Организация связи в сетях LTE

Владимир Иванович Шлома, 2018

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. Цель написания этой работы – облегчить жизнь тем энтузиастам, которые пытаются самостоятельно изучать стандарт 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.

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.