E utran что это
- LTE
- Physical Interface
- LTE eNodeB
E-UTRAN Architecture
3 System Models for Different Density Requirements
In order to meet the requirements for LTE networks, the evolved UTRAN (E-UTRAN) architecture has been improved dramatically from the 3G/3.5G radio access network (UTRAN). While legacy networks employed a hierarchical architecture, E-UTRAN uses a flat architecture. The functions of the eNB in E-UTRAN systems include not only base station (NodeB) functions to terminate the radio interface but also the functions of the Radio Network Controller (RNC) to manage radio resources.
Протоколы доступа LTE E-UTRAN. Часть 1
Статья посвящена описанию протоколов доступа на различных уровнях сети LTE.
Скорость передачи по LTE в нисходящем направлении (к пользователю) достигает 100 Мбит/с, в восходящем — 50 Мбит/с. Задержка на уровне пользователя не превышает 5 мс за счет высокой эффективности использования спектра. Столь замечательные характеристики обеспечиваются за счет использования нескольких антенн (принцип MIMO) и мультиплексирования с ортогональным разделением частот OFDM на физическом уровне.
Сеть E-UTRAN — это самый первый узел в усовершенствованной пакетной системе EPS. Она обеспечивает высокую скорость передачи данных, малую задержку на обеих плоскостях управления и пользователя, бесшовное переключение и большее покрытие ячейки.
Рассмотрим задачи, функции и процедуры слоя доступа в стеке протоколов радиодоступа.
Структура E-UTRAN показана на рисунке 1. Сеть состоит из узлов eNodeB (eNB), которые обеспечивают протоколы плоскости пользователя (PDCP/RLC/MAC/PHY) и управления (RRC). Узлы eNB взаимодействуют между собой через интерфейс Х2. Для связи с усовершенствованным пакетным ядром (EPC — Evolved packet core) используется протокол S1. Обмен с узлом управления мобильностью (ММЕ — mobility management entity) происходит по интерфейсу S1-MME, а c обслуживающим шлюзом (SGW — Serving Gateway) — по интерфейсу S1-U. Интерфейс S1 поддерживает связи типа множество-множество между MME, SGW и eNB.
Информацию, которую пропускает через себя UTRAN, принято разделять на два слоя. К слою доступа (AS — Access stratum) относятся данные, необходимые для взаимодействия терминала пользователя (UE) и сети UTRAN. Слой без доступа (NAS — non-Access Stratum) содержит информацию, переносимую между базовой сетью оператора (CN) и UE через UTRAN.
Слой доступа объединяет протоколы радиодоступа. Это протоколы, обеспечивающие совместное использование радиоресурсов оборудования пользователя и сети доступа. Кроме того, AS отвечает за соединения с каналом радиодоступа (RAB — Radio Access Bearer), посредством которых обеспечивается взаимодействие между UE и CN (сервис NAS).
Слой доступа предоставляет пользовательскому оборудованию возможность получения доступа к ресурсам и сервисам сети, а также всю необходимую инфраструктуру. Протоколы радиодоступа выполняют следующие функции:
– управление ресурсами радиоканала (RRM — radio resource management). Это управление радиоканалом и радиоприемом, контроль мобильности соединения и динамическое распределение ресурсов оборудования пользователя в обоих направлениях передачи (функция распределения, см. ниже).
– управление трафиком:
— передача данных, в т.ч. в режиме реального времени, между инфраструктурой (слой NAS) и оборудованием пользователя;
— обработка всех типов данных при различных параметрах канала (уровень активности, пропускная способность, задержка передачи и вероятность появления ошибочных битов);
— эффективное преобразование атрибутов трафика, используемых не-LTE приложениями, в атрибуты канала радиодоступа (RAB — radio access bearer) в слое доступа;
— сжатие IP-заголовка и шифрование потоков данных пользователя;
— самостоятельный выбор MME на оборудовании пользователя, когда сеть не предоставляет соответствующей информации;
— передача данных с плоскости пользователя на SGW;
— управление местоположением: распределение и передача поисковых сообщений;
— распределение и передача широковещательной информации;
— задание конфигурации измеряемых параметров и формы выведения результатов для распределения ресурсов и обеспечения мобильности;
— распределение и передача сообщений о землетрясениях и цунами;
— предоставление первичного доступа к сети, регистрация и присоединение к сети или выход из нее;
— управление передачей на различных уровнях: между eNodeB, внутри eNodeB, между eNodeB с изменением MME, между eNodeB с сохранением MME, но сменой SGW, между RAT;
— функциональное разнообразие и шифрование;
— кодирование радиоканала.
Протоколы LTE делятся на две группы: плоскость управления (отвечают за управление транспортным каналом) и плоскость пользователя (отвечают за передачу пользовательских данных).
Стек протоколов плоскости пользователя показан на рисунке 2. Подуровни PDCP, RLC, MAC и PHY, оканчивающиеся на eNB со стороны сети, выполняют такие функции как сжатие заголовка, шифрование, распределение, ARQ (запрос на повторную передачу) и HARQ.
Стек протоколов плоскости управления показан на рисунке 3. Протокол сходимости пакетных данных PDCP выполняет шифрование и обеспечивает защиту целостности. Протоколы RLC, MAC и PHY выполняют те же функции, что и на плоскости пользователя. Протокол RRC выполняет такие функции как широковещательная рассылка системной информации, разбиение на страницы, управление соединением RRC, радиоканалом, мобильностью и процессом проведения измерений, а также отвечает за предоставление результатов измерений.
На рисунке 4 показаны протоколы доступа, состоящие из уровней RRC, PDCP, RLC, MAC и PHY. Протоколы RRC конфигурируют все нижележащие слои. Между RRC и PDCP устанавливаются радиоканалы, привязанные к логическим каналам между протоколами RLC и МАС. Из рисунка 5 видно, что схема отображения логических каналов на физические проста и прозрачна.
Обзор LTE
LTE означает Long Term Evolution, и он был начат как проект в 2004 году телекоммуникационным органом, известным как Проект партнерства третьего поколения (3GPP). SAE (эволюция системной архитектуры) является соответствующей эволюцией эволюции базовой сети GPRS / 3G. Термин LTE обычно используется для обозначения как LTE, так и SAE.
LTE возникла из более ранней системы 3GPP, известной как Универсальная система мобильной связи (UMTS), которая, в свою очередь, возникла из Глобальной системы мобильной связи (GSM). Даже связанные спецификации были формально известны как развитая наземная радиодоступ UMTS (E-UTRA) и развитая наземная сеть радиодоступа UMTS (E-UTRAN). Первая версия LTE была задокументирована в Выпуске 8 спецификаций 3GPP.
Стремительный рост использования мобильных данных и появление новых приложений, таких как MMOG (мультимедийные онлайн-игры), мобильное телевидение, Web 2.0, потоковое содержимое, побудили Проект партнерства третьего поколения (3GPP) работать над долгосрочной эволюцией (LTE). на пути к мобильной четвертого поколения.
Основная цель LTE – обеспечить высокую скорость передачи данных, низкую задержку и оптимизированную пакетную технологию радиодоступа, поддерживающую гибкое развертывание полосы пропускания. В то же время его сетевая архитектура была разработана с целью поддержки трафика с коммутацией пакетов с беспрепятственной мобильностью и отличным качеством обслуживания.
LTE Evolution
| Год | Событие |
|---|---|
| Март 2000 | Выпуск 99 – UMTS / WCDMA |
| Март 2002 | Rel 5 – HSDPA |
| Март 2005 | Rel 6 – HSUPA |
| Год 2007 | Rel 7 – DL MIMO, IMS (мультимедийная IP-подсистема) |
| Ноябрь 2004 | Начата работа над спецификацией LTE |
| Январь 2008 | Спецификация доработана и утверждена с выпуском 8 |
| 2010 | Целевое первое развертывание |
Факты о LTE
LTE – это технология-преемник не только UMTS, но и CDMA 2000.
LTE важен, потому что он обеспечит повышение производительности в 50 раз и намного лучшую спектральную эффективность для сотовых сетей.
LTE введен для получения более высоких скоростей передачи данных, пиковой нисходящей линии связи 300 Мбит / с и пиковой восходящей линии связи 75 Мбит / с. На несущей частоте 20 МГц скорость передачи данных свыше 300 Мбит / с может быть достигнута при очень хороших условиях сигнала.
LTE является идеальной технологией для поддержки высоких скоростей передачи данных для таких услуг, как передача голоса по IP (VOIP), потоковая передача мультимедиа, видеоконференции или даже высокоскоростной сотовый модем.
LTE использует как дуплекс с временным разделением (TDD), так и дуплекс с частотным разделением (FDD). В FDD восходящей линии связи и нисходящей линии связи используются разные частоты, в то время как в TDD и восходящая линия связи, и нисходящая линия связи используют одну и ту же несущую и разделены по времени.
LTE поддерживает гибкую полосу пропускания несущей от 1,4 МГц до 20 МГц, а также как FDD, так и TDD. LTE, спроектированный с масштабируемой полосой пропускания несущей от 1,4 МГц до 20 МГц, используемая ширина полосы которой зависит от полосы частот и объема спектра, доступного у оператора сети.
Все устройства LTE должны поддерживать передачи (MIMO) с несколькими входами и несколькими выходами, которые позволяют базовой станции одновременно передавать несколько потоков данных по одной несущей.
Все интерфейсы между сетевыми узлами в LTE теперь основаны на IP, включая транзитное соединение с базовыми радиостанциями. Это большое упрощение по сравнению с более ранними технологиями, которые первоначально основывались на каналах E1 / T1, ATM и Frame Relay, причем большинство из них были узкополосными и дорогими.
Механизм качества обслуживания (QoS) был стандартизирован на всех интерфейсах, чтобы гарантировать, что требование голосовых вызовов для постоянной задержки и пропускной способности, все еще может быть удовлетворено, когда пределы емкости достигнуты.
Работает с системами GSM / EDGE / UMTS, используя существующий спектр 2G и 3G и новый спектр. Поддерживает передачу и роуминг в существующие мобильные сети.
LTE – это технология-преемник не только UMTS, но и CDMA 2000.
LTE важен, потому что он обеспечит повышение производительности в 50 раз и намного лучшую спектральную эффективность для сотовых сетей.
LTE введен для получения более высоких скоростей передачи данных, пиковой нисходящей линии связи 300 Мбит / с и пиковой восходящей линии связи 75 Мбит / с. На несущей частоте 20 МГц скорость передачи данных свыше 300 Мбит / с может быть достигнута при очень хороших условиях сигнала.
LTE является идеальной технологией для поддержки высоких скоростей передачи данных для таких услуг, как передача голоса по IP (VOIP), потоковая передача мультимедиа, видеоконференции или даже высокоскоростной сотовый модем.
LTE использует как дуплекс с временным разделением (TDD), так и дуплекс с частотным разделением (FDD). В FDD восходящей линии связи и нисходящей линии связи используются разные частоты, в то время как в TDD и восходящая линия связи, и нисходящая линия связи используют одну и ту же несущую и разделены по времени.
LTE поддерживает гибкую полосу пропускания несущей от 1,4 МГц до 20 МГц, а также как FDD, так и TDD. LTE, спроектированный с масштабируемой полосой пропускания несущей от 1,4 МГц до 20 МГц, используемая ширина полосы которой зависит от полосы частот и объема спектра, доступного у оператора сети.
Все устройства LTE должны поддерживать передачи (MIMO) с несколькими входами и несколькими выходами, которые позволяют базовой станции одновременно передавать несколько потоков данных по одной несущей.
Все интерфейсы между сетевыми узлами в LTE теперь основаны на IP, включая транзитное соединение с базовыми радиостанциями. Это большое упрощение по сравнению с более ранними технологиями, которые первоначально основывались на каналах E1 / T1, ATM и Frame Relay, причем большинство из них были узкополосными и дорогими.
Механизм качества обслуживания (QoS) был стандартизирован на всех интерфейсах, чтобы гарантировать, что требование голосовых вызовов для постоянной задержки и пропускной способности, все еще может быть удовлетворено, когда пределы емкости достигнуты.
Работает с системами GSM / EDGE / UMTS, используя существующий спектр 2G и 3G и новый спектр. Поддерживает передачу и роуминг в существующие мобильные сети.
Преимущества LTE
Высокая пропускная способность: высокая скорость передачи данных может быть достигнута как в нисходящей линии связи, так и в восходящей линии связи. Это вызывает высокую пропускную способность.
Низкая задержка: время, необходимое для подключения к сети, находится в диапазоне нескольких сотен миллисекунд, и теперь состояния энергосбережения можно вводить и выходить очень быстро.
FDD и TDD на одной платформе: дуплекс с частотным разделением (FDD) и дуплекс с временным разделением (TDD), обе схемы могут использоваться на одной платформе.
Превосходное взаимодействие с конечным пользователем: Оптимизированная сигнализация для установления соединения и других процедур радиоинтерфейса и управления мобильностью еще больше улучшила взаимодействие с пользователем. Уменьшенная задержка (до 10 мс) для лучшего взаимодействия с пользователем.
Бесшовное соединение: LTE также будет поддерживать бесшовное соединение с существующими сетями, такими как GSM, CDMA и WCDMA.
Подключи и играй: пользователю не нужно вручную устанавливать драйверы для устройства. Вместо этого система автоматически распознает устройство, загружает новые драйверы для оборудования, если это необходимо, и начинает работать с вновь подключенным устройством.
Простая архитектура: из-за простой архитектуры низкие эксплуатационные расходы (OPEX).
Высокая пропускная способность: высокая скорость передачи данных может быть достигнута как в нисходящей линии связи, так и в восходящей линии связи. Это вызывает высокую пропускную способность.
Низкая задержка: время, необходимое для подключения к сети, находится в диапазоне нескольких сотен миллисекунд, и теперь состояния энергосбережения можно вводить и выходить очень быстро.
FDD и TDD на одной платформе: дуплекс с частотным разделением (FDD) и дуплекс с временным разделением (TDD), обе схемы могут использоваться на одной платформе.
Превосходное взаимодействие с конечным пользователем: Оптимизированная сигнализация для установления соединения и других процедур радиоинтерфейса и управления мобильностью еще больше улучшила взаимодействие с пользователем. Уменьшенная задержка (до 10 мс) для лучшего взаимодействия с пользователем.
Бесшовное соединение: LTE также будет поддерживать бесшовное соединение с существующими сетями, такими как GSM, CDMA и WCDMA.
Подключи и играй: пользователю не нужно вручную устанавливать драйверы для устройства. Вместо этого система автоматически распознает устройство, загружает новые драйверы для оборудования, если это необходимо, и начинает работать с вновь подключенным устройством.
Простая архитектура: из-за простой архитектуры низкие эксплуатационные расходы (OPEX).
LTE – QoS
Архитектура LTE поддерживает жесткий QoS с сквозным качеством обслуживания и гарантированной скоростью передачи битов (GBR) для радиоканалов. Например, как Ethernet и Интернет имеют различные типы QoS, например, различные уровни QoS могут применяться к трафику LTE для различных приложений. Поскольку LTE MAC полностью запланирован, QoS является естественным соответствием.
Каналы-носители Evolved Packet System (EPS) обеспечивают однозначное соответствие с однонаправленными радиоканалами RLC и обеспечивают поддержку шаблонов потока трафика (TFT). Существует четыре типа носителей EPS:
Ресурсы канала GBR, постоянно распределяемые посредством контроля доступа
Носитель без GBR без контроля доступа
Выделенный Носитель, связанный с определенным TFT (GBR или не-GBR)
Носитель по умолчанию, не GBR, универсальный для неназначенного трафика
Ресурсы канала GBR, постоянно распределяемые посредством контроля доступа
Носитель без GBR без контроля доступа
Выделенный Носитель, связанный с определенным TFT (GBR или не-GBR)
Носитель по умолчанию, не GBR, универсальный для неназначенного трафика
Основные параметры LTE
В этом разделе будут обобщены основные параметры LTE:
- 1.4
- 3
- 5
- 10
- 15
- 20
- 6
- 15
- 25
- 50
- 75
- 100
UL: QPSK, 16QAM, 64QAM (опционально)
DL: QPSK, 16QAM, 64QAM
UL: SC-FDMA (множественный доступ с частотным разделением с одной несущей) поддерживает 50 Мбит / с + (спектр 20 МГц)
DL: OFDM (множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов) поддерживает 100 Мбит / с + (спектр 20 МГц)
UL: многопользовательская совместная MIMO
DL: TxAA, пространственное мультиплексирование, CDD, массив 4×4 макс.
UL: 75 Мбит / с (полоса пропускания 20 МГц)
DL: 150 Мбит / с (UE категории 4, 2×2 MIMO, полоса пропускания 20 МГц)
DL: 300 Мбит / с (UE категории 5, 4×4 MIMO, полоса пропускания 20 МГц)
(Множественный вход, множественный выход)
DL: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4
UL: QPSK, 16QAM, 64QAM (опционально)
DL: QPSK, 16QAM, 64QAM
UL: SC-FDMA (множественный доступ с частотным разделением с одной несущей) поддерживает 50 Мбит / с + (спектр 20 МГц)
DL: OFDM (множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов) поддерживает 100 Мбит / с + (спектр 20 МГц)
UL: многопользовательская совместная MIMO
DL: TxAA, пространственное мультиплексирование, CDD, массив 4×4 макс.
UL: 75 Мбит / с (полоса пропускания 20 МГц)
DL: 150 Мбит / с (UE категории 4, 2×2 MIMO, полоса пропускания 20 МГц)
DL: 300 Мбит / с (UE категории 5, 4×4 MIMO, полоса пропускания 20 МГц)
(Множественный вход, множественный выход)
DL: 2 x 2, 4 x 2, 4 x 4
E-UTRA Рабочие группы
Ниже приведена таблица рабочих диапазонов E-UTRA, взятая из спецификации LTE 36.101 (v860), таблица 5.5.1:
Сетевая архитектура LTE
Сетевая архитектура высокого уровня LTE состоит из следующих трех основных компонентов:
Оборудование пользователя (UE).
Развитая наземная сеть радиодоступа UMTS (E-UTRAN).
Эволюционное пакетное ядро (EPC).
Оборудование пользователя (UE).
Развитая наземная сеть радиодоступа UMTS (E-UTRAN).
Эволюционное пакетное ядро (EPC).
Усовершенствованное пакетное ядро связывается с сетями пакетной передачи данных во внешнем мире, такими как Интернет, частные корпоративные сети или мультимедийная IP-подсистема. Интерфейсы между различными частями системы обозначены как Uu, S1 и SGi, как показано ниже:
Пользовательское оборудование (UE)
Внутренняя архитектура пользовательского оборудования для LTE идентична архитектуре, используемой UMTS и GSM, которая фактически является мобильным оборудованием (ME). Мобильное оборудование состояло из следующих важных модулей:
Мобильное завершение (MT) : это обрабатывает все функции связи.
Терминальное оборудование (TE) : завершает потоки данных.
Универсальная карта с интегральной микросхемой (UICC) : она также известна как SIM-карта для оборудования LTE. Он запускает приложение, известное как универсальный модуль идентификации абонента (USIM).
Мобильное завершение (MT) : это обрабатывает все функции связи.
Терминальное оборудование (TE) : завершает потоки данных.
Универсальная карта с интегральной микросхемой (UICC) : она также известна как SIM-карта для оборудования LTE. Он запускает приложение, известное как универсальный модуль идентификации абонента (USIM).
USIM хранит пользовательские данные, очень похожие на SIM-карту 3G. Здесь хранится информация о номере телефона пользователя, идентификаторе домашней сети, ключах безопасности и т. Д.
E-UTRAN (сеть доступа)
Архитектура развитой наземной сети радиодоступа UMTS (E-UTRAN) была проиллюстрирована ниже.
E-UTRAN осуществляет радиосвязь между мобильным устройством и развитым пакетным ядром и имеет только один компонент – развитые базовые станции, называемые eNodeB или eNB . Каждый eNB является базовой станцией, которая управляет мобильными телефонами в одной или нескольких сотах. Базовая станция, которая обменивается данными с мобильным устройством, называется его обслуживающим eNB.
LTE Mobile связывается только с одной базовой станцией и одной сотой за раз, и eNB поддерживает следующие две основные функции:
ENB отправляет и принимает радиопередачи на все мобильные устройства, используя функции обработки аналогового и цифрового сигналов радиоинтерфейса LTE.
ENB управляет работой на всех своих мобильных устройствах низкого уровня, отправляя им сигнальные сообщения, такие как команды передачи обслуживания.
ENB отправляет и принимает радиопередачи на все мобильные устройства, используя функции обработки аналогового и цифрового сигналов радиоинтерфейса LTE.
ENB управляет работой на всех своих мобильных устройствах низкого уровня, отправляя им сигнальные сообщения, такие как команды передачи обслуживания.
Каждый eNB соединяется с EPC посредством интерфейса S1, и он также может быть подключен к соседним базовым станциям через интерфейс X2, который в основном используется для сигнализации и пересылки пакетов во время передачи обслуживания.
Домашний eNB (HeNB) – это базовая станция, которая была приобретена пользователем для обеспечения покрытия фемтосот внутри дома. Домашний eNB принадлежит к закрытой группе абонентов (CSG) и может быть доступен только с мобильных телефонов с USIM, который также принадлежит к закрытой группе абонентов.
Evolved Packet Core (EPC) (Базовая сеть)
Архитектура Evolved Packet Core (EPC) была проиллюстрирована ниже. Есть еще несколько компонентов, которые не показаны на диаграмме для простоты. Эти компоненты похожи на Систему предупреждения о землетрясениях и цунами (ETWS), Регистр идентификации оборудования (EIR) и Функцию управления политиками и правил зарядки (PCRF).
Ниже приводится краткое описание каждого из компонентов, показанных в приведенной выше архитектуре:
Компонент Домашний абонентский сервер (HSS) перенесен с UMTS и GSM и представляет собой центральную базу данных, которая содержит информацию обо всех абонентах оператора сети.
Шлюз сети пакетной передачи данных (PDN) (P-GW) связывается с внешним миром, т.е. сети пакетной передачи данных PDN, использующие интерфейс SGi. Каждая сеть пакетной передачи данных идентифицируется именем точки доступа (APN). Шлюз PDN выполняет ту же роль, что и узел поддержки GPRS (GGSN) и обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN) с UMTS и GSM.
Обслуживающий шлюз (S-GW) действует как маршрутизатор и передает данные между базовой станцией и шлюзом PDN.
Объект управления мобильностью (MME) управляет работой мобильного уровня высокого уровня посредством сигнальных сообщений и домашнего абонентского сервера (HSS).
Функция правил управления политиками и начисления платы (PCRF) – это компонент, который не показан на приведенной выше диаграмме, но он отвечает за принятие решений по управлению политикой, а также за управление функциями начисления платы на основе потоков в функции реализации управления политиками ( PCEF), который находится в P-GW.
Компонент Домашний абонентский сервер (HSS) перенесен с UMTS и GSM и представляет собой центральную базу данных, которая содержит информацию обо всех абонентах оператора сети.
Шлюз сети пакетной передачи данных (PDN) (P-GW) связывается с внешним миром, т.е. сети пакетной передачи данных PDN, использующие интерфейс SGi. Каждая сеть пакетной передачи данных идентифицируется именем точки доступа (APN). Шлюз PDN выполняет ту же роль, что и узел поддержки GPRS (GGSN) и обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN) с UMTS и GSM.
Обслуживающий шлюз (S-GW) действует как маршрутизатор и передает данные между базовой станцией и шлюзом PDN.
Объект управления мобильностью (MME) управляет работой мобильного уровня высокого уровня посредством сигнальных сообщений и домашнего абонентского сервера (HSS).
Функция правил управления политиками и начисления платы (PCRF) – это компонент, который не показан на приведенной выше диаграмме, но он отвечает за принятие решений по управлению политикой, а также за управление функциями начисления платы на основе потоков в функции реализации управления политиками ( PCEF), который находится в P-GW.
Интерфейс между обслуживающим и шлюзами PDN известен как S5 / S8. Это имеет две слегка отличающиеся реализации, а именно S5, если два устройства находятся в одной сети, и S8, если они находятся в разных сетях.
Функциональное разделение между E-UTRAN и EPC
Следующая диаграмма показывает функциональное разделение между E-UTRAN и EPC для сети LTE:
2G / 3G по сравнению с LTE
В следующей таблице сравниваются различные важные сетевые элементы и протоколы сигнализации, используемые в 2G / 3G и LTE.
| 2G / 3G | LTE |
|---|---|
| GERAN и UTRAN | E-UTRAN |
| Узел SGSN / УОПД-ФА | S-GW |
| GGSN / PDSN-HA | PDN-GW |
| HLR / AAA | HSS |
| VLR | MME |
| СС7-MAP / ANSI-41 / RADIUS | Диаметр |
| DiameterGTPc-v0 и v1 | GTPc-v2 |
| MIP | PMIP |
LTE роуминговая архитектура
Сеть, управляемая одним оператором в одной стране, известна как наземная мобильная сеть общего пользования (PLMN), и когда подписанный пользователь использует PLMN своего оператора, тогда говорят Home-PLMN, но роуминг позволяет пользователям выходить за пределы своей домашней сети и использовать ресурсы из сети другого оператора. Эта другая сеть называется Visited-PLMN.
Пользователь в роуминге подключен к E-UTRAN, MME и S-GW посещаемой сети LTE. Однако LTE / SAE позволяет использовать P-GW как гостевой, так и домашней сети, как показано ниже:
P-GW домашней сети позволяет пользователю получать доступ к услугам домашнего оператора, даже находясь в гостевой сети. P-GW в посещаемой сети позволяет осуществлять «локальный прорыв» в Интернет в посещаемой сети.
Интерфейс между обслуживающим и шлюзами PDN известен как S5 / S8. Это имеет две слегка отличающиеся реализации, а именно S5, если два устройства находятся в одной сети, и S8, если они находятся в разных сетях. Для мобильных телефонов, которые не находятся в роуминге, обслуживающий и PDN-шлюзы могут быть интегрированы в одно устройство, так что интерфейс S5 / S8 полностью исчезает.
Зарядка LTE роуминга
Сложности новых механизмов зарядки, необходимых для поддержки роуминга 4G, гораздо более распространены, чем в среде 3G. Несколько слов о предоплатной и постоплатной оплате за роуминг LTE приведены ниже:
Предоплата – стандарт CAMEL, который обеспечивает предоплату в 3G, не поддерживается в LTE; следовательно, предоплаченная информация о клиенте должна направляться обратно в домашнюю сеть, а не обрабатываться локальной посещаемой сетью. В результате операторы должны полагаться на новые учетные потоки для доступа к предоплаченным данным клиентов, например, через свои P-шлюзы в средах IMS и не-IMS или через свои CSCF в среде IMS.
Постоплатная зарядка – Постоплатная зарядка за использование данных работает в LTE так же, как и в 3G, используя версии TAP 3.11 или 3.12. При локальном отключении служб IMS требуется TAP 3.12.
Предоплата – стандарт CAMEL, который обеспечивает предоплату в 3G, не поддерживается в LTE; следовательно, предоплаченная информация о клиенте должна направляться обратно в домашнюю сеть, а не обрабатываться локальной посещаемой сетью. В результате операторы должны полагаться на новые учетные потоки для доступа к предоплаченным данным клиентов, например, через свои P-шлюзы в средах IMS и не-IMS или через свои CSCF в среде IMS.
Постоплатная зарядка – Постоплатная зарядка за использование данных работает в LTE так же, как и в 3G, используя версии TAP 3.11 или 3.12. При локальном отключении служб IMS требуется TAP 3.12.
Операторы не имеют такой же степени видимости действий абонентов, как в сценариях домашней маршрутизации в случае локальных сценариев прорыва, поскольку сеансы данных абонента хранятся в посещаемой сети; поэтому, чтобы домашний оператор мог собирать информацию в режиме реального времени как о клиентах с предоплатой, так и с постоплатой, он должен установить интерфейс Diameter между системами начисления платы и P-шлюзом посещаемой сети.
В случае локального прорыва сценария служб ims, посещаемая сеть создает подробные записи вызовов (CDR) из S-шлюза, однако эти CDR не содержат всей информации, необходимой для создания мобильного сеанса TAP 3.12 или обмена сообщениями запись события для использования сервиса. В результате операторы должны коррелировать CDR базовой сети передачи данных с CDR IMS для создания записей TAP.
LTE нумерация и адресация
Область сети LTE разделена на три различных типа географических областей, поясняемых ниже:
Бассейны MME
Это область, через которую мобильное устройство может перемещаться без изменения обслуживающей MME. Каждая область пула MME контролируется одним или несколькими MME в сети.
Зоны обслуживания S-GW
Это область, обслуживаемая одним или несколькими обслуживающими шлюзами S-GW, через которые мобильное устройство может перемещаться без смены обслуживающего шлюза.
Зоны слежения
Области пула MME и зоны обслуживания S-GW состоят из небольших неперекрывающихся блоков, известных как области слежения (TA). Они аналогичны областям местоположения и маршрутизации от UMTS и GSM и будут использоваться для отслеживания местоположения мобильных телефонов, которые находятся в режиме ожидания.
Бассейны MME
Это область, через которую мобильное устройство может перемещаться без изменения обслуживающей MME. Каждая область пула MME контролируется одним или несколькими MME в сети.
Зоны обслуживания S-GW
Это область, обслуживаемая одним или несколькими обслуживающими шлюзами S-GW, через которые мобильное устройство может перемещаться без смены обслуживающего шлюза.
Зоны слежения
Области пула MME и зоны обслуживания S-GW состоят из небольших неперекрывающихся блоков, известных как области слежения (TA). Они аналогичны областям местоположения и маршрутизации от UMTS и GSM и будут использоваться для отслеживания местоположения мобильных телефонов, которые находятся в режиме ожидания.
Таким образом, сеть LTE будет состоять из множества областей пула MME, множества зон обслуживания S-GW и множества зон слежения.
Сетевые идентификаторы
Сама сеть будет идентифицирована с использованием идентификатора наземной мобильной сети общего пользования (PLMN-ID), который будет иметь трехзначный код страны мобильной связи (MCC) и двух- или трехзначный код мобильной сети (MNC). Например, мобильный код страны для Великобритании – 234, а британская сеть Vodafone использует код мобильной сети – 15.
Идентификаторы MME
Каждый MME имеет три основных идентификатора. Код MME (MMEC) однозначно идентифицирует MME во всех областях пула. Группе MME назначается идентификатор группы MME (MMEGI), который работает вместе с MMEC для создания идентификатора MME (MMEI). MMEI однозначно идентифицирует MME в конкретной сети.
Если мы скомбинируем PLMN-ID с MMEI, мы получим глобально уникальный идентификатор MME (GUMMEI), который идентифицирует MME в любой точке мира:
Идентификаторы области слежения
Каждая область отслеживания имеет две основные идентичности. Код области отслеживания (TAC) идентифицирует область отслеживания в конкретной сети, и если мы объединим это с PLMN-ID, то получим глобально уникальную идентификацию области отслеживания (TAI).
Сотовые идентификаторы
Каждая ячейка в сети имеет три типа идентичности. Идентификатор ячейки E-UTRAN (ECI) идентифицирует ячейку в конкретной сети, в то время как глобальный идентификатор ячейки E-UTRAN (ECGI) идентифицирует ячейку в любой точке мира.
Физическая идентификация ячейки, которая является числом от 0 до 503 и отличает ячейку от ее непосредственных соседей.
Идентификатор мобильного оборудования
Международный идентификатор мобильного оборудования (IMEI) является уникальным идентификатором для мобильного оборудования, а Международный идентификатор мобильного абонента (IMSI) является уникальным идентификатором для UICC и USIM.
Временный идентификатор мобильного абонента M (M-TMSI) идентифицирует мобильное устройство для его обслуживающего MME. Добавление кода MME в M-TMSI приводит к S временному идентификатору мобильного абонента (S-TMSI), который идентифицирует мобильное устройство в зоне пула MME.
Наконец, добавление идентификатора группы MME и идентификатора PLMN с помощью S-TMSI приводит к глобально уникальному временному идентификатору (GUTI).
Архитектура протокола радиосвязи LTE
Архитектура протокола радиосвязи для LTE может быть разделена на архитектуру плоскости управления и архитектуру плоскости пользователя, как показано ниже:
На стороне плоскости пользователя приложение создает пакеты данных, которые обрабатываются с помощью протоколов, таких как TCP, UDP и IP, в то время как в плоскости управления протокол управления радиоресурсами (RRC) записывает сообщения сигнализации, которыми обмениваются базовая станция и мобильный. В обоих случаях информация обрабатывается с помощью протокола конвергенции пакетных данных (PDCP), протокола управления линией радиосвязи (RLC) и протокола управления доступом к среде (MAC) перед передачей на физический уровень для передачи.
Плоскость пользователя
Стек протоколов пользовательской плоскости между e-Node B и UE состоит из следующих подуровней:
PDCP (протокол конвергенции пакетных данных)
RLC (Radio Link Control)
Средний контроль доступа (MAC)
PDCP (протокол конвергенции пакетных данных)
RLC (Radio Link Control)
Средний контроль доступа (MAC)
На пользовательской плоскости пакеты в базовой сети (EPC) инкапсулируются в конкретный протокол EPC и туннелируются между P-GW и eNodeB. В зависимости от интерфейса используются разные протоколы туннелирования. Туннельный протокол GPRS (GTP) используется на интерфейсе S1 между eNodeB и S-GW и на интерфейсе S5 / S8 между S-GW и P-GW.
Пакеты, принятые уровнем, называются блоком служебных данных (SDU), в то время как пакетный вывод уровня упоминается блоком протокольных данных (PDU), а IP-пакеты передаются в плоскости пользователя от верхнего к нижним уровням.
Плоскость управления
Плоскость управления дополнительно включает в себя уровень управления радиоресурсами (RRC), который отвечает за настройку нижних уровней.
Плоскость управления обрабатывает специфические для радио функции, которые зависят от состояния пользовательского оборудования, которое включает в себя два состояния: неактивное или подключенное.
| Режим | Описание |
|---|---|
| вхолостую | Пользовательское оборудование располагается в ячейке после процесса выбора или повторного выбора ячейки, где учитываются такие факторы, как качество радиосвязи, состояние ячейки и технология радиодоступа. UE также контролирует пейджинговый канал для обнаружения входящих вызовов и получения системной информации. В этом режиме протоколы плоскости управления включают в себя процедуры выбора соты и повторного выбора. |
| Связано | UE предоставляет E-UTRAN информацию о качестве канала нисходящей линии связи и соседней соте, чтобы позволить E-UTRAN выбирать наиболее подходящую соту для UE. В этом случае протокол плоскости управления включает в себя протокол управления радиоканалом (RRC). |
Стек протоколов для плоскости управления между UE и MME показан ниже. Серая область стека указывает протоколы уровня доступа (AS). Нижние уровни выполняют те же функции, что и для плоскости пользователя, за исключением того, что для плоскости управления нет функции сжатия заголовка.
Уровни стека протоколов LTE
Давайте внимательно рассмотрим все уровни, доступные в стеке протоколов E-UTRAN, которые мы видели в предыдущей главе. Ниже приведена более детальная схема стека протоколов E-UTRAN:
Физический уровень (уровень 1)
Физический уровень передает всю информацию из транспортных каналов MAC по радиоинтерфейсу. Заботится об адаптации линии (AMC), управлении мощностью, поиске соты (для целей начальной синхронизации и передачи обслуживания) и других измерениях (внутри системы LTE и между системами) для уровня RRC.
Средний уровень доступа (MAC)
Уровень MAC отвечает за отображение между логическими каналами и транспортными каналами, мультиплексирование SDU MAC из одного или разных логических каналов в транспортные блоки (TB), которые должны быть доставлены на физический уровень по транспортным каналам, за мультиплексирование SDU MAC из одного или разных логических каналов. каналы из транспортных блоков (TB), доставленные с физического уровня по транспортным каналам, представление информации о планировании, исправление ошибок посредством HARQ, обработка приоритетов между UE посредством динамического планирования, обработка приоритетов между логическими каналами одного UE, приоритезация логических каналов.
Контроль радиосвязи (RLC)
RLC работает в 3 режимах работы: прозрачный режим (TM), неподтвержденный режим (UM) и подтвержденный режим (AM).
Уровень RLC отвечает за передачу PDU верхнего уровня, исправление ошибок через ARQ (только для передачи данных AM), объединение, сегментацию и повторную сборку SDU RLC (только для передачи данных UM и AM).
RLC также отвечает за повторную сегментацию PDU данных RLC (только для передачи данных AM), переупорядочение PDU данных RLC (только для передачи данных UM и AM), обнаружение дубликатов (только для передачи данных UM и AM), сброс RLC SDU (Только для передачи данных UM и AM), восстановление RLC и обнаружение ошибок протокола (Только для передачи данных AM).
Контроль радиоресурсов (RRC)
Основные услуги и функции подуровня RRC включают в себя широковещательную передачу системной информации, относящейся к слою отсутствия доступа (NAS), широковещательную передачу системной информации, относящейся к слою доступа (AS), пейджинг, установление, поддержание и освобождение соединения RRC между UE и E-UTRAN, Функции безопасности, включая управление ключами, установление, настройку, обслуживание и выпуск двухточечных радиоканалов.
Контроль сходимости пакетных данных (PDCP)
Уровень PDCP отвечает за сжатие заголовка и декомпрессию IP-данных, передачу данных (пользовательская плоскость или плоскость управления), поддержание порядковых номеров PDCP (SN), последовательная доставка PDU верхнего уровня при восстановлении нижних уровней, дублирование устранение SDU нижнего уровня при повторном установлении нижних уровней для радиоканалов, отображенных на RLC AM, шифрование и дешифрование данных плоскости пользователя и данных плоскости управления, защита целостности и проверка целостности данных плоскости управления, отбрасывание на основе таймера, отбрасывание дубликатов, PDCP используется для SRB и DRB, отображаемых на логических каналах типа DCCH и DTCH.
Протоколы не уровня доступа (NAS)
Протоколы слоя без доступа (NAS) формируют самый высокий уровень плоскости управления между пользовательским оборудованием (UE) и MME.
Протоколы NAS поддерживают мобильность UE и процедуры управления сеансами для установления и поддержания IP-соединения между UE и PDN GW.
Поток данных слоев LTE
Ниже приведена логическая схема уровней протокола E-UTRAN с изображением потока данных через различные уровни:
Пакеты, принятые уровнем, называются блоком служебных данных (SDU), в то время как пакетный вывод уровня упоминается блоком протокольных данных (PDU). Давайте посмотрим поток данных сверху вниз:
Уровень IP отправляет SDU PDCP (пакеты IP) на уровень PDCP. Уровень PDCP выполняет сжатие заголовка и добавляет заголовок PDCP к этим SDU PDCP. Уровень PDCP передает PDU PDCP (SDU RLC) на уровень RLC.
Сжатие заголовка PDCP : PDCP удаляет заголовок IP (минимум 20 байтов) из PDU и добавляет токен из 1-4 байтов. Что обеспечивает огромную экономию в количестве заголовка, который в противном случае пришлось бы передавать по воздуху.
Уровень RLC выполняет сегментацию этих SDUS для создания блоков PDU RLC. RLC добавляет заголовок на основе режима работы RLC. RLC передает эти RLC PDU (MAC SDU) на уровень MAC.
Сегментация RLC : Если SDU RLC большой или доступная скорость передачи радиоданных низкая (что приводит к небольшим транспортным блокам), SDU RLC может быть разделен между несколькими PDU RLC. Если RLC SDU мала или доступная скорость передачи радиоданных высока, несколько RLC SDU могут быть упакованы в один PDU.
Уровень MAC добавляет заголовок и выполняет заполнение для соответствия этому SDU MAC в TTI. Уровень MAC отправляет PDU MAC на физический уровень для передачи по физическим каналам.
Физический канал передает эти данные в слоты субкадра.
Уровень IP отправляет SDU PDCP (пакеты IP) на уровень PDCP. Уровень PDCP выполняет сжатие заголовка и добавляет заголовок PDCP к этим SDU PDCP. Уровень PDCP передает PDU PDCP (SDU RLC) на уровень RLC.
Сжатие заголовка PDCP : PDCP удаляет заголовок IP (минимум 20 байтов) из PDU и добавляет токен из 1-4 байтов. Что обеспечивает огромную экономию в количестве заголовка, который в противном случае пришлось бы передавать по воздуху.
Уровень RLC выполняет сегментацию этих SDUS для создания блоков PDU RLC. RLC добавляет заголовок на основе режима работы RLC. RLC передает эти RLC PDU (MAC SDU) на уровень MAC.
Сегментация RLC : Если SDU RLC большой или доступная скорость передачи радиоданных низкая (что приводит к небольшим транспортным блокам), SDU RLC может быть разделен между несколькими PDU RLC. Если RLC SDU мала или доступная скорость передачи радиоданных высока, несколько RLC SDU могут быть упакованы в один PDU.
Уровень MAC добавляет заголовок и выполняет заполнение для соответствия этому SDU MAC в TTI. Уровень MAC отправляет PDU MAC на физический уровень для передачи по физическим каналам.
Физический канал передает эти данные в слоты субкадра.
Каналы связи LTE
Информационные потоки между различными протоколами известны как каналы и сигналы. LTE использует несколько различных типов логических, транспортных и физических каналов, которые различаются по виду информации, которую они несут, и по способу обработки информации.
Логические каналы : Определите, какой тип информации передается по радиоканалу, например, каналы трафика, каналы управления, системное вещание и т. Д. Сообщения и сигнальные сообщения передаются по логическим каналам между протоколами RLC и MAC.
Транспортные каналы : определите, как что-то передается по воздуху, например, что такое кодирование, параметры чередования, используемые для передачи данных. Данные и сообщения сигнализации передаются по транспортным каналам между MAC и физическим уровнем.
Физические каналы : определите, где что-то передается по воздуху, например, первые N символов в кадре DL. Данные и сигнальные сообщения передаются по физическим каналам между различными уровнями физического уровня.
Логические каналы : Определите, какой тип информации передается по радиоканалу, например, каналы трафика, каналы управления, системное вещание и т. Д. Сообщения и сигнальные сообщения передаются по логическим каналам между протоколами RLC и MAC.
Транспортные каналы : определите, как что-то передается по воздуху, например, что такое кодирование, параметры чередования, используемые для передачи данных. Данные и сообщения сигнализации передаются по транспортным каналам между MAC и физическим уровнем.
Физические каналы : определите, где что-то передается по воздуху, например, первые N символов в кадре DL. Данные и сигнальные сообщения передаются по физическим каналам между различными уровнями физического уровня.
Логические каналы
Логические каналы определяют, какой тип данных передается. Эти каналы определяют услуги передачи данных, предлагаемые уровнем MAC. Данные и сигнальные сообщения передаются по логическим каналам между протоколами RLC и MAC.
Логические каналы можно разделить на каналы управления и каналы трафика. Канал управления может быть общим или выделенным каналом. Общий канал означает общий для всех пользователей в ячейке (точка-многоточие), в то время как выделенные каналы означают, что каналы могут использоваться только одним пользователем (точка-точка).
Логические каналы отличаются информацией, которую они несут, и могут быть классифицированы двумя способами. Во-первых, логические каналы трафика переносят данные в плоскости пользователя, тогда как логические каналы управления переносят сообщения сигнализации в плоскости управления. В следующей таблице перечислены логические каналы, которые используются LTE:
| Название канала | Акроним | Канал управления | Канал трафика |
|---|---|---|---|
| Канал управления вещанием | УВК | Икс | |
| Пейджинговый канал управления | ФКУ | Икс | |
| Общий канал управления | ОКУ | Икс | |
| Выделенный канал управления | СКУ | Икс | |
| Канал управления многоадресной передачей | MCCH | Икс | |
| Выделенный канал трафика | DTCH | Икс | |
| Канал многоадресного трафика | МТСН | Икс |
Транспортные каналы
Транспортные каналы определяют, как и с какими типами характеристик данные передаются физическим уровнем. Данные и сообщения сигнализации передаются по транспортным каналам между MAC и физическим уровнем.
Транспортные каналы отличаются тем, как процессор транспортных каналов управляет ими. В следующей таблице перечислены транспортные каналы, которые используются LTE:
| Название канала | Акроним | Downlink | Uplink |
|---|---|---|---|
| Вещательный канал | МПБ | Икс | |
| Общий канал нисходящей линии связи | DL-SCH | Икс | |
| Пейджинговый канал | PCH | Икс | |
| Multicast Channel | MCH | Икс | |
| Общий канал восходящей связи | UL-SCH | Икс | |
| Канал произвольного доступа | КСД | Икс |
Физические каналы
Данные и сигнальные сообщения передаются по физическим каналам между различными уровнями физического уровня и, соответственно, они делятся на две части:
Физические каналы передачи данных
Каналы физического контроля
Физические каналы передачи данных
Каналы физического контроля
Физические каналы данных
Физические каналы данных различаются способами, которыми процессор физических каналов управляет ими, и способами, которыми они отображаются на символы и поднесущие, используемые ортогональным мультиплексированием с частотным разделением (OFDMA). В следующей таблице перечислены физические каналы данных , которые используются LTE:
| Название канала | Акроним | Downlink | Uplink |
|---|---|---|---|
| Физический нисходящий общий канал | PDSCH | Икс | |
| Физический вещательный канал | PBCH | Икс | |
| Физический многоадресный канал | PMCH | Икс | |
| Физический совместно используемый канал восходящей линии связи | PUSCH | Икс | |
| Физический канал произвольного доступа | PRACH | Икс |
Процессор транспортного канала составляет несколько типов управляющей информации, чтобы поддерживать низкоуровневую работу физического уровня. Они перечислены в таблице ниже:
| Имя поля | Акроним | Downlink | Uplink |
|---|---|---|---|
| Информация управления нисходящей линии связи | DCI | Икс | |
| Индикатор формата управления | CFI | Икс | |
| Гибридный индикатор ARQ | ПРИВЕТ | Икс | |
| Управляющая информация восходящей линии связи | UCI | Икс |
Каналы физического контроля
Процессор транспортного канала также создает управляющую информацию, которая поддерживает низкоуровневую работу физического уровня, и отправляет эту информацию процессору физического канала в форме физических каналов управления.
Информация распространяется до процессора транспортного канала в приемнике, но полностью невидима для верхних уровней. Точно так же процессор физического канала создает физические сигналы, которые поддерживают аспекты самого низкого уровня системы.
Физические каналы управления перечислены в таблице ниже:
| Название канала | Акроним | Downlink | Uplink |
|---|---|---|---|
| Физический контроль формата индикатора канала | PCFICH | Икс | |
| Физический гибридный индикаторный канал ARQ | PHICH | Икс | |
| Физический канал управления нисходящей линии связи | PDCCH | Икс | |
| Реле физического нисходящего канала управления | R-PDCCH, | Икс | |
| Физический канал управления восходящей линии связи | PUCCH | Икс |
Базовая станция также передает два других физических сигнала, которые помогают мобильной станции получить базовую станцию после первого включения. Они известны как первичный сигнал синхронизации (PSS) и вторичный сигнал синхронизации (SSS).
Технология LTE OFDM
Чтобы преодолеть влияние проблемы многолучевого замирания, доступной в UMTS, LTE использует мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) для нисходящей линии связи, то есть от базовой станции к терминалу для передачи данных по многим узким полосам частот по 180 кГц каждая вместо каждой расширения одного сигнала по всей ширине полосы частот 5 МГц, т.е. OFDM использует большое количество узких поднесущих для передачи с множеством несущих для переноса данных.
Ортогональное мультиплексирование с частотным разделением (OFDM) – это схема мультиплексирования с частотным разделением (FDM), используемая в качестве метода цифровой модуляции с множеством несущих.
OFDM отвечает требованиям LTE в отношении гибкости спектра и обеспечивает экономически эффективные решения для очень широких несущих с высокими пиковыми скоростями. Основной физический ресурс нисходящей линии связи LTE можно рассматривать как частотно-временную сетку, как показано на рисунке ниже:
Символы OFDM сгруппированы в блоки ресурсов. Блоки ресурсов имеют общий размер 180 кГц в частотной области и 0,5 мс во временной области. Каждый интервал времени передачи 1 мс (TTI) состоит из двух временных интервалов (Tslot).
Каждому пользователю выделяется несколько так называемых блоков ресурсов в сетке time.frequency. Чем больше блоков ресурсов получает пользователь, и чем выше модуляция, используемая в элементах ресурса, тем выше скорость передачи данных. Какие блоки ресурсов и сколько пользователь получает в данный момент времени, зависит от продвинутых механизмов планирования в частотном и временном измерениях.
Механизмы планирования в LTE аналогичны тем, которые используются в HSPA, и обеспечивают оптимальную производительность для разных служб в разных средах радиосвязи.
Преимущества OFDM
Основным преимуществом OFDM над схемами с одной несущей является его способность справляться с жесткими условиями канала (например, затухание высоких частот в длинном медном проводе, узкополосные помехи и частотно-избирательное замирание из-за многолучевого распространения) без сложных фильтров выравнивания.
Выравнивание канала упрощается, поскольку OFDM можно рассматривать как использование множества медленно модулированных узкополосных сигналов, а не одного быстро модулированного широкополосного сигнала.
Низкая скорость передачи символов делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет устранить межсимвольные помехи (ISI).
Этот механизм также облегчает проектирование одночастотных сетей (SFN), где несколько соседних передатчиков посылают один и тот же сигнал одновременно на одной и той же частоте, поскольку сигналы от нескольких удаленных передатчиков могут быть конструктивно объединены, а не создавать помехи, как это обычно происходит в традиционных система с одной несущей.
Основным преимуществом OFDM над схемами с одной несущей является его способность справляться с жесткими условиями канала (например, затухание высоких частот в длинном медном проводе, узкополосные помехи и частотно-избирательное замирание из-за многолучевого распространения) без сложных фильтров выравнивания.
Выравнивание канала упрощается, поскольку OFDM можно рассматривать как использование множества медленно модулированных узкополосных сигналов, а не одного быстро модулированного широкополосного сигнала.
Низкая скорость передачи символов делает возможным использование защитного интервала между символами, что позволяет устранить межсимвольные помехи (ISI).
Этот механизм также облегчает проектирование одночастотных сетей (SFN), где несколько соседних передатчиков посылают один и тот же сигнал одновременно на одной и той же частоте, поскольку сигналы от нескольких удаленных передатчиков могут быть конструктивно объединены, а не создавать помехи, как это обычно происходит в традиционных система с одной несущей.
Недостатки OFDM
Высокое отношение пика к среднему
Чувствителен к сдвигу частоты, а значит и к допплеровскому смещению
Высокое отношение пика к среднему
Чувствителен к сдвигу частоты, а значит и к допплеровскому смещению
Технология SC-FDMA
LTE использует в восходящей линии связи предварительно кодированную версию OFDM, называемую множественным доступом с частотным разделением с одной несущей (SC-FDMA). Это должно компенсировать недостаток с обычным OFDM, который имеет очень высокое отношение пиковой мощности к средней (PAPR).
Высокая PAPR требует дорогих и неэффективных усилителей мощности с высокими требованиями к линейности, что увеличивает стоимость терминала и быстрее разряжает батарею.
SC-FDMA решает эту проблему, группируя блоки ресурсов таким образом, чтобы уменьшить потребность в линейности и, следовательно, в потребляемой мощности усилителя мощности. Низкое PAPR также улучшает покрытие и производительность на границе соты.
Структура сети LTE и принципы работы
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 Rel.8 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 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. За прошедшие 5 лет со дня появления стандарта LTE претерпел существенную модернизацию. Новая версия стандарта LTE-A (Advanced) Rel.10, 11 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 радиоинтерфейса, 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.
Последние годы идет поток публикаций по сетям LTE. Среди учебных изданий на русском языке выделим 2 учебных пособия, вышедших в 2011/2012 гг [1], [2]. В октябре 2012г. появилось значительное по объему новое учебное пособие [27]. К 2011г была окончательно специфицирована новая версия стандарта, получившая название LTE-A (Advanced, Rel.10). Работа по расширению возможностей в организации структур сетей LTE и в предоставлении услуг интенсивно продолжается и сейчас. Практически завершено формирование Rel.11 спецификаций, появились спецификации Rel.12. Происшедшие за последние 2 года изменения в стандарте отражены в данном издании. Отметим также, что развертывание и успешная эксплуатация сетей LTE требуют изучения процедур обслуживания абонентских станций на уровне соответствующих сетевых протоколов. Публикаций по этим вопросам крайне мало, в том числе и на английском языке, и фактически единственным источником для работы являются спецификации E-UTRA.
Пособие состоит из 4 глав. В главе 1 приведены основные сведения о сетях LTE. Читателям учебных пособий [1] и [2] этот материал будет в основном знаком, но он необходим для тех, кто только начинает изучать стандарт. Глава 1 дополнена новыми сведениями из Rel.10 и 11, относящимся к фемтосотам.
В главе 2 по-новому изложены вопросы применения в LTE технологий OFDM и MIMO, описана технология агрегации частотных полос.
В главе 3 рассмотрены процедуры физического уровня и уровня МАС. Наконец, в главе 4 приведены алгоритмы и описаны процедуры уровня L3 с необходимой для их понимания детализацией. Все материалы пособия основаны на спецификациях E-UTRA Rel.10 и 11.
Основные сведения о сетях LTE
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. 1.1.
Рис.1.1. 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.1.1) 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. 1.1 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 радиоинтерфейсу. 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
— обеспечивает передачу трафика и сигнализации в радиоканале,
— управляет распределением радиоресурсов,
— 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 [1гл.4],
— 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 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. Структура интерфейса S1 представлена на рис. 1.2.
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.
В пользовательской плоскости S1 (S1 — User Plane) для обмена пакетами между eNB и S-GW используют туннельное соединение. Структура туннеля приведена на рис. 1.3, а формат сообщений, передаваемых по туннелю, на рис. 1.4.
Рис.1.2. Интерфейс S1
| GTP UDP IP L2 L1 |
| eNB S1-U S-GW |
| GTP UDP IP L2 L1 |
Рис.1.3. Структура туннельного соединения
| IP | UDP | GTP | IP | TCP/UDP | Информационное сообщение |
Рис.1.4. Формат пакетов, передаваемых по туннелю
Залитая часть пакета (рис.1.4) состоит из трех подзаголовков трех подуровней туннельного протокола, содержащих:
IP – локальные IP-адреса функциональных узлов, между которыми организован туннель;
UDP – номера портов в соответствующих функциональных узлах;
GTP – идентификатор собственно туннеля, помеченный его конечной точкой TEID (Tunnel Endpoint Identifier). TEID – 32-битовое двоичное число, выделяемое при организации туннеля приемной стороной [3]. При создании двунаправленных туннельных соединений, например, на интерфейсе S1 между eNB и S-GW, фактически организуют 2 туннеля, один из которых имеет TEID в eNB для передачи пакетов трафика вниз, а другой в S-GW для передачи вверх. Туннельный протокол используют для передачи трафика и на интерфейсе S5/S8. В сетях LTE туннели организуют не только для передачи пакетов трафика, но и сигнализации [4]. Сигнальные туннели реализованы на интерфейсах S5/S8 и S11.
После подключения к сети абонентской станции для абонента открывают базы данных в ММЕ, S-GW и PDN GW, организуя туннельные соединения на интерфейсе S5/S8. При этом абоненту, имеющему индивидуальный системный номер IMSI (International Mobile Subscriber Identity), ММЕ назначает временный номер M-TMSI (MME Temporary Mobile Subscriber Identity) длиной 32 бита.
Как было сказано, после подключения к сети E-UTRAN UE может находиться в двух состояниях: ECM_CONNECTED и ECM_IDLE[1]. В состоянии CONNECTED (ACTIVE) активизировано соединение на радиоинтерфейсе между UE и eNB, в обслуживающем eNB открыта база данных UE, и организованы сквозные каналы на интерфейсе S1 для передачи сигнализации или трафика. Местоположение абонента известно с точностью до соты, а при перемещении абонента от одного eNB к другому происходит процедура хэндовера (рис.1.5).
Рис.1.5. Процедуры при перемещении абонента по сети LTE
В перерывах передачи трафика по радиоканалу сеть переводит UE в состояние IDLE. В этом состоянии сохраняются базы данных абонента в ММЕ, S-GW, PDN GW и туннели на интерфейсах S5/S8 и S11. Станция в состоянии IDLE локализована с точностью до зон слежения (Tracking Area). Зона слежения – это группа сот, через которые передают одновременно сигналы пейджинга (вызов по радиоканалу при поступлении входящего трафика). Для передачи пейджинга используют идентификатор S-TMSI = MMEC + M-TMSI <40бит>. MMEC – код обслуживающего ММЕ <8 бит>. Аналогично в пакетных сетях GERAN/UTRAN станция локализована в зоне маршрутизации (Routing Area). Однако, в отличие от сетей GERAN/UTRAN, в E-UTRAN, ММЕ может зарегистрировать станцию в нескольких зонах слежения одновременно, сообщив UE список этих зон (TAI-list).
Перемещаясь по сети в состоянии IDLE, UE прослушивает сигналы eNB, совершая процедуру реселекции сот, т.е. переключаясь на eNB с наиболее сильным сигналом. При переключении на eNB, расположенном в зоне, отсутствующей в списке, UE запускает процедуру локализации. При этом происходит обновление базы данных абонента в ММЕ, а абонент получает новый временный номер M-TMSI.
M-TMSI является частью глобального временного идентификатора, который получает абонент, обслуживаемый в сети LTE. Этот идентификатор GUTI (Globally Unique Temporary Identifier) состоит из глобального идентификатора ММЕ GUMMEI и M-TMSI: GUTI = GUMMEI + M-TMSI. GUTI записывают и сохраняют в USIM-карте. После завершения сеанса связи база данных абонента в ММЕ стирается не сразу. Она блокируется на время, установленное оператором. Если в течение этого времени абонент снова подключится к сети LTE, то он может идентифицировать себя как GUTI. В результате упрощается процедура запуска нового сеанса связи ( процедура Attach) и обеспечивается более высокая степень безопасности абонента (см. далее описание процедуры Attach в 4.3).
Сети E-UTRAN (LTE), как правило, строят во взаимодействии с действующими сетями с коммутацией пакетов стандартов GERAN/UTRAN. Структура интегральной сети GERAN/UTRAN/E-UTRAN показана на рис.1.6 В этой сети MME и SGSN связаны сигнальным интерфейсом S3, а трафик в подсеть GERAN/UTRAN следует через S-GW и PDN GW.
Рис.1.6. Интегральная сеть GERAN/UTRAN/E-UTRAN
В сети UTRAN на рис.1.6 показано прямое туннельное соединение в пользовательской плоскости между S-GW и RNC посредством интерфейса S12. Такое соединение возможно при использовании в сети UTRAN оборудования Rel.7 и последующих релизов. Возможно и непрямое соединение, когда передачу пакетов трафика осуществляют по двум последовательным туннелям S-GW ↔ SGSN, SGSN ↔ RNC.
Интерфейс S4 позволяет осуществлять межсистемный хэндовер, т.е. переключение в процессе передачи трафика UE из сети E-UTRAN в GERAN/UTRAN и обратно. Для упрощения процедур смены абонентом сети обслуживания в стандарт LTE введена специальная функция ISR (Idle Mode Signaling Reduction). Идея состоит в том, что при активизации ISR абонента регистрируют параллельно в обеих сетях: в ММЕ и SGSN. О совместной регистрации информируют HSS. UE получает параметры, установленные SGSN (временный номер P-TMSI, идентификатор зоны маршрутизации), ММЕ (GUTI и список зон слежения), а также список активизированных контекстов, общих для обеих сетей. SGSN и ММЕ хранят адреса друг друга. В состоянии IDLE UE может переключаться из одной сети в другую, а сигналы пейджинга можно передавать одновременно по зоне маршрутизации в сети GERAN/UTRAN и зонам слежения в E-UTRAN. Функция ISR обязательна для многомодовых терминалов, которые могут работать в интегральной сети GERAN/UTRAN/E-UTRAN. В свою очередь сеть E-UTRAN поддерживает ISR опционально, индивидуально для каждого UE.