Рейтинг@Mail.ru

NetCloud

Простыми словами о сетевых технологиях

Стандарты сотовой связи: LTE

LTE (Long-Term Evolution) — технология сотовой связи четвертого поколения. Стандарт LTE теоретически позволит увеличить скорость передачи данных до 300 Мбит/с на приеме и до 75 Мбит/с на передаче. Другой особенностью является дальность действия базовой станциии. Оптимальным значением является 5 км, однако дальность действия может быть увеличена до 30 км, а в некоторых случаях и до 100 км.

В LTE используется усовершенствованная схема множественного доступа OFDMA. О всех преимуществах данного метода вы можете прочитать по ссылке. Кроме того, LTE знаменует полный переход от системы коммутации каналов к системам с коммутацией пакетов. При этом задержка при передаче пакетов может быть уменьшена до 5 мс.

Архитектура сети LTE

Архитектура сети LTE разработана таким образом, чтобы обеспечить поддержку пакетного трафика с так называемой “гладкой” (“бесшовной”, seamless) мобильностью, минимальными задержками доставки пакетов и высокими показателями качества обслуживания. Мобильность как функция сети обеспечивается двумя её видами: дискретной мобильностью (роумингом) и непрерывной мобильностью (хэндовером). Поскольку сети LTE должны поддерживать процедуры роуминга и хэндовера со всеми существующими сетями, для LTE-абонентов (терминалов) должно обеспечиваться повсеместное покрытие услуг беспроводного широкополосного доступа.

Пакетная передача позволяет обеспечить все услуги, включая передачу пользовательского голосового трафика. В отличие от большинства сетей предыдущих поколений, в которых наблюдается достаточно высокая разнотипность и иерархичность сетевых узлов (так называемая распределённая сетевая ответственность), архитектуру сетей LTE можно назвать “плоской”, поскольку практически всё сетевое взаимодействие происходит между двумя узлами: базовой станцией (БС), которая в технических спецификациях называется B-узлом (Node-B, eNB) и блоком управления мобильностью БУМ (MME, Mobility Management Entity), реализационно, как правило, включающим и сетевой шлюз Ш (GW, Gateway), т. е. имеют место комбинированные блоки MME/GW. Отметим, что контроллер радиосети, игравший весьма значительную роль в сетях предыдущих поколений, устранён от управления потоком данных (фактически он даже отсутствует в структурных схемах), а его традиционные функции — управление радиоресурсами сжатие заголовков, шифрование, надёжная доставка пакетов и др. переданы непосредственно БС.

БУМ работает только со служебной информацией — так называемой сетевой сигнализацией, так что IP-пакеты, содержащие пользовательскую информацию, через него не проходят. Преимущество наличия такого отдельного блока сигнализации в том, что пропускную способность сети можно независимо наращивать как для пользовательского трафика, так и для служебной информации. Главной функцией БУМ является управление пользовательскими терминалами (ПТ), находящимися в режиме ожидания, включая перенаправление и исполнение вызовов, авторизацию и аутентификацию, роуминг и хэндовер, установление служебных и пользовательских каналов и др.

Среди всех сетевых шлюзов отдельно выделены два: обслуживающий шлюз ОШ (S-GW, Serving Gateway) и шлюз пакетной сети (P-GW, Packet Data Network Gateway), или, короче, пакетный шлюз (ПШ). ОШ функционирует как блок управления локальной мобильностью, принимая и пересылая пакеты данных, относящиеся к БС и обслуживаемым им ПТ. ПШ является интерфейсом между набором БС и различными внешними сетями, а также выполняет некоторые функции IP-сетей, такие, как распределение адресов, обеспечение пользовательских политик, маршрутизация, фильтрация пакетов и др. Как и в большинстве сетей третьего поколения, в основу принципов построения сети LTE положено разделение двух аспектов: физической реализации отдельных сетевых блоков и формирования функциональных связей между ними. При этом задачи физической реализации решаются, исходя из концепции области (domain), а функциональные связи рассматриваются в рамках слоя (stratum).

Первичным разделением на физическом уровне является разделение архитектуры сети на область пользовательского оборудования (UED, User Equipment Domain) и область сетевой инфраструктуры (ID, Infrastructure Domain). Последняя, в свою очередь, разделяется на (под)сеть радиодоступа (E-UTRAN, Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и базовую (пакетную) (под)сеть (EPC, Evolved Packet Core).

Пользовательское оборудование — это совокупность ПТ с различными уровнями функциональных возможностей, используемых сетевыми абонентами для доступа к LTE-услугам. При этом в качестве пользовательского терминала может фигурировать как реальный (“живой”) абонент, пользующийся, к примеру, услугами голосового трафика, так и обезличенное устройство, предназначенное для передачи / приёма определённых сетевых или пользовательских приложений.

На рисунке ниже показана обобщённая структура сети LTE, из которой видно наличие двух слоёв функциональных связей: слоя радиодоступа (AS, Access Stratum) и внешность слоя радиодоступа (NAS, Non-Access Stratum). Показанные на рисунке овалы со стрелками обозначают точки доступа к услугам.

lte-scheme

Стык между областью UE пользовательского оборудования и областью сети радиодоступа UTRAN называется Uu-интерфейсом; стык между областью сети радиодоступа и областью базовой сети EPC — S1-интерфейсом.

Состав и функционирование различных протоколов, относящихся к интерфейсам Uu и S1, разделены на две так называемых плоскости: пользовательскую плоскость (UP, User Plane) и плоскость управления (CP, Control Plane). Вне слоя доступа действуют механизмы управления мобильностью в базовой сети (EMM, EPC Mobility Management).

В пользовательской плоскости реализованы протоколы, обеспечивающие передачу пользовательских данных по радиоканалу. К плоскости управления относятся те протоколы, которые в различных аспектах обеспечивают соединение между ПТ и сетью. Также к этой плоскости относятся протоколы, предназначенные для транспарентной (прозрачной) передачи сообщений, относящихся к предоставлению различных услуг.

Область сети радиодоступа логически разделена на два уровня: уровень радиосети (RNL, Radio Network Layer) и уровень транспортной сети (TNL, Transport Network Layer). Взаимодействие входящих в область сети радиодоступа БС осуществляется на основе X2-интерфейса. Кроме того, имеет место транзитное соединение между базовыми станциями и базовой сетью через блок управления мобильностью (S1-MM-интерфейс) или обслуживающий узел (S1-U-интерфейс) — на рисунке ниже не показаны. Таким образом, можно утверждать, что S1-интерфейс поддерживает множественные отношения между набором БС и блоками БУМ/ОУ.





lte-eutran

Стек протоколов LTE

Стек протоколов разделен на:

  1. Физический уровень PHY
  2. Подуровень управления доступом к среде MAC
  3. Подуровень управления радиоканалом RLC
  4. Подуровень протокола конвергенции пакетных данных PDCP
  5. Подуровень протокола, функционирующего вне слоя доступа NAS

 

Ниже изображены два стека протоколов LTE: первый — для пользовательской плоскости, второй — для плоскости управления.

Стек протоколов LTE в пользовательской плоскости

lte-user

Стек протоколов LTE в плоскости управления

lte-control

Функции физического уровня PHY:

  • Обнаружение ошибок
  • Помехоустойчивое кодирование
  • Энергетическое выравнивание
  • Модуляция/демодуляция
  • Частотная и временная синхронизация
  • Измерение радиочастотных характеристик
  • Формирование диаграммы направленности
  • Радиочастотная обработка сигналов

Функции уровня управления доступом к среде MAC:

  • Мультиплексирование пакетов услуг
  • Исправление ошибок через запросы на повторную передачу
  • Управление приоритетом логических каналов
  • Идентификация услуг
  • Выбор транспортного формата

Функции уровня управления радиоканалом RRC:

  • Широковещательная передача системной информации ко всем UE
  • Управление RRC-соединением (создание, изменение, удаление, активация начальной защиты, создание сигнальных и пользовательских радиопотоков, процедура хэндовера)
  • Настройка измерений радиоканала и отчетность

Функции уровня протокола конвергенции пакетных данных PDCP:

  • Сжатие и восстановление заголовков по протоколу ROHC
  • Защита данных: шифрация и дешифрация пользовательских и управляющих сообщений, поддержка целостности сообщений
  • Повторная передача пакетов услуг при хэндовере

Функции подуровня RRC ограничены только плоскостью управления: вещание системной информации, вызов, управление радиоканалом, управление соединением на данном подуровне, обеспечение управление мобильностью, управление и составление отсчетов об изменении параметров.

Протокол NAS предназначен для решения задач, не связанных с вопросами радиодоступа: управление сквозным каналом передачи данных, аутентификация и защита пользовательских данных.

 


 

  • Уважаемые посетители! Какие еще статьи про сотовую связь вы хотели бы увидеть на этом сайте?