Regularnie otrzymuję zapytania z wielu stron, dlaczego modemy do 2G, 3G i LTE podłączane przez USB są dostępne, a dla technologii LTE-A takich urządzeń nie ma – czy to w postaci zwykłego „palucha” wtykanego w gniazdo USB. Przyjrzałem się problemowi i zebrałem wszystkie najważniejsze problemy z tym związane w jednym miejscu. Ze zdziwieniem stwierdziłem też, że jest mało informacji o tym problemie w sieci, tym bardziej postanowiłem zrobić krótki wpis na ten temat.

Oczywiście wyjaśnię najpierw o co chodzi z tym LTE-A i czym różni się od LTE, choć sama technologia LTE-A to temat na oddzielny artykuł.

Czym jest LTE-A?

Najpierw kilka słów o technologii LTE-A, czyli LTE-Advanced. Jest to rozwinięcie technologii LTE o agregację pasm, czyli możliwość jednoczesnej transmisji na kilku różnych częstotliwościach między modemem i siecią operatora. Standardowy modem LTE działa tylko w jednym paśmie: w tej chwili w Polsce operatorzy korzystają z 1800 MHz, 800 MHz, 2600 MHz oraz czasem 2100 MHz jako bazy dla sieci LTE. Modem i sieć negocjują najlepsze dla nich pasmo – w miastach najczęściej jest to 2600 MHz, o ile już jest dostępne (najwyższe prędkości, najmniejszy zasięg), poza miastami 800 MHz (olbrzymi zasięg, skromne prędkości), a najwięcej jest stacji bazowych w paśmie 1800 MHz.

Jeżeli jednak w jednej lokalizacji mamy dostęp do wszystkich tych częstotliwości na raz, to tradycyjny modem może jednocześnie komunikować się tylko na jednej z nich, którą wybiera zwykle automatycznie (mało który modem pozwala użytkownikowi na wybór pasma LTE – wyjątkiem są np. modemy E3372 oferowane w sklepie jdtech.pl, gdzie specjalny interfejs pozwala na takie operacje, ale domyślnie modemy pracują w trybie automatycznym).

Okazuje się, że technologię LTE rozbudowano o możliwość pracy jednocześnie na kilku pasmach – w przypadku urządzeń kategorii 6 LTE – na dwóch, kategorii 9 na 3, a kategorii 11 na 4 różnych pasmach. W Polsce sieci oferują agregację najwyżej na 3 różnych pasmach jednocześnie, ale to się może zmienić.

Dzięki temu modem może wykorzystać dostępne zasoby z każdego tych pasm jednocześnie i zaoferować użytkownikowi większą szybkość przesyłu. Teoretycznie to 300 Mbit/s w kat6 i 450 Mbit/s w kat9. Oczywiście realne prędkości są znacznie niższe, zwłaszcza ze względu na niskie prędkości w paśmie 800 MHz. Szczegóły opiszę w osobnym artykule. Praktyczne maksymalne prędkości to około 130 Mbit/s w przypadku pojedynczych BTSów Play oraz 200-300 Mbit/s dla jednej ze stacji bazowych Orange. W przyszłości zasięg i szybkości na pewno będą się poprawiały, ale na pewno nigdy nie zobaczymy prędkości maksymalnych przy pomiarach w warunkach rzeczywistych.

Niektórzy pamiętają zapewne technologię HSPA+DC, która pozwala uzyskać podobny efekt w 3G: rozszerzenie Dual Carrier (lub Dual Channel) dostępne u niektórych operatorów pozwala podwoić potencjalnie prędkość z 21 do 42 Mbit/s dzięki zastosowaniu podobnego rozwiązania – połączenia w jedno kilku kanałów (nośnych) w obrębie jednego pasma, albo w wyższych rozwiązaniach także na różnych pasmach. Jednak żaden z operatorów nie wdrożył tego na dużym obszarze Polski, a ja najczęściej spotykałem się z tym w sieci Orange i Plus i to tylko w niektórych większych miastach.

A teraz główne pytanie:

Czy są modemy LTE-A na USB?

I odpowiedź prosta: Nie ma i w najbliższym czasie nie będzie.

No to…

Gdzie są modemy na USB z obsługą LTE-A?

Przejdźmy teraz do głównego problemu artykułu. Jak widzimy, modem LTE-A składa się z praktycznie z kilku równolegle połączonych modemów LTE, z których każdy pracuje na innym wynegocjowanym z operatorem paśmie. Z jednej strony mamy potencjalnie wysokie prędkości, a z drugiej strony wiąże się to z dodatkowym poborem mocy: każdy moduł radiowy potrzebuje dodatkowej mocy.

Gniazdo USB 2.0 zgodnie ze standardem daje nam tylko gwarantowane 2.5W mocy (5V przy 500 mA). Już teraz większość modemów USB (nawet 3G) nie spełnia tego wymogu i zwykle pobiera więcej – prąd chwilami skacze powyżej 800mA, a podczas logowania do sieci nawet potrafi czasem sięgnąć w starszych modemach LTE nawet 2A. Moc pobierana rośnie także, gdy sygnał sieci staje się słabszy.

W przypadku większości laptopów nie jest to jednak problem, bo te radzą sobie z takim poborem mocy nieco powyżej standardu, a niektóre mają nawet specjalne gniazda dające do 25W. Jednak routery w wielu wypadkach miewają z tym problemy, podobnie jak niektóre komputery stacjonarne.

Jak to jest z modemami LTE-A? W przypadku modemów kategorii 6 mamy do czynienia (podobnie jak w HSPA+DC) z dwoma modułami radiowymi, a w przypadku kategorii 9 – trzema. To oznacza, że podsystem radiowy pobiera od 2 do 3 razy więcej mocy w czasie pracy. Co prawda nie wiąże się to od razu z 2-3 krotnym zwiększeniem poboru mocy przez cały modem, jednak sumaryczna moc jest całkiem spora. Zajrzałem do specyfikacji jednego z modemów podłączanych przez mini PCI Express, model Sierra Wireless AirPrime EM7455 kategorii 6 (agreguje więc tylko 2 pasma):

• Typowa moc ciągła przy niskiej mocy nadawania (kat6): 580mA przy napięciu 3,7V ~ moc 2,1W
• Typowa moc ciągła przy maksymalnej mocy nadawania (kat6): 1000mA przy napięciu 3,7V ~ moc 3,7W
• Maksymalny prąd ciągły: 1,5 A przy 3,7V ~ moc 5,55W
• Maksymalny prąd podczas uruchomienia: 2,5A przy 3,7V ~ 9,25W

Widzimy więc, że o ile przy dobrych warunkach sygnałowych prąd pobierany jako tako mieści się w standardzie USB 2.0, o tyle prąd włączenia przekracza limit prawie 4 razy, a podczas pracy z maksymalną mocą nadawania stały prąd znacząco przekracza normę 2,5W. Producent ostrzega też w specyfikacji technicznej, że musi być zapewniony dostęp do prądu 1,5A w trybie pracy ciągłej – ponad 2 razy więcej niż pozwala na to standard USB.

Możemy od razu założyć, że wartości te są zauważalnie wyższe dla modemu kategorii 9 i 11.

Widzimy więc, że bardzo wiele komputerów i innych urządzeń miałoby problem z zasileniem takiego modemu przez port USB 2.0.

Co prawda jest coraz powszechniejszy standard USB 3.0, który oferuje 900 mA przy 5V, czyli 4,5W, jednak i tutaj widzimy, że mocy może zabraknąć: ten konkretny modem LTE-A potrzebuje przecież 5.55W. Poza tym trzeba wspomnieć, że oferowanie klientowi urządzenia, które mechanicznie pasuje do gniazda USB 2.0 i nie działa z nim wcale jest niezbyt dobrym pomysłem. Co prawda można oprzeć się o rozwiązanie w postaci USB 3.1 oraz gniazdo USB-C, ale to znowu jest dość rzadkie i ponownie narażamy się problem ze sprzedażą urządzeń.

Jasne staje się, dlaczego na razie nie ma modemów USB z obsługą LTE-A: o ile producent telefonu czy routera po prostu musi zapewnić odpowiednie parametry zasilania i już, o tyle sprzęt zasilany tylko przez USB musi zakładać w miarę normalną pracę przy dostępnej mocy w okolicy 2.5W, a to dla modemów LTE jest niemożliwe.

Szyna USB nie zapewnia wystarczającej mocy do zasilania modemów LTE-A.

Ktoś mógłby zapytać: przecież telefony i routery mobilne są zasilanie przez gniazdo USB i jak to działa? Tutaj już odpowiedź jest prosta – zasilacze i ładowarki do routerów są zwykle wyższej mocy i prąd przy ładowaniu sięga 2A, czasem więcej w przypadku urządzeń stosujących rozwiązania typu QiockCharge. Poza tym w tych urządzeniach jest zawsze bateria – gdy pobór mocy jest duży, może ona dodatkowo zasilić układy urządzenia. A gdy pobór mocy przez resztę telefonu/routera spada, nadmiar mocy jest kierowany do ładowania baterii.

Problem z zasilaniem urządzeń LTE-A jest mniejszy w przypadku modułów wbudowanych w telefony i routery mobilne, które posiadają własne baterie i zasilacze większej mocy.

To oczywiście sytuacja dotycząca stanu aktualnego. Cały czas trwa postęp technologiczny i wchodzą nowsze, bardziej energooszczędne układy LTE-A i z czasem takie modemy mogą się pojawić.

A jak ktoś lubi eksperymentować, można kupić adapter miniPCI-E do USB, w których można umieścić taki modem i przekonać się, jakie są problemy z zasilaniem. Jednak taka zabawa do najtańszych nie należy – modemy LTE-A dla tej szyny kosztują w granicach 1000 PLN.

Problem wydajności szyny USB 2.0

Dodam, że jest też inny problem z szyną USB 2.0: maksymalna przepustowość interfejsu wynosi 480 Mbit/s, choć to oczywiście nie oznacza, że taka prędkość jest dostępna dla użytkownika. Widać, że stosowanie urządzeń kategorii 9 może mijać się z celem ze względu na zbut małą przepustowość maksymalną.

Jednak nie podkreślam tego argumentu zbyt mocno, ponieważ osiągniecie prędkości nawet zbliżonych do maksymalnej przepustowości szyny USB jest czysto teoretyczne, ponieważ nawet, jeżeli takie sieci LTE-A w Polsce w końcu powstaną, to i tak mało prawdopodobne, że będziemy jedynymi korzystającymi z takiej stacji bazowej w danej chwili i osiągnięcie tych prędkości będzie mało prawdopodobne.

Ale jest to kolejny argument wyjaśniający, dlaczego powstają routery (stacjonarne i mobilne) wyposażone w interfejsy WiFi typu ac, porty Gigabit Ethernet, czy USB 3.0, a zwykłych modemów 2.0 nie ma.

Czy macie jeszcze jakieś pytania dotyczące technologii LTE-A?