LTE Advanced: что это такое, как работает и чем отличается от обычного LTE

Если вы когда-нибудь замечали на экране смартфона значок 4G+ или LTE+ вместо обычного LTE — это и есть LTE Advanced в действии. И это не просто другой значок — за ним стоит технология, которая радикально изменила мобильный интернет и во многом определила то, каким он является сейчас.

Именно LTE Advanced позволил смотреть видео в высоком разрешении без буферизации, нормально работать в переполненных местах вроде вокзалов и торговых центров и грузить страницы быстрее, чем на домашнем Wi-Fi несколько лет назад. Стандарт появился ещё в начале 2010‑х, но до сих пор остаётся основой мобильного интернета по всему миру — в том числе там, где уже запущен 5G. В этой статье разберём, как устроена технология, чем она отличается от обычного LTE и что означают все эти категории Cat 6, Cat 12 в характеристиках телефонов.

Что такое LTE и зачем понадобился LTE Advanced

Чтобы разобраться в теме, нужно сделать небольшой шаг назад. LTE (Long Term Evo­lu­tion — в переводе «долгосрочное развитие») появился в 2009 году и позиционировался операторами как стандарт четвёртого поколения мобильной связи. По тем временам это был огромный скачок по сравнению с 3G: скорость загрузки могла достигать 100 Мбит/с, задержки сократились до приемлемых значений, появилось нормальное видео по сети.

Но уже к началу 2010‑х годов стало понятно: мобильный трафик растёт куда быстрее, чем успевают строить сети. Видеозвонки, стриминг в высоком разрешении, мессенджеры с медиафайлами — всё это требовало большей пропускной способности. Плюс международный регулятор в сфере телекоммуникаций, Международный союз электросвязи, установил более жёсткие требования к тому, что вообще можно называть «настоящим 4G». Классический LTE этим требованиям не вполне соответствовал.

Ответом на оба вызова стал LTE Advanced.

Когда появился LTE Advanced

Стандарт был разработан организацией 3GPP (объединение организаций по стандартизации в сфере телекоммуникаций) и закреплён в так называемом Release 10, финальная версия которого вышла в 2011 году. LTE Advanced сосредоточился на улучшении ёмкости и пропускной способности сетей, а среди ключевых нововведений — агрегация несущих, расширенные антенные конфигурации и поддержка ретрансляционных узлов.

В коммерческую эксплуатацию технология вышла позже. Первая в мире сеть LTE Advanced была развёрнута в 2013 году южнокорейским оператором SK Tele­com. Остальные страны подтянулись в течение нескольких лет.

Что изменилось по сравнению с обычным LTE

Пожалуй, самое важное: LTE Advanced — это не новая сеть, а набор улучшений поверх существующей. Все устройства с поддержкой LTE Advanced обратно совместимы с обычным LTE. Это значит, что старый смартфон без поддержки LTE Advanced продолжал нормально работать в тех же сетях — просто без дополнительных возможностей.

По скорости разница ощутима. Скорости загрузки и отдачи в LTE Advanced в два-три раза выше, чем в стандартном LTE. Теоретический пиковый показатель при загрузке данных составляет 1 Гбит/с, при отдаче — 500 Мбит/с. Достичь таких цифр в реальных условиях практически невозможно, но об этом — чуть ниже.

Как LTE Advanced добивается высоких скоростей

За ростом производительности стоят несколько конкретных технических решений. Каждое из них заслуживает отдельного объяснения.

Несущая — это отдельный радиочастотный канал, на котором работает сеть. Можно представить её как отдельную «трубу», по которой передаются данные. Агрегация — это объединение нескольких таких труб в одну широкую.

Это главное новшество LTE Advanced — именно оно и даёт основной прирост скорости. Если объяснять на пальцах: обычный LTE работает на одной такой полосе. LTE Advanced умеет одновременно задействовать несколько полос и складывать их пропускную способность вместе.

Представьте, что вы перевозите грузы. Раньше у вас была одна полоса на шоссе, теперь их пять — и все работают одновременно. В LTE Advanced можно объединить первоначально до пяти таких несущих с максимальной полосой 20 МГц каждая, в итоге суммарная ширина канала достигает 100 МГц. Чем шире канал, тем больше данных через него проходит за единицу времени.

Полосы при этом могут располагаться в разных частотных диапазонах и даже на разных радиочастотных диапазонах одновременно — это называется междиапазонной агрегацией. Для пользователя всё это происходит незаметно: телефон сам решает, какие полосы использовать в данный момент.

Агрегация бывает трёх видов. Первый — объединение соседних полос в одном диапазоне: это самый простой вариант, когда частоты буквально стоят рядом. Второй — объединение полос в одном диапазоне, но не соседних: технически сложнее, зато позволяет использовать «дыры» в частотном плане оператора. Третий и самый распространённый на практике — межполосная агрегация: объединяются полосы из совершенно разных диапазонов, например 800 МГц и 1800 МГц одновременно. Именно этот вариант чаще всего и работает в российских сетях.

MIMO расшифровывается как Mul­ti­ple Input, Mul­ti­ple Out­put — то есть несколько антенн на приём и на передачу одновременно. Это тоже не изобретение LTE Advanced, но здесь технология была серьёзно усилена.

Речь идёт об антеннах сразу с двух сторон: и на базовой станции, и в самом смартфоне. В обычном LTE максимальная конфигурация составляла четыре антенны на каждой стороне (4×4).

В LTE Advanced для нисходящего канала — то есть когда данные идут от станции к вам — это число выросло до восьми с каждой стороны (8×8). Для восходящего, когда вы отправляете данные в сеть, осталось 4×4.

Чем больше антенн работает параллельно, тем выше эффективная скорость передачи данных и тем лучше сигнал в условиях помех и отражений от зданий. На практике, впрочем, большинство смартфонов используют конфигурацию 2×2 или 4×4: восемь антенн физически трудно разместить в тонком корпусе, и базовые станции поддерживают максимальную конфигурацию тоже не повсеместно.

Ещё одно важное понятие в контексте LTE Advanced — гетерогенные сети (от греческого «разнородный»). Это архитектура, при которой большие базовые станции дополняются маломощными малыми сотами: пикосотами, фемтосотами, ретрансляционными узлами.

Смысл в том, чтобы уплотнить покрытие там, где оно нужно больше всего — в зданиях, торговых центрах, на вокзалах, в плотно застроенных кварталах. Малая сота берёт на себя локальный трафик, разгружая основную станцию. В итоге вся сеть справляется с нагрузкой эффективнее, а у каждого конкретного пользователя скорость выше.

Это менее известная технология, которая называется CoMP (Coor­di­nat­ed Mul­ti­point). Суть её в следующем: несколько соседних базовых станций начинают координировать свои действия, чтобы совместно обслуживать устройство — особенно на краях зоны покрытия, где сигнал обычно слабее всего.

В классических сетях на границе между двумя сотами телефон страдает от помех: соседние станции мешают друг другу. CoMP превращает этих «соперников» в команду, которая работает согласованно. Результат — более стабильная скорость и меньше обрывов соединения именно там, где раньше было хуже всего.

Какие скорости реальны на практике

Теоретический гигабит в секунду — это цифра из идеальных лабораторных условий. В жизни всё немного скромнее, и этому есть простое объяснение.

Во-первых, скорость зависит от того, сколько несущих агрегирует сеть оператора в конкретном месте. Не все операторы развернули максимальную агрегацию везде — это дорого и технически непросто. Во-вторых, многое зависит от самого устройства: телефон должен поддерживать достаточное количество несущих и иметь соответствующий модем.

По данным компаний, измеряющих качество связи по всему миру, в развитых рынках со зрелыми сетями LTE Advanced средняя скорость загрузки может приближаться к 80–100 Мбит/с. В хороших условиях — рядом с базовой станцией, с поддержкой агрегации нескольких несущих — реальные цифры бывают значительно выше: 200–400 Мбит/с. Для сравнения, потоковое видео в качестве 4K требует примерно 25 Мбит/с, так что запас более чем достаточный.

Значок 4G+ на экране не гарантирует высокую скорость. Причин, по которым реальный результат далёк от максимального, может быть несколько.

1. Загруженность базовой станции.
   Один передатчик обслуживает всех абонентов в зоне покрытия одновременно. На оживлённой улице или в торговом центре в час пик скорость у каждого падает — просто потому что пользователей много, а ресурс станции ограничен.
2. Уровень сигнала.
   Чем дальше от базовой станции или чем больше препятствий между ней и телефоном, тем ниже скорость. Телефон в таких условиях автоматически переключается на менее эффективный режим передачи.
3. Возможности модема.
   Старый или бюджетный смартфон может поддерживать только Cat 4 или Cat 6, тогда как сеть готова дать больше. Потолок упирается в железо — о категориях модема подробнее в следующем разделе.
4. Агрегация работает не везде.
   Оператор может поддерживать агрегацию в целом, но в конкретном месте базовая станция её не использует. Тогда телефон подключится к одной несущей, и скорость будет как у обычного LTE.
5. Тарифные ограничения.
   Часть тарифов ограничивает скорость на уровне 30–50 Мбит/с вне зависимости от возможностей сети и устройства.
6. Режим энергосбережения.
   Когда телефон экономит заряд, он может намеренно ограничивать производительность модема.

LTE Advanced Pro: следующий шаг

После LTE Advanced работа по улучшению стандарта не остановилась. В 2016 году 3GPP выпустил Release 13, получивший маркетинговое название LTE Advanced Pro. Его иногда называют 4.5G или даже Pre-5G — за то, что он включает технологии, ставшие прообразом пятого поколения.

LTE Advanced Pro поддерживает данные со скоростью свыше 3 Гбит/с и использует агрегацию до 32 несущих одновременно. Для сравнения: у базового LTE Advanced их было максимум пять. При 32 несущих суммарная ширина канала теоретически достигает 640 МГц.

Кроме того, LTE Advanced Pro ввёл концепцию License Assist­ed Access, которая позволяет операторам использовать нелицензируемый радиочастотный спектр — то же самое, что и Wi-Fi — в дополнение к лицензированным полосам. Это особенно важно для операторов, у которых не хватает лицензированного спектра для развёртывания полноценной агрегации.

Ещё одно важное нововведение — модуляция 256-QAM. Если не углубляться в детали: модуляция определяет, сколько бит информации передаётся за один импульс сигнала. В обычном LTE Advanced использовалась схема 64-QAM — 6 бит за импульс. LTE Advanced Pro поднял эту цифру до 8 бит, что дало прирост теоретической скорости примерно на треть без каких-либо изменений в частотах или антеннах.

Среди других нововведений LTE Advanced Pro — поддержка стандарта NB-IoT для устройств интернета вещей, улучшенные механизмы вещания и технологии Vehi­cle-to-Every­thing («транспортное средство — всё вокруг») для взаимодействия транспортных средств с инфраструктурой.

Чем LTE Advanced отличается от 5G

Это, пожалуй, самый частый вопрос. Ответ короткий: 5G — это не улучшение LTE Advanced, а принципиально другая технология.

LTE Advanced и LTE Advanced Pro — это эволюция существующего стандарта LTE. Они используют ту же базовую радиотехнологию, просто делают это эффективнее. 5G работает на основе совершенно нового радиоинтерфейса — New Radio (NR), который принципиально отличается от LTE.

Взять хотя бы диапазоны частот: 5G может использовать миллиметровые волны с частотами выше 24 ГГц, которые дают огромную скорость, но не проходят через стены и работают только на небольших расстояниях. Для LTE Advanced такие частоты в принципе не предусмотрены. У 5G иная архитектура ядра сети, иные механизмы кодирования, иные возможности по задержкам — целевой показатель латентности для 5G составляет около 1 миллисекунды против 30–70 мс у LTE.

На практике, впрочем, всё не так однозначно. Во многих странах операторы строят 5G в «несамостоятельном» режиме: новая радиосеть работает поверх существующего LTE-ядра. В таких случаях телефон может одновременно использовать и 5G, и LTE Advanced — это увеличивает скорость, но полноценным 5G в техническом смысле не является.

Категории LTE: что означает Cat 4, Cat 6 и другие

Когда смотришь характеристики смартфона, там нередко написано что-то вроде «LTE Cat 6» или «поддерживается Cat 12». Разберём, что это означает.

Категория LTE — это стандартизированный «уровень» возможностей модема. Он определяет, какую максимальную скорость устройство способно поддерживать и сколько несущих умеет агрегировать. Чем выше номер, тем мощнее модем и тем больше возможностей открывается при наличии соответствующей сети.

Важный момент: категория устройства и категория сети — разные вещи. Даже если в телефоне стоит модем Cat 12, скорость ограничится тем, что умеет сеть оператора в конкретном месте. И наоборот: если сеть поддерживает агрегацию пяти несущих, а модем — только две, больше двух телефон не получит.

Cat 4 — последнее поколение без поддержки LTE Advanced. Cat 6 — первая массовая категория с агрегацией, смартфоны на ней появились примерно в 2015–2016 годах. Большинство актуальных смартфонов сегодня начинаются с Cat 6, флагманы уходят в Cat 12 и выше.

Поддерживает ли ваш смартфон LTE Advanced

Большинство смартфонов, выпущенных после 2015–2016 годов, поддерживают LTE Advanced как минимум в базовом варианте — агрегацию двух-трёх несущих. Современные флагманы поддерживают агрегацию пяти и более несущих, а также технологии из LTE Advanced Pro.

Примерная хронология: первые смартфоны с LTE Advanced появились в 2013–2014 годах, но были дорогими и редкими. С 2015 года поддержка стала нормой для флагманов, с 2017-го подтянулся средний сегмент, а с 2020 года LTE Advanced поддерживает практически любой новый смартфон вне зависимости от цены.

Убедиться в поддержке можно несколькими способами. Самый простой — посмотреть на значок в строке состояния: 4G+ или LTE+ означает, что прямо сейчас работает агрегация. Но значок не всегда отображается корректно — зависит от производителя и прошивки. Надёжнее заглянуть в технические характеристики телефона: ищите упоминание «LTE Advanced», «LTE‑A», «Car­ri­er Aggre­ga­tion» или номер категории модема (Cat 6 и выше — уже LTE Advanced).

На Android можно посмотреть детальнее с помощью специальных приложений. Net­Mon­ster и Net­work Cell Info показывают, сколько несущих сейчас агрегируется, в каких диапазонах работает телефон и какой уровень сигнала на каждой из них. Это особенно полезно, если хочется понять, почему скорость именно такая.

Стоит учитывать, что поддержка технологии в телефоне — это лишь половина дела. Сеть оператора в вашем конкретном городе и районе тоже должна поддерживать агрегацию. В крупных городах с этим давно всё хорошо, в небольших населённых пунктах ситуация может быть скромнее.

LTE Advanced в России

Все крупные российские операторы развернули LTE Advanced ещё в середине 2010‑х годов. В крупных городах агрегация несущих давно стала нормой: сети работают одновременно в нескольких диапазонах, и современный смартфон использует это автоматически.

Для LTE операторы в России используют несколько основных диапазонов. Чаще всего агрегируются Band 20 (800 МГц) — он хорошо проникает в здания и обеспечивает широкое покрытие; Band 3 (1800 МГц) — основной «рабочий» диапазон в большинстве городов; Band 7 (2600 МГц) — высокая ёмкость там, где много абонентов; Band 38 и Band 40 — дополнительная ёмкость в крупных городах. Типичная агрегация выглядит как Band 3 + Band 7 или Band 20 + Band 3.

Именно поэтому важно, чтобы смартфон поддерживал нужные диапазоны. Устройства, предназначенные для других рынков, могут не поддерживать некоторые российские Band — и тогда агрегация либо работает хуже, либо не работает вовсе.

В небольших городах и сельской местности картина скромнее. Там чаще всего работает один диапазон без агрегации, и это нормально: для большинства задач хватает с запасом. А вот отображение на экране может сбивать с толку — одно устройство покажет 4G+, другое просто LTE, хотя работает в тех же условиях. Ориентироваться лучше на реальную скорость, а не на значок.

Что будет с LTE Advanced после прихода 5G

Распространённое заблуждение: раз есть 5G, LTE скоро уйдёт. На деле всё иначе, и вот почему.

Во многих странах, в том числе в России, 5G развёртывается в так называемом несамостоятельном режиме (NSA). Это означает, что новая радиосеть работает поверх существующего LTE-ядра. LTE здесь не фоновый элемент, а полноправный участник: на нём держится управляющий канал и часть трафика. Без LTE такой 5G просто не работает.

Кроме того, LTE покрывает огромные территории, которые 5G не охватит ещё долгие годы. Строить параллельную инфраструктуру с нуля дорого и долго. Пока 5G концентрируется в крупных городах, LTE Advanced остаётся основной сетью для большинства абонентов.

Отдельная история — интернет вещей. Стандарты NB-IoT и LTE‑M, встроенные в LTE Advanced Pro, используются в счётчиках, датчиках, транспорте. Это огромный рынок, и переводить его на 5G никто не торопится.

В общем, LTE Advanced никуда не уходит. По самым скромным оценкам, он останется доминирующей технологией мобильной связи ещё как минимум до конца этого десятилетия.

Итог

LTE Advanced стал той технологией, которая превратила мобильный интернет из «терпимого» в по-настоящему быстрый. Агрегация частот, улучшенные антенные конфигурации, координация между базовыми станциями — всё это в совокупности дало пользователям скорости, о которых в эпоху 3G можно было только мечтать. А пришедший следом LTE Advanced Pro подтолкнул планку ещё выше и во многом подготовил почву для 5G.

Сегодня LTE Advanced — это норма для любого современного оператора. Даже там, где 5G ещё только разворачивается, именно LTE Advanced обеспечивает тот уровень скорости и стабильности, к которому мы успели привыкнуть.