit/s.

W przypadku systemów MIMO 2×2 wydajność teoretycznie potrafi zostać zwiększona dwukrotnie. Jednak jeśli mówimy tutaj o terminalach mobilnych warto zauważyć, że MIMO 2×2 opiera swoje działanie zasadniczo na dwóch osobnych polaryzacjach – to powoduje, że terminal mobilny oraz stacja bazowe musi posiadać antenę o odpowiedniej charakterystyce – tak aby osobne tory transmisji nie zostały między sobą zakłócane. W przypadku niewielkich modemów na USB zasadniczo wydajność w trybie MIMO uzależniona jest od tego co znajduje się w środku. Zapewnienie dobrej izolacji polaryzacji w malutkim urządzeniu jest nie lada wyzwaniem (o ile jest w ogóle możliwe) – stąd wydajność w praktyce nie rośnie dwukrotnie. Stąd w idealnych warunkach przy założeniu, że MIMO nie działa poprawnie pozwala na uzyskanie prędkości jedynie w granicach ok. 75-120Mbit/s. Warto doliczyć, że ta prędkość współdzielona jest również przez dodatkową ilość danych sygnalizacyjnych stąd spokojnie możemy przyjąć, że realna wydajność z jednym użytkownikiem na pokładzie oscyluje w granicach 70-80Mbit/s. W przypadku modulacji QAM16 wydajność spada do 50-60Mbit/s i przy QPSK do 20-30Mbit/s. Dodatkowo dochodzi do tego kwestia jeszcze FECu (Forward Error Correction) czyli danych nadmiarowych służących do naprawy uszkodzonych ramek. Wydajność więc w najgorszym możliwym wypadku może wynieść jedynie niecałe 20-30Mbit/s na sektor. Przyjmując, że 60% klientów pracuje w średnich warunkach a 20% klientów pracuje w warunkach kiepskich lub idealnych możemy przyjąć, że średnio dysponujemy wydajnością na poziomie 48-56Mbit/s współdzielonych przez wszystkich użytkowników danego sektora. Aby przekonać się, że moje obliczenia są słuszne – wystarczy poczytać sobie o „realnych” osiągach LTE na forach. Jak widać bardzo daleko jest do osiągnięcia umownych 100 lub 150Mbit/s w realnym środowisku.

Praktyczna pojemność według testów IS-Wireless. Jak widać średnie przepustowości uzyskiwane podczas pobierania nijak się mają do marketingowego bełkotu.

Warto również zaznaczyć, że im więcej klientów z kiepskim sygnałem tym wydajność sektora mimo wszystko spada, dlatego im więcej urządzeń podłączonych do stacji bazowej i odbierających z niższą modulacją tym ogólna wydajność jest mniejsza.

LTE ma jeszcze jedną istotną wadę – wykorzystanie modulacji OFDM wymaga aby „przestrzeń radiowa” nie była współdzielona przez wiele stacji bazowych w tym samym czasie z uwagi na zakłócenia. To powoduje, że postawienie wielu stacji na tym samym kanale nie zwiększa dramatycznie pojemności sieci (jest to fizycznie niemożliwe) – dlatego LTE ma jeszcze jeden „ficzer” pozwalający na „upchanie” wielu stacji – mianowicie synchronizacja. Dzięki synchronizacji możliwe jest współdzielenie jednej częstotliwości przez wiele stacji poprzez współdzielenie resource-bloków. Zasięg takiej sieci zwiększa się terytorialnie, ale pojemnościowo zysk jest niewielki. Aby umieszczać wiele nadajników na tym samym obszarze należy wykorzystać kolejne kanały – a te jak wiemy nie są dostępne w niskich pasmach – gdzie zasięg jest większy.

Podsumowując

LTE na pewno jest „ewolucją” systemów mobilnych, jednak podobnie jak każda poprzednia technologia oferuję „coś za coś”. W przypadku dużych przepustowości oferowanych przez LTE – ograniczeniem jest przede wszystkim dostępne pasmo. I tutaj nawet wprowadzenie bardziej skomplikowanych modulacji oraz systemów MIMO 4×4 nie zwiększy przepustowości drastycznie (najwyżej dwukrotnie) gdyż im większa przepustowość tym znacznie mniejszy zasięg usługi. Drugą moim zdaniem najważniejszą wadą LTE jest jego realna pojemność i oferowane prędkości, które są zdecydowanie mniejsze niż to co sugerują reklamy. Sprzedając usługi których przepływności byłyby zdecydowanie niższe np. 10Mbit/s ale bez limitu skutecznie zapchałyby nawet stację bazową – gdyż realne prędkości pokroju 40-50Mbit/s per sektor nie wystarczą do obsługi nawet 20 klientów w dzisiejszych czasach – jeśli przyjmiemy, że LTE jest konkurencją dla usług stacjonarnych.