4G. LTE - Long Term Evolution
Качественные показатели сетей LTE
Работа над первым стандартом четвертого поколения - LTE (Long Term Evolution) началась в 2004 году организацией 3GPP. Главными требованиями, которые предъявлялись в процессе работы над стандартом были следующие:
- Скорость передачи данных выше 100 Мбит/сек.
- Высокий уровень безопасности системы
- Высокая энергоэффективность
- Низкие задержки в работе системы
- Совместимость со стандартами второго и третьего поколений
В конце 2009 года в Швеции была запущена в коммерческую эксплуатацию первая сеть стандарта LTE.
Сети LTE поддерживают скорости передачи данных до 326,4 Мбит/сек. К примеру, загрузка фильма в хорошем качестве займет менее одной минуты. Таким образом, верхняя планка по скорости передачи данных практически снимается.
Структура сети LTE
Из схемы сети LTE, представленной выше, уже видно, что структура сети сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные изменения претерпела и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации. Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией. Также подверглись изменению и протоколы передачи данных между сетевыми элементами. Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные.
Можно выделить следующие основные элементы сети стандарта LTE:
Serving SAE Gateway или просто Serving Gateway (SGW) – обслуживающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. По сути, заменяет MSC, MGW иSGSN сети UMTS. SGW имеет прямое соединение с сетями второго и третьего поколений того же оператора, что упрощает передачу соединения в /из них по причинам ухудшения зоны покрытия, перегрузок и т.п.
Public Data Network (PDN) SAE Gateway или просто PDN Gateway (PGW) – шлюз к/от сетей других операторов. Если информация (голос, данные) передаются из/в сети данного оператора, то они маршрутизируются именно через PGW.
Mobility Management Entity (MME) – узел управления мобильностью. Предназначен для управления мобильностью абонетов сети LTE.
Home Subscriber Server (HSS) – сервер абонентских данных. HSS представляет собой объединение VLR, HLR, AUC выполненных в одном устройстве.
Policy and Charging Rules Function (PCRF) – узел выставления счетов абонентам за оказанные услуги связи.
Все перечисленные выше элементы относятся к системе коммутации сети LTE. В системе базовых станций остался лишь один знакомый нам элемент – базовая станция, которая получила название eNodeB. Этот элемент выполняет функции и базовой станции, и контроллера базовых станций сети LTE. За счет этого упрощается расширение сети, т.к. не требуется расширение емкости контроллеров или добавления новых.
SGW в составе сети LTE
Основные функции SGW:
- маршрутизация пакетного трафика
- "якорная" точка (точка объединения трафика) для хэндоверов между NodeB внутри одной сети доступа.
- "якорная" точка для хэндоверов между различными сетями доступа стандартовLTE/LTE и LTE/UMTS
- "якорная" точка для хэндоверов между сетями доступа стандартов LTE и GSM
- законный перехват трафика
отправляет различные события в PCRF (начало соединения, завершение соединения)
SGW занимает аналогичное место в сети LTE, как и MGW в сети UMTS. Однако в SGW нет функции коммутации каналов для голосовых соединений, т.к. в LTE вся информация, включая голос коммутируется и передается с помощью пакетов. Таким образом, SGW осуществляет только пакетную коммутацию.
PGW в составе сети LTE
Основные функции PGW:
- фильтрация пакетов по пользователям
- законный перехват трафика
- распределение IP адресов для UE
- gating control (см. PCRF), управление скоростью и обеспечение начисления платы за оказанные услуги связи
PDN GW занимает место MSC GW в сетях сотовой связи GSM. Однако в отличие от MSC GW осуществляет маршрутизацию только пакетного трафика, т.к. вся информация в сетях LTE передается в виде пакетов.
MME в составе сети LTE
MME выполняет следующие основные функции:
- сигнализация между CN (Core Network) и UE (User Equipment)
- сигнализация между различными CN (Core Network), в случае если выполняет хэндовер между различными сетями.
- выбор PDN GW и Serving GW
- выбор SGSN в случае когда осуществляется хэндовер в сети 2G или 3G
- роуминг
- законный перехват сигнализации
- аутентификация
- управление каналами на интерфейсах к другим элементам сети
Таким образом, можно провести аналогию между MME и MSC-S, но с большими оговорками.
HSS в составе сети LTE
HSS служит для хранения следующей информации:
- пользовательских идентификаторов, номеров и адресной информации
- данные безопасности абонентов: информация для контроля доступа в сеть, аутентификации и авторизации
- информация о местоположении абонента на межсетевом уровне, т.е. если даже абонент покинет текущую сеть LTE оператора, то в HSS сохранится информация о том в какую сеть он перешел для его поиска в случае входящего звонка
- информация о профиле абонента
Кроме того, HSS генерирует данные, необходимые для осуществления процедур шифрования, аутентификации и т.п.
Сеть LTE может включать один или несколько HSS. Количество HSS зависит от географической структуры сети и числа абонентов.
PCRF в составе сети LTE
Функции PCRF можно разделить на 2 основные части:
- Policy Function (управление политикой) также может быть разделено на 2 функции: контроль шлюза (gating control) и контроль качеством. Под контролем шлюза (gating control) понимается своевременность и безошибочность определения таких событий как начало предоставления, изменение параметров, завершение предоставления услуги и т.п. Управление качеством включает в себя непрерывный мониторинг и поддержание заданных абонентскими параметрами характеристик качества предоставления услуг (QoS) причем не только для голосовых соединений, но и для пакетных сессий.
- Charging Function (управление начислением платы) обязательно предусматривает on-line тарификацию, т.е. абонент и оператор могут в реальном времени отслеживать состояние счета. PCRF должен поддерживать несколько моделей начисления платы: по предоставленному объему услуг, по затраченному на услугу времени, по факту предоставления услуги, а также комбинированные модели.
PCRF должен выполнять указанные выше функции даже когда абонент находятся за пределами операторской сети.
eNodeB в составе сети LTE
В сети LTE нет аналога контроллеру базовых станций: RNC или BSC. Все функции контроллера возложены на eNodeB. Благодаря отсутствию контроллера базовых станций емкость и покрытие сети доступа становятся легко масштабируемы. Теперь нет промежуточного элемента, на емкость которого необходимо ориентироваться, планируя расширение сети.
В Rel.9 3GPP кроме обычных eNodeB предусмотрены еще Home eNodeB (HeNB). Главное отличие HeNB от eNodeB заключается в простоте конструкции, легкости монтажа и возможности автоконфигурации. HeNB представляет собой небольшое прямоугольное устройство, размером с почтовый ящик, в котором уже имеется панельная антенна, интерфейсный блок и основной функциональный блок обработки и преобразования сигнала. Он легко монтируется на стену или потолок, а подключение его к SGW возможно c помощью Ethernet-кабеля через сеть Интернет. Кроме того, обычно HeNB обладает возможностью автоконфигурации и не требует выезда на место специалиста для проведения долгой процедуры настройки и ввода в эксплуатацию, т.к. процедуру установки необходимых параметров можно провести удаленно после подключения устройства к сети Интернет. Основное назначение HeNB – это установка внутри жилых помещений, офисов, небольших производственных помещений.
Интерфейсы между узловыми элементами в сетях стандарта LTE
Структура сети стандарта LTE претерпела значительные изменения по сравнению с сетями предыдущих поколений. Это повлияло также и на изменение интерфейсов между узлами сети. На рисунке ниже представлена общая модель сети стандарта LTE и ее основные интерфейсы.
Интерфейсы сети стандарта LTE
Рассмотрим основные интерфейсы сети LTE:
X2- интерфейс между eNodeB. Базовые станции в сети LTE соединены по принципу «каждый с каждым»
S1 – интерфейс связывающий подсистему базовых станций E-UTRAN и MME. По данному интерфейсу передаются данные управления.
S1-U – интерфейс между E-UTRAN и SAE, по которому передаются пользовательские данные
S2 – интерфейс для организации соединения между PDN-Gateway и сетями доступа, которые не разрабатывались 3GPP
S3 – интерфейс, предоставляющий прямое соединение SGSN и MME. Он служит для передачи данных управления для обеспечения мобильности междуLTE и 2G/3G сетями
S4 – интерфейс, связывающий SAE и SGSN. Он служит для передачи пользовательских данных для обеспечения мобильности между LTE и 2G/3Gсетями
S5 – интерфейс между SAE и PDN-Gateway. S5 предназначен для передачи пользовательских данных между SAE и PDN-Gateway
S6 – интерфейс между MME и HSS. Он используется для передачи данных абонентского профиля, а также осуществления процедур аутентификации в сети LTE
Gx – интерфейс между PDN-Gateway и PCRF. Gx предназначен для передачи правил тарификации от PCRF к PDN-Gateway
SGi - интерфейс между PDN-Gateway и внешними IP-сетями
Взаимодействие между различными сетями 2G , 3G, 4G
