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".