Зачем появился LTE: требования к скорости, задержке и стоимости

В предыдущем курсе (gsm) мы подробно разобрали, как устроены мобильные сети второго и третьего поколений — от узкополосных голосовых каналов 2G GSM (TDMA $200\text{ кГц}$) и первой пакетной надстройки GPRS/EDGE до широкополосного кодового радиоинтерфейса 3G UMTS (WCDMA $5\text{ МГц}$) и ускоренных технологий HSPA / HSPA+. К 2007–2008 годам казалось, что эволюция 3G способна закрыть все потребности мобильного доступа. Однако массовое появление сенсорных смартфонов (iPhone и Android), потокового видео, мобильных социальных сетей и мессенджеров с постоянными фоновыми уведомлениями вызвало лавинообразный рост пакетного трафика в десятки раз и вскрыло фундаментальный архитектурный потолок сетей 3G. На этом первом уроке курса lte мы разберём, зачем консорциум 3GPP в спецификации TR 25.913 запустил проект LTE (Long Term Evolution), какие четыре жёстких инженерных требования легли в основу 3GPP Release 8 — по пиковой скорости, задержке плоскости пользователя и управления, гибкости радиоспектра и себестоимости передачи одного мегабайта — и почему ради этих целей инженерам пришлось впервые в истории полностью отказаться и от контроллера радиосети (RNC), и от телефонного домена коммутации каналов (CS Domain).

Цель и что нужно знать

После урока вы сможете:

• объяснить четыре кризиса сетей 3G UMTS/HSPA эпохи смартфонов: взрыв трафика при падении дохода на мегабайт («ножницы трафика и выручки»), сигнальный шторм (Signaling Storm) на контроллерах RNC из-за частых фоновых пакетов мессенджеров, высокую задержку четырёхзвенной иерархии (NodeB → RNC → SGSN → GGSN) и жёсткую привязку WCDMA к полосе $5\text{ МГц}$;
• назвать целевые инженерные показатели стандарта 3GPP Release 8 LTE (TR 25.913): пиковую скорость $\ge 100\text{ Мбит/с}$ в нисходящем канале (Downlink, спектральная эффективность $5\text{ бит/с/Гц}$) и $\ge 50\text{ Мбит/с}$ в восходящем (Uplink, $2{,}5\text{ бит/с/Гц}$) в полосе $20\text{ МГц}$, задержку радиосети в одну сторону $< 5\text{ мс}$ и время перехода из спящего режима в активный $< 100\text{ мс}$;
• перечислить шесть стандартных ширин радиоканала LTE ($1{,}4$; $3$; $5$; $10$; $15$ и $20\text{ МГц}$) и обосновать, почему эта гибкость критична для плавного рефарминга частот 2G и 3G;
• рассчитать экономический и технический выигрыш от перехода к плоской архитектуре All-IP (два узла пользовательского трафика вместо четырёх и ликвидация параллельного домена CS).

Что нужно знать заранее:

• эволюцию поколений 1G → 5G, частотные диапазоны и отличие дуплекса FDD от TDD из курса «Мобильная связь 2G/3G» (gsm 1, 3, 6);
• архитектуру пакетного домена 2G/3G (SGSN, GGSN, туннели GTP) и радиосети 3G UMTS (NodeB, контроллер RNC, полоса WCDMA $5\text{ МГц}$, HSPA+) из курса «Мобильная связь 2G/3G» (gsm 70–79);
• понятия IP-пакета, пропускной способности, круговой задержки RTT (Round-Trip Time) и накладных расходов протоколов из курса «IP-сети для инженера связи» (ipnet 1, 9, 17).

Задача из жизни

На дворе 2009–2010 год. Вы — технический директор (CTO) крупного мобильного оператора. За последние 18 месяцев в вашей сети 3G UMTS/HSPA зарегистрировались первые 500 000 владельцев смартфонов, а маркетинг ввёл безлимитные помесячные интернет-тарифы. На утреннем оперативном совещании перед вами лежат три тревожных отчёта:

• Дано (эксплуатационная и финансовая картина сети 3G):
• Взрыв объёма трафика при стагнации выручки: объём пакетных данных в сети вырос в $12\text{ раз}$, но абоненты платят фиксированную абонентскую плату в месяц. Чтобы не работать в убыток, оператору необходимо снизить себестоимость доставки $1\text{ МБ}$ минимум в $4\text{–}5\text{ раз}$.
• Перегрузка процессоров RNC («сигнальный шторм»): даже когда полоса радиоканала HSPA загружена данными всего на $35\%$, центральные процессоры контроллеров RNC упираются в $95\text{–}100\%\text{ CPU}$! Причина: мессенджеры и почтовые клиенты смартфонов каждые $30\text{–}60\text{ секунд}$ отправляют крошечный пакет keep-alive ($60\text{ байт}$). Чтобы передать эти $60\text{ байт}$, сеть 3G каждый раз переводит телефон из энергосберегающего состояния в выделенный радиоканал и обратно, обмениваясь более чем $20\text{–}25$ сигнальными сообщениями между телефоном, NodeB, RNC и SGSN и тратя на «пробуждение» почти $2\text{ секунды}$.
• Тупик частотного рефарминга: в загородном диапазоне $900\text{ МГц}$ у оператора свободно всего $3\text{ МГц}$ спектра, а стандарт 3G WCDMA физически требует непрерывной полосы ровно $5\text{ МГц}$ ($3{,}84\text{ Мчип/с}$) — запустить там 3G невозможно!

Вам предстоит решить: продолжать ли докупать дорогие стойки контроллеров RNC и шлюзов SGSN/GGSN для сети 3G или начать строительство сети четвёртого поколения LTE (3GPP Release 8), в которой архитектура радиосети и ядра перестроена с чистого листа.

Почему сети 3G UMTS/HSPA упёрлись в архитектурный потолок

В конце 1990-х годов, когда проектировался стандарт 3G UMTS (Release 99), главной услугой оператора оставался голос с коммутацией каналов (CS), а мобильный интернет воспринимался как эпизодическое скачивание веб-страниц или файлов с ноутбука. Именно поэтому архитектура 3G унаследовала четыре фундаментальных ограничения, которые стали критическими в эпоху смартфонов и интерактивных IP-приложений:

1. Два параллельных ядра в одной сети (CS Domain + PS Domain): оператору приходилось покупать, питать электричеством, охлаждать и обслуживать сразу две независимые цепочки оборудования — голосовое ядро (MSC Server + MGW, сигнализация ОКС-7 / SIGTRAN / BICC / H.248) и пакетное ядро (SGSN + GGSN, туннели GTPv1).
2. Четыре узла на пути каждого пакета пользователя и бутылочное горлышко RNC: в 3G каждый IP-пакет абонента последовательно проходил через четыре сетевых элемента: Базовая станция (NodeB) $\rightarrow$ Контроллер радиосети (RNC) $\rightarrow$ Обслуживающий узел (SGSN) $\rightarrow$ Шлюзовой узел (GGSN). При этом контроллер RNC выполнял шифрование радиоканала, сборку пакетов RLC, управление мягким хэндовером (Soft Handover) и распределение радиоресурсов для сотен базовых станций сразу. Любой рост числа смартфонов превращал RNC в самое дорогое и перегруженное звено сети.
3. Сложная машина состояний радиоканала и высокая задержка (RTT $50\text{–}150\text{ мс}$): чтобы беречь батарею смартфона в WCDMA, контроллер RNC постоянно переключал абонента между четырьмя состояниями (IDLE, CELL_PCH, CELL_FACH, CELL_DCH). Подъём полноценного скоростного канала из состояния покоя занимал $1{,}0\text{–}2{,}5\text{ секунды}$, а круговая задержка пакета (ping / RTT) даже в сетях HSPA составляла $40\text{–}100\text{ мс}$, чего недостаточно для облачных игр, интерактивного видео и систем реального времени.
4. Жёсткая ширина радиоканала ровно $5\text{ МГц}$ и предел кодового разделения WCDMA: чиповая скорость WCDMA жёстко зафиксирована на уровне $3{,}84\text{ Мчип/с}$, поэтому одну несущую 3G нельзя вписать ни в узкий фрагмент спектра $1{,}4\text{–}3\text{ МГц}$, ни расширить в единую широкую полосу $15\text{–}20\text{ МГц}$ без склейки нескольких отдельных несущих. Кроме того, при высоких скоростях в широкополосном канале $5\text{ МГц}$ многолучевые отражения разрушают взаимную ортогональность кодов OVSF.

Целевые требования 3GPP к стандарту LTE (TR 25.913 и TS 36.300)

В конце 2004 года на семинаре в Торонто консорциум 3GPP запустил рабочий проект Long Term Evolution («Долгосрочная эволюция радиодоступа UTRAN») и параллельный проект обновления опорной сети SAE (System Architecture Evolution — «Эволюция системной архитектуры»). В техническом отчёте 3GPP TR 25.913 перед создателями стандарта Release 8 (заморожен в декабре 2008 года, первые коммерческие сети запущены в декабре 2009 года в Стокгольме и Осло) были поставлены четыре жёстких инженерных рубежа:

1. Скачок пиковой скорости и спектральной эффективности в 3–4 раза

В эталонной полосе частот $20\text{ МГц}$ радиоинтерфейс LTE обязан обеспечивать:

• В нисходящем канале (Downlink, от базовой станции к телефону): пиковую скорость не менее $100\text{ Мбит/с}$ (при антенной конфигурации $2\times 2\text{ MIMO}$ — на практике до $150\text{ Мбит/с}$, а при $4\times 4\text{ MIMO}$ — до $300\text{ Мбит/с}$). Это соответствует пиковой спектральной эффективности $\ge 5{,}0\text{ бит/с/Гц}$ ($100\text{ Мбит/с} / 20\text{ МГц} = 5\text{ бит/с/Гц}$).
• В восходящем канале (Uplink, от телефона к базовой станции): пиковую скорость не менее $50\text{ Мбит/с}$ (при модуляции 64-QAM — до $75\text{ Мбит/с}$), что соответствует пиковой спектральной эффективности $\ge 2{,}5\text{ бит/с/Гц}$ ($50\text{ Мбит/с} / 20\text{ МГц} = 2{,}5\text{ бит/с/Гц}$).
• Средняя ёмкость сектора и скорость на краю соты (Cell Edge): в $3\text{–}4\text{ раза}$ выше в Downlink и в $2\text{–}3\text{ раза}$ выше в Uplink по сравнению с эталонной сетью 3G HSPA (Release 6).

2. Кардинальное снижение задержки (User Plane и Control Plane)

В LTE впервые были жёстко разделены и нормированы два типа задержки:

• Задержка плоскости пользователя (User Plane Latency): время прохождения IP-пакета через радиосеть в одну сторону (между телефоном UE и пограничным узлом радиосети в ненагруженной соте) должно составлять менее $5\text{ мс}$! Для этого минимальный интервал планирования радиоресурсов (TTI — Transmission Time Interval), который в 3G Rel-99 равнялся $10\text{–}20\text{ мс}$, а в HSPA — $2\text{ мс}$, в LTE был сокращён до $1\text{ мс}$. На реальной сети это даёт сквозной пинг (E2E RTT) порядка $10\text{–}20\text{ мс}$ — на уровне проводного домашнего интернета!
• Задержка плоскости управления (Control Plane Latency): время перехода смартфона из энергосберегающего спящего состояния (IDLE) в полностью активное состояние передачи данных (ACTIVE / CONNECTED) должно составлять менее $100\text{ мс}$ (а выход из прерывистого приёма внутри активного режима — менее $50\text{ мс}$), при этом одна сота в полосе $5\text{ МГц}$ должна одновременно удерживать не менее $200$ активных абонентов (и до $400$ в более широких полосах).

3. Гибкость спектра (Spectrum Flexibility: от 1,4 до 20 МГц + FDD/TDD)

В отличие от 3G WCDMA, прибитого гвоздями к полосе $5\text{ МГц}$, радиоинтерфейс LTE на базе ортогональных поднесущих (OFDMA / SC-FDMA) масштабируется как конструктор и поддерживает шесть стандартных ширин канала:

• $1{,}4\text{ МГц}$ (позволяет запустить LTE даже в крошечном куске спектра, освободив всего $7$ несущих 2G GSM по $200\text{ кГц}$!);
• $3\text{ МГц}$ (удобно для постепенного рефарминга диапазонов 900 и 1800 МГц);
• $5\text{ МГц}$ (прямая замена одной несущей 3G UMTS один-к-одному);
• $10\text{ МГц}$, $15\text{ МГц}$ и $20\text{ МГц}$ (высокоскоростные магистральные полосы 4G).
• Кроме того, единая архитектура LTE одинаково работает как в частотном дуплексе (FDD — парные полосы Uplink/Downlink), так и во временном дуплексе (TDD — одна непарная полоса).

4. Плоская архитектура All-IP и снижение себестоимости мегабайта

Чтобы радикально удешевить сеть и убрать задержки, в LTE и новом пакетном ядре EPC (Evolved Packet Core) были приняты три архитектурных решения:

1. Полная ликвидация домена коммутации каналов (CS Domain): в LTE нет ни коммутаторов MSC, ни медиашлюзов MGW, ни каналов $64\text{ кбит/с}$. Вся сеть стала на 100% пакетной (All-IP PS Only) — и веб-страницы, и видео, и голос (VoLTE) передаются исключительно в виде IP-пакетов.
2. Упразднение контроллера радиосети (RNC / BSC) — плоская радиосеть: все функции управления радиоресурсами, шифрования и планирования пакетов с интервалом $1\text{ мс}$ перенесены непосредственно в базовую станцию четвёртого поколения — eNodeB (Evolved NodeB).
3. Разделение плоскостей управления и пользователя в ядре: сигнальный узел управления мобильностью (MME) полностью выведен из пути пользовательского трафика! Тяжёлые гигабайты видео и торрентов идут напрямую от базовой станции eNodeB через пакетные шлюзы (S-GW $\rightarrow$ P-GW) в Интернет — всего через два типа узлов вместо четырёх в 3G (NodeB → RNC → SGSN → GGSN).

Разбор примера: инженерный и финансовый расчёт миграции 3G HSPA → 4G LTE

Вернёмся к задаче технического директора из начала урока и проверим в точных цифрах, как переход с 3G HSPA на 4G LTE решает все три проблемы оператора (скорость/ёмкость, сигнальный шторм на RNC и себестоимость мегабайта):

# Сравнение спектральной эффективности и пиковой скорости: 3G HSPA против 4G LTE (Release 8)
spectral_and_throughput_comparison:
  legacy_3g_hspa_rel6:
    channel_bandwidth_mhz: 5.0
    dl_peak_rate_mbps: 14.4
    ul_peak_rate_mbps: 5.76
    dl_spectral_efficiency_bps_per_hz: 2.88   # 14.4 Мбит/с / 5 МГц = 2.88 бит/с/Гц
  lte_rel8_target_tr25913:
    channel_bandwidth_mhz: 20.0
    dl_target_rate_mbps: 100.0                # 150 Мбит/с для 2x2 MIMO (300 Мбит/с для 4x4 MIMO)
    ul_target_rate_mbps: 50.0                 # до 75 Мбит/с при 64-QAM
    dl_spectral_efficiency_bps_per_hz: 5.0    # 100 Мбит/с / 20 МГц = 5.0 бит/с/Гц
    ul_spectral_efficiency_bps_per_hz: 2.5    # 50 Мбит/с / 20 МГц = 2.5 бит/с/Гц

А теперь рассчитаем, что происходит с задержкой пакета, временем пробуждения смартфона и себестоимостью передачи $1\text{ ГБ}$ данных при переходе от четырёхзвенной схемы 3G к плоской схеме 4G LTE:

# Сравнение задержек и числа транзитных узлов (User Plane & Control Plane)
latency_and_hierarchy_audit:
  3g_umts_hspa_4_nodes:
    user_plane_path: "NodeB -> RNC -> SGSN -> GGSN (4 узла)"
    transmission_time_interval_tti_ms: 2.0
    user_plane_ran_one_way_ms: 25.0
    end_to_end_ping_rtt_ms: 65.0
    idle_to_active_wakeup_ms: 1800.0          # 1.8 с (IDLE -> CELL_DCH через RNC)
  4g_lte_epc_flat_2_tiers:
    user_plane_path: "eNodeB -> S-GW/P-GW (2 типа узлов, без RNC и мимо MME)"
    transmission_time_interval_tti_ms: 1.0
    user_plane_ran_one_way_target_ms: 5.0     # < 5 мс по TR 25.913
    end_to_end_ping_rtt_ms: 15.0              # 10..20 мс в живой сети
    idle_to_active_wakeup_target_ms: 100.0    # < 100 мс (только 2 состояния: IDLE и CONNECTED)

Сведём все целевые показатели 3GPP TR 25.913 (LTE Release 8) и параметры 3G UMTS / HSPA в единую нормативную таблицу:

💡 Архитектурный вердикт (решение для CTO из задачи урока): Расширять устаревшую иерархию 3G закупкой новых контроллеров RNC при взрыве смартфонного трафика — экономическое самоубийство. Переход к 4G LTE (3GPP Release 8) решает все три проблемы корневым образом: (1) упразднение узла RNC и переход к двум простым состояниям радиоканала со временем пробуждения $< 100\text{ мс}$ полностью ликвидируют узкое место контроллера радиосети; (2) гибкие полосы $1{,}4\text{ и }3\text{ МГц}$ позволяют немедленно задействовать свободные $3\text{ МГц}$ в диапазоне $900\text{ МГц}$, куда не помещалась несущая WCDMA ($5\text{ МГц}$); (3) плоская архитектура All-IP без домена CS и с выносом пользовательского трафика мимо сигнального узла MME снижает капитальные и операционные затраты на передачу каждого мегабайта более чем в $4\text{–}5\text{ раз}$.

# Финансово-инженерная модель оператора (OPEX/CAPEX на 1 ГБ трафика): 3G против 4G LTE
operator_unit_economics_model:
  narrow_spectrum_900mhz_3mhz_block:
    wcdma_3g_deployment: "Невозможно (требуется минимум 5.0 МГц непрерывного спектра)"
    lte_4g_deployment: "Успешно: стандартная полоса LTE 3.0 МГц (15 ресурсных блоков)"
  cost_and_signaling_efficiency:
    relative_cost_per_mb_3g_hspa: 1.00        # Базовый уровень (100% затрат через NodeB+RNC+SGSN+GGSN)
    relative_cost_per_mb_4g_lte: 0.22         # 22% (-78% затрат за счёт плоской сети без RNC и CS)
    capacity_gain_per_mhz_factor: 3.5         # В 3.5 раза больше трафика на каждый МГц спектра

Что может сломаться и как это найти

При планировании миграции с 2G/3G на LTE и оценке реальных показателей сети инженеры регулярно сталкиваются с тремя типичными ошибками проектирования и диагностики:

⚠️ Типичная ошибка новичка: считать, что целевая скорость LTE $100\text{–}150\text{ Мбит/с}$ достигается автоматически на любой базовой станции 4G независимо от частотного ресурса. Запомните: целевые показатели 3GPP TR 25.913 ($\ge 100\text{ Мбит/с}$ в Downlink и $\ge 50\text{ Мбит/с}$ в Uplink) нормированы для максимальной ширины радиоканала $20\text{ МГц}$ по формуле $R = \eta \cdot \Delta F$. Если у оператора в данном диапазоне есть только полоса $5\text{ МГц}$ или $10\text{ МГц}$, пиковая пропускная способность сектора уменьшится ровно в $4$ или в $2\text{ раза}$ соответственно!

Практика

Выполните пять упражнений по нарастанию сложности (от предсказания результата до самостоятельного расчёта со звёздочкой):

1. Предскажите результат: Оператор расчистил в диапазоне $1800\text{ МГц}$ непрерывную полосу шириной $2{,}4\text{ МГц}$ (освободив $12$ частотных каналов 2G GSM по $200\text{ кГц}$). Сможет ли он запустить в этой полосе одну несущую 3G UMTS (WCDMA)? А какую максимальную стандартную полосу 4G LTE из шести разрешённых стандартом 3GPP ($1{,}4$; $3$; $5$; $10$; $15$; $20\text{ МГц}$) он сможет там поднять?
2. Проверьте по формуле спектральной эффективности: Целевая пиковая спектральная эффективность LTE Release 8 по документу 3GPP TR 25.913 составляет $5{,}0\text{ бит/с/Гц}$ в Downlink и $2{,}5\text{ бит/с/Гц}$ в Uplink. Вычислите целевую пиковую скорость в Downlink и Uplink, если оператор запускает LTE в полосе $10\text{ МГц}$.
3. Объясните архитектурное решение: Почему в 4G LTE инженеры 3GPP полностью убрали выделенный узел контроллера радиосети (RNC), передав его задачи базовой станции eNodeB, и как это одновременно повлияло на задержку User Plane и на время пробуждения смартфона IDLE → ACTIVE?
4. Измените входные условия: Пусть в сети 3G HSPA при конфигурации с контроллером RNC задержка прохождения пакета через радиосеть в одну сторону составляет $25\text{ мс}$, а на пакетное ядро и транспорт до сервера приходится ещё $10\text{ мс}$ в одну сторону (итого сквозной $\text{RTT} = 2 \times (25 + 10) = 70\text{ мс}$). Каким станет сквозной RTT после перехода на 4G LTE, если задержка радиосети в одну сторону снизится до целевого рубежа 3GPP TR 25.913 ($4{,}5\text{ мс}$), а транспорт и плоское ядро EPC за счёт отказа от промежуточных узлов займут $5{,}5\text{ мс}$ в одну сторону?
5. Сделайте сами ⭐: Оператор владеет в диапазоне $2100\text{ МГц}$ полосой $15\text{ МГц}$, где сейчас работают три несущие 3G HSPA по $5\text{ МГц}$ со средней спектральной эффективностью сектора $1{,}2\text{ бит/с/Гц}$ (суммарная средняя пропускная способность сектора $15\text{ МГц} \times 1{,}2 = 18\text{ Мбит/с}$). При рефарминге всех $15\text{ МГц}$ в одну широкополосную несущую 4G LTE ($15\text{ МГц}$) средняя спектральная эффективность сектора вырастает в $3\text{ раза}$ (до $3{,}6\text{ бит/с/Гц}$), а пиковая достигает $7{,}5\text{ бит/с/Гц}$ (в режиме $2\times 2\text{ MIMO}$). Рассчитайте новую среднюю и пиковую скорость сектора LTE $15\text{ МГц}$, а также определите, сколько полных гигабайт трафика передаст такой сектор в час пик при $100\%$-й средней загрузке за $3600\text{ секунд}$ (считая $1\text{ байт} = 8\text{ бит}$, $1\text{ ГБ} = 1000\text{ МБ}$).

Самопроверка

Проверьте себя по двум контрольным вопросам с подробным разбором, а затем сверьте свои решения практических заданий:

Вопрос 1. Почему смартфон с мессенджерами в сети 3G UMTS вызывал перегрузку процессоров контроллера RNC («сигнальный шторм»), даже когда суммарный объём передаваемых мегабайт был небольшим, и как эта проблема решена в архитектуре 4G LTE?

• Разбор ответа: В сети 3G UMTS/HSPA для экономии заряда батареи использовалась сложная цепочка состояний радиоканала (IDLE, CELL_PCH, CELL_FACH, CELL_DCH), которой централизованно управлял контроллер RNC. Каждое фоновое сообщение keep-alive от смартфона заставляло RNC выполнять длительную процедуру выделения и последующего освобождения радиоресурсов ($\sim 1{,}5\text{–}2{,}5\text{ с}$ и свыше $20$ сигнальных сообщений между UE, NodeB, RNC и SGSN). В 4G LTE узел RNC упразднён вовсе, планировщик с шагом $1\text{ мс}$ встроен прямо в базовую станцию eNodeB, а переход между покоем и активной передачей укладывается в $< 100\text{ мс}$ без участия промежуточного контроллера радиосети.

Вопрос 2. Что означает утверждение «в стандарте 4G LTE / EPC полностью ликвидирован домен коммутации каналов (CS Domain)» и какие два следствия это несёт для оператора связи?

• Разбор ответа: В отличие от сетей 2G GSM и 3G UMTS, где параллельно работали два ядра — телефонное CS (MSC/VLR, MGW) для голоса и пакетное PS (SGSN, GGSN) для интернета, — в архитектуре 4G оставлено только пакетное ядро All-IP (EPC). Первое следствие (экономическое): оператору больше не нужно строить и обслуживать две параллельные транспортные и коммутационные сети. Второе следствие (техническое): классический голосовой канал $64\text{ кбит/с}$ в LTE открыть невозможно — для телефонного звонка смартфон должен либо передавать голос в виде приоритетных IP-пакетов через подсистему мультимедиа (VoLTE), либо на время звонка автоматически переключаться в радиосеть 2G/3G (CSFB).

Ответы к практике

1. Ответ к заданию 1: Запустить 3G UMTS (WCDMA) в полосе $2{,}4\text{ МГц}$ нельзя, так как одна несущая WCDMA жёстко требует полосы $5{,}0\text{ МГц}$. В стандарте 4G LTE в полосу $2{,}4\text{ МГц}$ помещается стандартный канал шириной $1{,}4\text{ МГц}$ (следующая ступень $3{,}0\text{ МГц}$ уже не войдёт в $2{,}4\text{ МГц}$).
2. Ответ к заданию 2: Для полосы $\Delta F = 10\text{ МГц}$ целевая пиковая скорость в Downlink составит $10\text{ МГц} \times 5{,}0\text{ бит/с/Гц} = \mathbf{50\text{ Мбит/с}}$ (при $2\times 2\text{ MIMO}$ на практике до $75\text{ Мбит/с}$), а в Uplink — $10\text{ МГц} \times 2{,}5\text{ бит/с/Гц} = \mathbf{25\text{ Мбит/с}}$.
3. Ответ к заданию 3: Исключение промежуточного контроллера RNC убрало лишний транзитный узел и транспортный участок Iub из пути каждого пакета. Поскольку планировщик радиоресурсов и протокол управления радиоканалом переехали прямо на базовую станцию eNodeB с интервалом кадра/субкадра $1\text{ мс}$, задержка пакета в радиосети в одну сторону сократилась до $< 5\text{ мс}$, а время установки активного радиосоединения из спящего режима — до $< 100\text{ мс}$.
4. Ответ к заданию 4: В одну сторону задержка в 4G LTE составит $4{,}5\text{ мс} + 5{,}5\text{ мс} = 10{,}0\text{ мс}$. Сквозная круговая задержка (туда и обратно) составит $\text{RTT} = 2 \times 10{,}0\text{ мс} = \mathbf{20\text{ мс}}$ (снижение в $3{,}5\text{ раза}$ по сравнению с $70\text{ мс}$ в 3G!).
5. Ответ к заданию 5 ⭐:
   * Новая средняя пропускная способность сектора LTE ($15\text{ МГц}$): $15\text{ МГц} \times 3{,}6\text{ бит/с/Гц} = \mathbf{54\text{ Мбит/с}}$ (против $18\text{ Мбит/с}$ в 3G).
   * Новая пиковая пропускная способность сектора LTE ($15\text{ МГц}$): $15\text{ МГц} \times 7{,}5\text{ бит/с/Гц} = \mathbf{112{,}5\text{ Мбит/с}}$.
   * Объём трафика за $1\text{ час}$ ($3600\text{ с}$) при средней скорости $54\text{ Мбит/с}$ ($54 / 8 = 6{,}75\text{ МБ/с}$): $6{,}75\text{ МБ/с} \times 3600\text{ с} = 24\,300\text{ МБ} = \mathbf{24{,}3\text{ ГБ}}$ в час с одного сектора!

Повторение и критерий перехода

• Быстрое повторение из курса gsm: вспомните, какие два узла образовывали пакетный домен 2.5G/3G PS Core (SGSN и GGSN) и какой туннельный протокол (GTP) связывал их между собой — уже через три урока мы увидим, во что они превратились в ядре 4G EPC.
• Критерий перехода к следующему уроку: вы готовы двигаться дальше, если без подглядывания назовёте все шесть стандартных ширин канала LTE ($1{,}4 \dots 20\text{ МГц}$), целевые показатели 3GPP TR 25.913 ($\ge 100 / 50\text{ Мбит/с}$ в $20\text{ МГц}$, $< 5\text{ мс}$ User Plane, $< 100\text{ мс}$ Control Plane) и три главных архитектурных отличия плоской сети 4G от иерархической 3G.

Дальше, в уроке 2 (lte-vs-4g), мы разберём парадокс названия «4G»: почему коммерческий LTE Release 8 формально сначала не дотянул до жёсткой планки Международного союза электросвязи IMT-Advanced ($1\text{ Гбит/с}$) и как эту вершину взяли релизы LTE-Advanced (Rel-10) и LTE-Advanced Pro (Rel-13+).

Стандарты и источники

• 3GPP TR 25.913 — Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) (исходный документ целевых требований к скорости $100/50\text{ Мбит/с}$, задержке $< 5\text{ мс}$ / $< 100\text{ мс}$ и гибкости спектра $1{,}4\text{–}20\text{ МГц}$).
• 3GPP TS 36.300 — Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (общее описание плоской радиосети LTE и интервала $1\text{ мс}$).
• 3GPP TS 23.401 — General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (архитектура чисто пакетного ядра EPC без домена коммутации каналов CS).