Организация связи в сетях LTE бесплатное чтение
Предисловие
Одним из наиболее перспективных направлений развития мобильной радиосвязи является стандарт LTE (Long-Term Evolution – Долговременное развитие), часто обозначается как 4G или 5G – стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными. Несмотря на то, что в этом стандарте заложено очень много передовых технологий по обработке радиосигналов, которые можно использовать не только в мобильной, но и в других видах радиосвязи, изучению этого стандарта в учебных заведениях уделяется очень мало внимания. Те, кто пытается изучать этот стандарт самостоятельно, сталкиваются с достаточно большими трудностями. Прежде всего очень мало учебников, статей и других материалов по этому вопросу на русском языке. При изучении приходится в основном использовать источники на иностранных языка, в основном это спецификации, но количество этих спецификаций очень большое, на их перевод потребуются годы, а определить требуемые для изучаемого вопроса спецификации достаточно сложно. Кроме того, в спецификациях используется огромное количество сокращений, некоторые из них имеют несколько различных расшифровок, причем, не все
сокращения, встречающиеся в данной спецификации, в ней же и расшифрованы, расшифровку некоторых сокращений только случайно можно найти в других спецификациях.
Цель написания этой работы – облегчить жизнь тем энтузиастам, которые пытаются самостоятельно изучать стандарт LTE.
Введение
Стандарт LTE (E-UTRA) рассматривают в настоящее время как наиболее перспективный для реализации широкополосного мобильного радиодоступа. Организация радиоканалов со скоростями в десятки и сотни мегабит/с, возможность предоставления любых видов пакетных услуг: VoIP, видео, игр в реальном времени, чтения файлов из Интернета, совместимость сетей LTE с Интернетом и с действующими пакетными сетями GERAN/UMTS и CDMA2000 – все это способствует большим надеждам, которые операторы телекоммуникационных компаний связывают с развертыванием LTE-структур.
В сравнении с предшествующими стандартами сотовой связи стандарт LTE обладает рядом существенных преимуществ. С появлением сетей LTE стираются различия между сетями сотовой связи (GSM, UMTS, CDMA-2000) и сетями радиодоступа семейства IEEE 802.X: 802.11 (Wi-Fi) и 802.16 (WiMAX). Фактически стандарты 3-го поколения GERAN (модернизированный GSM) и UTRAN в своих аббревиатурах позиционируют себя как сети радиодоступа – Radio Access Network. Это означает, что пользовательское оборудование может быть любым – от компактных мобильных телефонов (“трубок”) до персональных компьютеров различной производительности. Переход к радиосетям 4-го поколения требует предоставления услуг широкополосного доступа с целью увеличения скоростей передачи на порядок. Скорости в десятки мегабит/с в полосе 20 МГц реализованы в сетях Wi-Fi и WiMAX. В сетях LTE полоса рабочих частот также может достигать 20 МГц, что позволяет получить те же скорости, что и в сетях WiMAX. Однако в отличие от сетей WiMAX сети LTE имеют выход на существующую инфраструктуру сотовых сетей и, прежде всего, на глобальную сеть GERAN/UMTS. Абоненты LTE получают услуги глобального роуминга, а при использовании многостандартных терминалов GERAN/UMTS/LTE обслуживание в тех местах, где сети LTE пока не развернуты.
В отличие от многих телекоммуникационных систем, для которых спецификации (даже если их достаточно большое количество) имеют чётко выраженные “перечисляемость и предназначенность”, техническая документация на систему LTE представляет собой колоссальное количество разнообразных документов, разрабатываемых в рамках международного консорциума 3 GPP (3rd Generation Partnership Project) и открыто публикуемых на страницах всемирного форума www.3gpp.net. Такие документы сгруппированы в соответствующие серии по признаку общности какого-либо аспекта.
Технические спецификации, относящиеся непосредственно к сетям LTE, выделены в 36-ю серию. Наиболее значимыми спецификациями являются следующие:
– TS 36.101 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception. Пользовательское Оборудование (UE) радиопередача и прием;
– TS 36.104 E-UTRA; Base Station (BS) radio transmission and reception. Базовая станция (BS) радиопередача и прием;
– TS 36.106 E-UTRA; FDD repeater radio transmission and reception. Радиопередача трансляции дуплексного канала с частотным разделением и прием;
– TS 36.113 E-UTRA; Base Station (BS) and repeater ElectroMagnetic Compatibility (EMC). Базовая станция (BS) и трансляционная Электромагнитная совместимость (ЭМС);
– TS 36.124 E-UTRA; Electromagnetic compatibility (EMC) requirements for mobile terminals and ancillary equipment. Электромагнитная совместимость (ЭМС) требования для подвижных терминалов и вспомогательного оборудования;
– TS 36.133 E-UTRA; Requirements for support of radio resource management. Требования для поддержки управления радио ресурсами;
– TS 36.141 E-UTRA; Base Station (BS) conformance testing. Базовая станция (BS) проверка на соответствие стандарту;
– TS 36.143 E-UTRA; FDD repeater conformance testing. FDD трансляция дуплексного канала с частотным разделением;
– TS 36.171 E-UTRA; Requirements for Support of Assisted Global Navigation Satellite System (A-GNSS). Требования для поддержки Глобальной Системы Навигационного искусственного спутника, (A-GNSS);
– TS 36.201 E-UTRA; LTE physical layer; General description. LTE Физический уровень; Общее описание;
– TS 36.211 E-UTRA; Physical channels and modulation. Физические каналы и модуляция;
– TS 36.212 E-UTRA; Multiplexing and channel coding. Мультиплексирование и канальное кодирование;
– TS 36.213 E-UTRA; Physical layer procedures. Процедуры физического уровня;
– TS 36.214 E-UTRA; Physical layer; Measurements. Физический уровень; Измерения;
– TS 36.216 E-UTRA; Physical layer for relaying operation. Физический уровень для ретранслирования операции;
– TS 36.300 E-UTRA and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2. E-UTRA и Развитая Универсальная Земная Сеть доступа Радио (E-UTRAN); Полное описание; Стадия 2;
– TS 36.302 E-UTRA; Services provided by the physical layer. Обслуживание снабжения физическим уровнем;
– TS 36.304 E-UTRA; User Equipment (UE) procedures in idle mode. Пользовательские процедуры (UE) Оборудования в нерабочем режиме;
– TS 36.305 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Stage 2 functional specification of User Equipment (UE) positioning in E-UTRAN. Стадия 2 функциональне технические требования Пользовательского Оборудования (UE), находящегося в E-UTRAN;
– TS 36.306 E-UTRA; User Equipment (UE) radio access capabilities;
– TS 36.307 E-UTRA; Requirements on User Equipments (UEs) supporting a release-independent frequency band;
– TS 36.314 E-UTRA; Layer 2 – Measurements. Уровень 2 Измерения
– TS 36.321 E-UTRA; Medium Access Control (MAC) protocol specification. Управление доступом к среде передачи (MAC) технические требования протокола;
– TS 36.322 E-UTRA; Radio Link Control (RLC) protocol specification. Управление Радиолинии (RLC) технические требования протокола;
– TS 36.323 E-UTRA; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification. Протокол Конвергенции Данных Пакета (PDCP) технические требования;
– TS 36.331 E-UTRA; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification. Управление Радио Ресурса (RRC); технические требования Протокола;
– TS 36.355 E-UTRA; LTE Positioning Protocol (LPP). LTE Протокол расположения (LPP);
– TS 36.401 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Architecture description. Описание архитектуры;
– TS 36.410 E-UTRAN; S1 layer 1 general aspects and principles. S1 Уровень 1 общий аспект и правила;
– TS 36.411 E-UTRAN; S1 layer 1. S1 Уровень 1;
– TS 36.412 E-UTRAN; S1 signalling transport. S1 перенос сигнализации
– TS 36.413 E-UTRAN; S1 Application Protocol (S1AP). S1 Прикладной протокол (S1AP);
– TS 36.414 E-UTRAN; S1 data transport. S1 перенос данных;
– TS 36.420 E-UTRAN; X2 general aspects and principles. X2 Уровень 1 общий аспект и правила;
– TS 36.421 E-UTRAN; X2 layer 1. X2 Уровень 1
– TS 36.422 E-UTRAN; X2 signalling transport. X2 Перенос сигнализации;
– TS 36.423 E-UTRAN; X2 Application Protocol (X2AP). X2 Прикладной протокол (X2AP);
– TS 36.424 E-UTRAN; X2 data transport. X2 перенос данных
– TS 36.440 E-UTRAN; General aspects and principles for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN. Общие аспекты и правила для интерфейсов, поддерживающих Обслуживание Группового вещания Радиопередачи Мультимедиа (MBMS) в пределах E-UTRAN;
– TS 36.441 E-UTRAN; Layer 1 for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN. Уровень 1 для интерфейсов, поддерживающих Обслуживание Группового вещания Радиопередачи Мультимедиа (MBMS) в пределах E-UTRAN;
– TS 36.442 E-UTRAN; Signalling Transport for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN. Сигнализация о Переносе для интерфейсов, поддерживающих Обслуживание Группового вещания Радиопередачи Мультимедиа (MBMS) в пределах E-UTRAN;
– TS 36.443 E-UTRAN; M2 Application Protocol (M2AP). Прикладной протокол M2 (M2AP);
– TS 36.444 E-UTRAN; M3 Application Protocol (M3AP). Прикладной протокол M3 (M3AP);
– TS 36.445 E-UTRAN; M1 data transport. Перенос данных M1;
– TS 36.446 E-UTRAN; M1 User Plane protocol (SPECIFICATION WITHDRAWN). M1 Пользовательский протокол Плоскости (ОТМЕНЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ);
– TS 36.455 E-UTRA; LTE Positioning Protocol A (LPPa). LTE протокол размещения А(LPPa);
– TS 36.508 E-UTRA and Evolved Packet Core (EPC); Common test environments for User Equipment (UE) conformance testing. E-UTRA и Развитое Ядро Пакета (EPC); Обычные испытательные среды для Пользовательского Оборудования (UE) проверка на соответствие стандарту;
– TS 36.509 E-UTRA and EPC; Special conformance testing functions for User Equipment (UE). E-UTRA и EPC; Специальные функции проверки на соответствие стандарту для Пользовательского Оборудования (UE);
– TS 36.521-1 E-UTRA; User Equipment (UE) conformance specification; Radio transmission and reception; Part 1: Conformance testing. Пользовательское Оборудование (UE) технические требования соответствия; Радиопередача и прием; Часть 1: Проверка на соответствие стандарту;
– TS 36.521-2 E-UTRA; UE conformance specification; Radio transmission and reception; Part 2: Implementation Conformance Statement (ICS). Технические требования соответствия UE; Радиопередача и прием; Часть 2: Формулировка Соответствия Реализации (ICS);
– TS 36.521-3 E-UTRA; UE conformance specification; Radio transmission and reception; Part 3: Radio Resource Management (RRM) conformance testing. Технические требования соответствия UE; Радиопередача и прием; Часть 3: Управление ресурсами Радио (RRM) проверка на соответствие стандарту;
– TS 36.523-1 E-UTRA and EPC; UE conformance specification; Part 1: Protocol conformance specification. Технические требования соответствия UE; Часть 1: технические требования соответствия Протокола;
– TS 36.523-2 E-UTRA and EPC; UE conformance specification; Part 2: Implementation Conformance Statement (ICS) proforma specification. E-UTRA и EPC; технические требования соответствия UE; Часть 2: Формулировка Соответствия Реализации (ICS) технические требования проформы;
– TS 36.523-3 E-UTRA and EPC; UE conformance specification; Part 3: Test suites. E-UTRA и EPC; технические требования соответствия UE; Часть 3: Набор тестов;
– TS 36.571-1 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 1: Minimum Performance conformance. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 1: Минимальное соответствие Рабочих характеристик;
– TS 36.571-2 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 2: Protocol conformance. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 2: соответствие Протокола;
– TS 36.571-3 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 3: ICS. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 3: интегральная коммуникационная подсистема;
– TS 36.571-4 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 4: Test suites. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 4: Наборы тестов;
– TS 36.571-5 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 5: UE positioning test scenarios and assistance data. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 5: UE, расположение наборов тестов и данные помощи;
– TR 36.800 Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and E-UTRA; Extended UMTS / LTE 800 Work Item Technical Report.
– TR 36.801 E-UTRA; Measurement Requirements (SPECIFICATION WITHDRAWN). Требования Измерения (ОТМЕНЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ);
– TR 36.803 E-UTRA; UE radio transmission and reception (SPECIFICATION WITHDRAWN). UE Радиопередача и прием (ОТМЕНЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ);
– TR 36.804 E-UTRA; Base Station (BS) radio transmission and reception (SPECIFICATION WITHDRAWN) Базовая станция (BS) радиопередача и прием (ОТМЕНЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ);
– TR 36.805 E-UTRA; Study on minimization of drive-tests in next generation networks. Изучение на минимизации тест-драйва критериев привода в сетях следующего поколения;
– TR 36.806 E-UTRA; Relay architectures for E-UTRA (LTE-Advanced). Релейная архитектура для E-UTRA (LTE-Advanced)
– TR 36.807 E-UTRA; UE radio transmission and reception. UE радиопередача и прием;
– TR 36.808 E-UTRA; Carrier Aggregation Base Station (BS) radio transmission and reception. Базовая станция (BS) Агрегатирования Поставщика услуг радиопередача и прием;
– TR 36.810 UTRA and E-UTRA; UMTS / LTE in 800 MHz for Europe. UTRA и E-UTRA; UMTS /LTE в 800 МГц для Европы;
– TR 36.811 LTE in 2 GHz Technical Report. LTE в Техническом Отчете на 2 ГГц;
– TR 36.812 E-UTRA; LTE TDD 2600MHz in US work item Technical Report. LTE Дуплексная связь с временным разделением 2600 МГц в американской работе составляет спецификацию Технический Отчет;
– TR 36.813 LTE L-Band Technical Report. LTE Диапазон стандартной длинной межстанционной регенераторной секции Технический Отчет;
– TR 36.814 E-UTRA; Further advancements for E-UTRA physical layer aspects. Дальнейшие продвижения для аспектов физического уровня E-UTRA;
– TR 36.815 Further Advancements for E-UTRA; LTE-Advanced feasibility studies in RAN WG4. Дальнейшие Продвижения для E-UTRA; LTE – Усовершенствованные технико-экономические обоснования в RAN WG4;
– TR 36.816 Signalling and procedure for in-device coexistence interference avoidance. Сигнализация и процедура для предотвращения интерференции сосуществования в устройстве
– TR 36.817 Uplink Multiple Antenna Transmission; Base Station (BS) radio transmission and reception. Восходящая Множественная Антенная Передача; Базовая станция (BS) радиопередача и прием;
– TR 36.821 Extended UMTS/LTE 1500 work item technical report. Расширенный 1500 UMTS/LTE рабочий вариант. технический отчет
– TR 36.902 E-UTRAN; Self-configuring and self-optimizing network (SON) use cases and solutions. Самоконфигурирование и самооптимизирующаяся сеть (SON) случаи использования и решения;
– TR 36.903 E-UTRA; Derivation of test tolerances for multi-cell Radio Resource Management (RRM) conformance tests. Деривация испытательных допусков для Управления ресурсами Радио мультиячейки (RRM) критерии соответствия;
– TR 36.912 Feasibility study for Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced). Технико-экономическое обоснование для Дальнейших Продвижений для E-UTRA (LTE – Усовершенствованный);
– TR 36.913 Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced). Требования для дальнейших продвижений для Развитого Универсального Земного Доступа Радио (E-UTRA) (LTE – Усовершенствованный);
– TR 36.921 E-UTRA; FDD Home eNode B (HeNB) Radio Frequency (RF) requirements analysis. Дуплексный домашний канал с частотным разделением eNode Ширина полосы (HeNB) Радиочастота (RF) анализ требований;
– TR 36.922 E-UTRA; TDD Home eNode B (HeNB) Radio Frequency (RF) requirements analysis. Дуплексный домашний канал с временным разделением eNode Ширина полосы (HeNB) Радиочастота (RF) анализ требований;
– TR 36.927 Potential solutions for energy saving for E-UTRAN. Потенциальные решения для экономии энергии для E-UTRAN
– TR 36.931 RF requirements for LTE Pico NodeB. Требования RF для LTE Pico NodeB;
– TR 36.938 E-UTRAN; Improved network controlled mobility between E-UTRAN and 3GPP2/mobile WiMAX radio technologies. Улучшенная сеть управляла подвижностью между E-UTRAN и 3GPP2/mobile WiMAX технологии радио;
– TR 36.942 E-UTRA; Radio Frequency (RF) system scenarios. Радиочастота (RF) сценарии системы;
– TR 36.956 E-UTRA; Repeater planning guidelines and system analysis. Планирование Трансляции, рекомендации и системный анализ.
Кроме того, к сетям LTE относится большая часть спецификаций для сетей UMTS, в том числе, касающихся предоставления пользовательских услуг.
В стандарте LTE гармонически соединились передовые технологии 21 века. На физическом уровне в LTE использована технология OFDM, обеспечивающая высокие скорости передачи в радиоканалах с многолучевым распространением радиоволн. На уровне соединений (L2) и сетевом уровне (L3) за основу взяты протоколы стандарта UTRA (UMTS) при высокоскоростной передаче трафика с коммутацией пакетов. Поэтому стандарт LTE по праву является новым этапом развития сетей радиодоступа Evolved UTRA. Со дня появления стандарта LTE он претерпел существенную модернизацию. Новые версии стандарта LTE-A (Advanced) Rel.10 – 14 обеспечивает высокое качество предоставляемых услуг и сквозные скорости в сотни мегабит/с. Для достижения подобных скоростей в LTE-A используют совместно 2 технологии:
– расширение полосы передаваемого сигнала за счет агрегации рабочих полос,
– пространственное мультиплексирование передаваемых сигналов.
Агрегация полос позволяет увеличить суммарную полосу до 5×20=100 МГц. Пространственное мультиплексирование предоставляет возможность одновременно передавать в одном частотном канале до 8 различных потоков данных. В результате скорости передачи в радиоканале возрастают на порядок.
Другой отличительной чертой сетей LTE является прописанная в спецификациях неоднородность их структур. Кроме макро, микросот и пикосот в зданиях предполагается широкое использование фемтосот – домашних базовых станций, по сути аналогичных точкам доступа в сетях Wi‑Fi. При этом появляется возможность высококачественного обслуживания абонентов, находящихся в помещениях, что создает конкурентную среду с другими сетями радиодоступа. Улучшению связи также будет способствовать использование прописанных в спецификациях релейных станций LTE.
В стандарте LTE все типы трафика, включая голосовой, передают с коммутацией пакетов. Сети LTE являются all-IP сетями, где все интерфейсы, кроме радио интерфейса, построены на основе IP-протокола. Это позволяет унифицировать структуру интерфейсов транспортной сети, широко использовать туннельные соединения, технологию IMS при организации услуг, применять стандартные в сети Интернета методы защиты информации. Существенно упрощаются межсистемные сигнальные соединения и протоколы передачи пакетов трафика.
Структура сети LTE и принципы работы
Сети стандарта E-UTRAN (LTE) предназначены для обмена пакетным трафиком как между различными абонентами сетей радиодоступа, так и для доставки пакетов на абонентский терминал с интернет-серверов. Сети LTE относят к all-IP сетям, где внутрисетевые интерфейсы строят на основе IP-протоколов. Структура сети LTE представлена на рис. 1.
Рис.1. Структура сети LTE
Сеть включает в себя мобильные терминалы (UE – User Equipment), сеть радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)и новое ядро сети Evolved Packet Core (EPC). Для обслуживания абонентов сеть имеет выход на сети с предоставлением услуг по IP-протоколу и на домашние сети абонентов (HSS – Home Subscriber Server).
Сеть радиодоступа E-UTRAN построена как совокупность узлов базовых станций eNB (E-UTRAN NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) (рис.1) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети PDN GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами. На рис. 1 соединения для передачи данных показаны толстыми линиями, сигнальные соединения – тонкими.
eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1. При этом интерфейс S1 в пользовательской плоскости S1-U (User Plane) непосредственно замыкается на обслуживающий шлюз S-GW (Serving Gateway), в то время как сигнальная часть интерфейса S1-C (Control Plane) следует на MME – Mobility Management Entity.
UE (абонентский терминал) подключенный к сети LTE, может находиться в состоянии CONNECTED (ACTIVE) или в состоянии IDLE. В состоянии CONNECTED идет обмен сообщениями (как сигнальными, так и пакетами трафика) по радио интерфейсу. В состояние IDLE станцию переводят на время пауз в сеансе связи. В этом состоянии абонент сохраняет свой IP-адрес, сеть поддерживает абонентские базы данных, а местоположение абонента определено с точностью до зоны слежения Tracking Area [1, гл.5].
eNB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения. Для каждого активного абонента в eNB открыта база данных. eNB выполняет:
– обеспечивает передачу трафика и сигнализации в радиоканале,
– управляет распределением радио ресурсов,
– обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,
– выбирает обслуживающий MME,
– поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,
– обеспечивает шифрацию всех пользовательских сообщений и целостность передачи сигнализации по радиоканалу [1, гл.6],
– выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,
– производит обработку данных и сигнализации на уровне L2 [1, гл.4],
– организует хэндоверы,
– поддерживает услуги мультимедийного вещания.
MME:
– ведет базы данных абонентов, зарегистрированных в сети,
– выбирает S-GW и PDN GW при подключении абонентов к сети,
– обеспечивает передачу и защиту сигнализации NAS (Non Access Stratum) по протоколам MM (Mobility Management) SM (Session Management) между MME и UE [1, гл.6],
– обеспечивает локализацию, аутентификацию и авторизацию абонентов,
– участвует в организации межсетевых связей и хэндоверов,
– организует вызовы UE, находящихся в состоянии IDLE,
– ведет сигнальный обмен с eNB при организации сквозных каналов.
Каждый UE, зарегистрированный в сети, обслуживает один Serving Gateway. S-GW – обслуживающий шлюз:
– выполняет функции “якоря” в визитной сети, маршрутизируя трафик при перемещениях UE в состоянии CONNECTED от одного eNB к другому (хэндовере),
– ведет базу данных абонентов, зарегистрированных в сети,
– участвует в организации сквозных каналов с eNB и PDN GW, а также сигнальных соединений с MME при регистрации абонента в сети и при выполнении процедуры локализации,
– предоставляет учетные данные для тарификации и оплаты выполненных услуг.
PDN GW:
– является “якорем” при подключении к внешним IP-сетям; ведет базу данных абонентов, подключенных к нему,
– организует точку доступа к внешним IP-сетям,
– активизирует статический IP-адрес абонента; если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, PDN GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту,
– обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс SGi и фильтрацию входящих пользовательских пакетов данных,
– организует сквозные каналы и сигнальные соединения между S-GW PDN GW,
– устанавливает требуемые качественные характеристики сквозных каналов на основе установок, полученных от PCRF, в том числе максимальные и минимальные скорости передачи данных в сквозных каналах в соответствии с качественными характеристиками передаваемого трафика QCI (QoS Class Identifier) [1, гл.7],
– ведет учёт предоставленных абонентам услуг.
PDN GW обычно находится в домашней сети абонента, а S-GW, MME и eNB в визитной. Если абонента обслуживает домашняя сеть, то PDN GW и S-GW связаны интерфейсом S5; если S-GW находится в визитной сети, а PDN GW в домашней, то между ними интерфейс S8, представляющий собой межсетевой вариант S5.
Policy and Charging Resource Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) шлюза PDN GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации. PCRF находится в домашней сети абонента. Согласно спецификациям PCRF является опциональным узлом, но большинство операторов строят сети с PCRF.
HSS – Home Subscriber Server, обеспечивает выполнение процедур безопасности в сети LTE, исполняя функции HLR и AuC в сетях GSM/UMTS [1, гл. 6]. HSS поддерживает сигнальную сеть IMS при организации услуг. ММЕ имеют прямой выход на HSS через интерфейс S6a по протоколу Diameter.
В сетях LTE при передаче информации в транспортной сети используют IP-технологии. Все элементы сети LTE имеют локальные IP-адреса. Сигнальные сообщения по S1 (S1 – Control Plane) следуют между eNB и MME. Подуровни L2 SCTP (Stream Control Transmission Protocol) и IP поддерживают стандартный транспорт для передачи сигнальных сообщений. В частности, SCTP обеспечивает надежность передачи и последовательность доставки сообщений.
Организация каналов в LTE
В сети LTE существуют каналы трех уровней: логические, транспортные и физические.
Логические каналы
Логические каналы по типу передаваемой информации делятся на логические каналы управления и логические каналы трафика. Логические каналы управления используются для передачи различных сигнальных и информационных сообщений. По логическим каналам трафика передают пользовательские данные. В нисходящем направлении определены пять управляющих логических каналов:
Broadcast Control Channel (BCCH) – канал, по которому передают системную информацию всем пользователям (UE), находящимся в соте. Перед входом в систему пользовательское устройство считывает информацию, которая передается по каналу BCCH, и определяет параметры сети.
Paging Control Channel (PCCH) – канал для передачи пейджинговых сообщений, которые передаются пользовательским устройствам, местоположение которых не определено с точностью до соты.
Common Control Channel (CCCH) – общий канал управления, предназначенный для решения общих для всех пользовательских терминалов задач.
Dedicated Control Channel (DCCH) – индивидуальный выделенный канал управления для обмена командными сообщениями с пользовательским терминалом.
Multicast Control Channel (MCCH) – канал передачи групповой служебной информации. Используется для передачи служебной информации необходимой при приеме канала MTCH.
И два трафиковых логических канала:
Multicast Traffic Channel (MTCH) – канал передачи трафика для выделенной группы пользовательских терминалов, используется для передачи услуги мультимедийного вещания MBMS.
Dedicated Traffic Channel (DTCH) – выделенный канал типа "точка-точка" для передачи пользовательских данных. Предназначен только для одного пользовательского терминала.
На рис. 2 приведена классификация логических каналов.
Рис. 2 Классификация логических каналов
Транспортные каналы
Информацию логических каналов после обработки на RLC/MAC уровнях размещают в транспортных каналах для дальнейшей передачи по радио интерфейсу в физических каналах. Транспортный канал определяет, как и с какими характеристиками происходит передача информации по радио интерфейсу. Информационные сообщения на транспортном уровне разбивают на транспортные блоки. В каждом временном интервале передачи (Transmission Time Interval, TTI) по радио интерфейсу передают хотя бы один транспортный блок. При использовании технологии MIMO возможна передача до четырех блоков в одном TTI.
Определены следующие транспортные каналы:
Broadcast Channel (BCH) – транспортный вещательный канал для передачи информации логического канала BCCH, имеет фиксированный формат.
Paging Channel (PCH) – транспортный канал для передачи информации логического канала PCCH. Данный канал поддерживает прием с перерывами (режим Discontinuous Reception, DRX), что позволяет пользовательскому устройству дольше сохранять заряд батареи.
Downlink Shared Channel (DL-SCH) – транспортный канал с разделением пользователей, который используется для передачи информации "вниз". Данный канал поддерживает адаптацию скорости передачи, планирование передач во временной и частотной области, модифицированный автоматический запрос на повторную передачу непринятых пакетов (Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ), а также режим DRX.
Multicast Channel (MCH) – транспортный канал групповой передачи, используется для поддержки услуг мультимедийного вещания MBMS.
Uplink Shared Channel (UL-SCH) – транспортный канал с разделением пользователей "вверх", аналогичный каналу DL-SCH.
Random Access Channel (RACH) – транспортный канал случайного доступа. Используется для передачи запросов на подключение к сети, при хэндовере (handover, HO), для восстановления синхронизации "вверх".
На рис. 3 приведена классификация транспортных каналов.
Рис. 3 Классификация транспортных каналов
Физические каналы
В LTE определены следующие физические каналы:
Physical Downlink Shared Channel (PDSCH) – физический канал для передачи информации "вниз" с разделением пользователей. Используется для передачи информации каналов DL-SCH и PCH.
Physical Downlink Control Channel (PDCCH) – физический канал управления "вниз". Используется для передачи информации о назначении канального ресурса для передачи транспортных блоков каналов PCH, DL-SCH, UL-SCH и HARQ информации, относящейся к каналу DL-SCH. Также по этому каналу передаются ответы на запросы на доступ к сети. Передача осуществляется с помощью модуляции 4-ФМ.
Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) – физический канал для передачи HARQ ACK/NACK в ответ при передаче информации "вверх".
Physical Broadcast Channel (PBCH) – физический канал передачи вещательной информации.
Physical Multicast Channel (PMCH) – физический канал групповой передачи пакетов мультимедийного вещания.
Physical Control Format Indicator Channel (PCFICH) – физический канал передачи формата, который используется для канала PDCCH.
Physical Random Access Channel (PRACH) – физический канал передачи запросов случайного доступа.
Physical Uplink Shared Channel (PUSCH) – физический канал передачи пользовательского трафика и сигнализации Uplink Control Information (UCI).
Physical Uplink Control Channel (PUCCH) – физический канал передачи сигнализации UCI в отсутствии канала PUSCH.
На рисунке 4 и 5 приводится взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в нисходящем направлении и восходящем направлении (от eNodeB к UE).
Рис. 4 Взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в нисходящем направлении
Рис. 5 Взаимосвязь между логическими, транспортными и физическими каналами в восходящем направлении
Механизм диспетчеризации и адаптация канала связи
В отличие от предыдущих коммуникационных технологий, использовавших пакетную передачу данных с традиционной структурой пакета, в LTE применяется передача по слотам, в которых нет ни традиционной преамбулы, ни символов контроля четности. Для повышения эффективности использования выделенной базовой станции полосы частот в LTE используется диспетчеризация сетевых ресурсов.
Под диспетчеризацией понимается процесс распределения сетевых ресурсов между пользователями, передающими данные. В технологии LTE предусмотрена динамическая диспетчеризация в восходящем и нисходящем каналах.
Целью диспетчеризации является сбалансированность качества связи и общей производительности системы. В радио интерфейсе LTE реализована функция диспетчеризации в зависимости от состояния канала связи. Она обеспечивает передачу данных на повышенных скоростях (за счет использования модуляции более высокого порядка, уменьшения степени кодировки каналов, передачи дополнительных потоков данных и меньшего числа повторных передач), задействуя для этого временные и частотные ресурсы с относительно хорошими условиями связи. Таким образом, для передачи любого конкретного объема информации требуется меньше времени. Частотно-временная сетка OFDM помогает выбирать ресурсы в частотной и временной областях.
Для трафика сервисов, пересылающих пакеты с небольшой полезной нагрузкой и через одинаковые промежутки времени, объем трафика сигнализации, необходимой для динамической диспетчеризации, может превышать объем переданной пользователем информации. Поэтому в LTE также имеется функция статической диспетчеризации (в дополнение к динамической). Под статической диспетчеризацией понимается выделение пользователю радиочастотного ресурса для передачи определенного числа подкадров.
Механизмы адаптации канала нужны для того, чтобы «выжать все возможное» из канала с изменяющимся качеством связи. Такой механизм «выбирает» схемы модуляции и канального кодирования в соответствии с условиями связи. От его работы зависят скорость передачи данных и вероятность возникновения ошибок в канале.
Регулирование мощности в восходящем канале
Речь идет об управлении уровнем излучаемой терминалами мощности для того, чтобы увеличить емкость сети, расширить зону радио покрытия, повысить качество связи и снизить энергопотребление. Для достижения перечисленных целей механизмы регулирования мощности, как правило, добиваются максимального увеличения уровня полезного принимаемого сигнала при одновременном снижении уровня радиопомех.
Сигналы в восходящем канале LTE являются ортогональными, а значит, взаимные радиопомехи между пользователями одной соты отсутствуют —по крайней мере, при идеальных условиях радиосвязи. Уровень помех, создаваемый пользователям соседних сот, зависит от местоположения излучающего мобильного терминала, а точнее, от уровня затухания его сигнала на пути к этим сотам. Вообще говоря, чем ближе терминал к соседней соте, тем выше уровень создаваемых им помех в ней. Соответственно терминалы, находящиеся на более далеком расстоянии от соседней соты, могут передавать сигналы большей мощности, чем терминалы, расположенные рядом с ней.
Ортогональность сигналов в восходящем канале LTE позволяет мультиплексировать сигналы терминальных устройств разной мощности в этом канале в одной и той же соте. Это означает, что вместо компенсации всплесков уровня сигнала, возникающих вследствие многолучевого распространения радиоволн (путем снижения излучаемой мощности), их (всплески) можно использовать для увеличения скорости передачи данных посредством механизмов диспетчеризации и адаптации канала связи.
Повторная передача данных
Практически в любой системе связи время от времени возникают ошибки при пересылке данных – например, из-за шумов, помех и замирания сигнала. Для защиты от ошибок применяются методы повторной передачи искаженных или утраченных частей данных, предназначенные для гарантии качества связи. Чем эффективнее организован протокол повторной передачи, тем рациональнее используются радио ресурсы. Для максимально полного использования высокоскоростного радио интерфейса в технологии LTE реализована динамическая эффективная двухуровневая система повторной передачи, реализующая протокол Hybrid ARQ (Automatic Repeat Query), или HARQ, с небольшими накладными расходами на обратную связь и повторную посылку данных, который дополнен высоконадежным протоколом селективного повтора ARQ.
Протокол HARQ предоставляет приемному устройству избыточную информацию, дающую ему возможность исправлять определенную часть ошибок. Повторные передачи по протоколу HARQ создают дополнительную информационную избыточность, нужную в том случае, если для устранения ошибок первой передачи оказалось недостаточно. Повторная передача пакетов, не исправленных протоколом HARQ, осуществляется посредством протокола ARQ.
Данное решение обеспечивает малую задержку передачи пакетов с небольшими накладными расходами, при этом надежность связи гарантируется. Большинство ошибок обнаруживаются и исправляются с помощью протокола HARQ. Поэтому повторная передача данных по протоколу ARQ (что связано с большими накладными расходами и повышает время задержки передачи пакетов) происходит лишь изредка.
В технологии LTE оконечным узлом, поддерживающим протоколы HARQ и ARQ, является базовая станция, обеспечивающая тесную связь уровней протоколов HARQ и ARQ. К разнообразным преимуществам такой архитектуры относятся быстрое устранение ошибок, оставшихся после работы HARQ, и регулируемый объем данных, передаваемых с использованием протокола ARQ.
Канальный ресурс и его характеристики
На физическом уровне (на радио интерфейсе) в E-UTRAN используют технологию OFDM с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом число поднесущих частот в рабочей полосе 20 МГц составляет 1200.
Для взаимной синхронизации E-UTRAN и UTRAN используют тактирование с длительностью временной единицы Ts = 1/(15000×2048)c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр (подкадр) – всего 10 субкадров, от 0 до 9 (рис. 6). Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). На рис. 7. показаны структуры кадров с FDD и TDD.
Рис. 6 Структура кадра типа 1
При частотном дуплексе в каждом субкадре идет одновременная передача вверх (UL) и вниз (DL) в разных частотных полосах. При временном дуплексе в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U). Кроме того, есть специальные (переходные) субкадры (S), состоящие из трех полей: DwPTS – поля передачи вниз, UpPTS – поля передачи вверх и защитного интервала (GP). В сетях LTE согласно спецификациям возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (рис. 8).
Рис. 8. Конфигурации кадра при временном дуплексе
Так как число символов в поле вниз DwPTS специального субкадра гораздо больше количества символов в поле вверх UpPTS, то при оценке относительного времени передачи DL:UL на рис. 8 специальные субкадры относим к субкадрам передачи вниз.
В сетях LTE с временным дуплексом суммарная пропускная способность в рабочей полосе делится между потоками вниз и вверх в соответствии со сценариями на рис. 8. Это позволяет оператору менять конфигурацию кадра в зависимости от реальной картины трафика, который, как правило, асимметричен. Для сетей LTE с временным дуплексом выделены полосы частот в диапазоне от 1900 до 3800 МГц [1, гл. 3.2], что предполагает использование этого варианта дуплекса в микро, пико и фемтосотах.
При расстоянии между поднесущими ∆F = 15 кГц длина OFDM-символа составляет 1/∆F ≈ 66,7 мкс. В каждой половине субкадра (слоте длиной 0,5мс) передают 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от длительности циклического префикса СР (cyclic prefix) ‒ активной паузы между символами. Длительность циклического префикса TCP составляет 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс перед остальными символами. Возможен вариант использования расширенного СР длительностью 512Тs ≈16,7мкс. В этом случае в одном субкадре размещают 6-OFDM символов.