Структура мережі LTE Мережа LTE складається з двох найважливіших компонентів: мережі радіодоступу E-UTRAN і базової мережі SAE (System Architecture Evolution), яку також називають мережею EPC (Evolved Packet Core). Структура мережі LTE зображена на рисунку 1.1. Головним досягненням такої архітектури, в порівнянні з попередніми поколіннями є менші затримки при передачі як для користувача даних, так і керуючої інформації у зв'язку з проходженням через менше число проміжних елементів. Обмін даними в мережі EPC відбувається тільки по IP протоколу з комутацією пакетів. Мережа E-UTRAN, що складається з базових станцій (eNodeB) бере на себе функції радіоінтерфейсу і є сполучною ланкою між терміналами (UE) і мережею EPC. Основною особливістю, що відрізняє мережу LTE від мереж інших поколінь, є те, що базові станції eNodeB можуть обмінюватися між собою інформацією по протоколу X2 і здійснювати функції управління, в одному елементі eNodeB об'єднані функції передавача і контролера. Рис. 1.2 Структура мережі LTE У мережі LTE існує два види трафіку: передача даних користувача (UP - User Plane) і передача сигнальної інформації (CP - Control Plane). На рис.1.2 вони позначені суцільною і пунктирною лініями відповідно. Призначення основних елементів мережі: БС (EnodeB) в мережі LTE виконує такі функцій: • Управління радиоресурсами (RRM-Radio Resource Management): розподіл радіоканалів, динамічний розподіл ресурсів у висхідних і низхідних напрямках - так зване диспетчеризація ресурсів (scheduling). • Вибір блоку управління мобільністю (MME) при включенні в мережу користувальницького терміналу за відсутності у того інформації про минуле підключенні. • Вимірювання та складання відповідних звітів для управління мобільністю та диспетчеризації. • Маршрутизація в користувальницької площині пакетів даних у напрямку до обслуговуючому шлюзу (S-GW). • Диспетчеризація і передача викличної і віщальної інформації, отриманої від блоку управління мобільністю (MME). • Диспетчеризація і передача повідомлень PWS (Public Warning System, система тривожного сповіщення), отриманих від блоку управління мобільністю (MME). • Стиснення заголовків IP-пакетів, шифрування потоку даних користувача. MME (Вузол Управління Мобільністю - Mobility Management Entity): Це основний керуючий елемент в мережі LTE. Він здійснює тільки функції управління і не працює з одними даними. Має безпосередній зв'язок з UE через протокол сигналізації поза рівня доступу (NAS-Non Access Stratum). • сигналізація між мережею EPC і UE. • сигналізація у разі якщо виконує хендовер між різними мережами. • вибір P-GW і S-GW • вибір SGSN у разі коли здійснюється хендовер в мережі 2G або 3G • роумінг • законний перехоплення сигналізації • аутентифікація: при реєстрації UE в мережі MME порівнює його постійний реєстраційний номер з номером знаходиться в базі даних HSS (Home Subscription Server) для перевірки його автентичності. • управління каналами на інтерфейсах до інших елементів мережі S-GW(Serving Gateway —обслуговуючий шлюз): Призначений для обробки та маршрутизації пакетних даних, які надходять з/в підсистему базових станцій. SGW маршрутизує і направляє пакети з одними даними, в той же час виконуючи роль вузла управління мобільністю (mobility anchor) для користувача даних при хендовері між базовими станціями (eNodeB), а так само як вузол керування мобільністю між мережею LTE і мережами з іншими технологіями 3GPP. Коли UE вільний і не зайнятий викликом, S-GW підключає низхідний канал даних (DownLink - DL) і виробляє пейджинг, якщо потрібно передати дані по DL в напрямку UE. Він керує і зберігає стани UE (наприклад вимоги по пропускній здатності для IP-сервісів, внутрішню інформацію з мережевої маршрутизації). Він так само надає копію даних користувача при узаконеному перехопленні. S-GW відповідає за виконання таких функцій: • Вибір точки прив'язки ("якоря") локального місця розташування (Local Mobility Anchor) при хендовері. • Буферизація пакетів даних в спадному напрямі, призначених для UE, що перебувають у режимі очікування, і ініціалізація процедури запиту послуги. • Санкціоноване перехоплення інформації користувача. • Маршрутизація і перенаправлення пакетів даних. • Відправляє різні події в PCRF (початок з'єднання, завершення з'єднання) • Формування облікових записів користувачів і ідентифікатора класу якості обслуговування для тарифікації. • Тарифікація абонентів. PGW (Пакетний шлюз - Packet Data Network Gateway): Пакетний шлюз забезпечує з'єднання від UE до зовнішніх пакетним мереж даних, будучи точкою входу и виходу трафіку для UE. UE може мати одночасно з'єднання з більш ніж одним P-GW для підключення до декількох мереж. PGW виконує функції захисту, фільтрації пакетів для кожного користувача, підтрімку білінгу, узаконеного перехоплення та сортування пакетів. Інша важлива роль P-GW бути вузлом управління мобільністю між 3GPP та НЕ-3GPP технологіямі, такими як WiMAX та 3GPP2 (CDMA 1X и EvDO). P-GW забезпечує виконання таких функцій: • Фільтрація корістувальніцькіх пакетів. • Санкціоноване перехоплення інформації користувача. • Розподіл IP-адреси для UE. • Маркування пакетів транспортного рівня в низхідному напрямку. • Тарифікація послуг, їх селекція. PCRF (Вузол виставлення рахунків абонентам - Policy and Charging Rules Function): Policy Function (управління політікою) також може бути розділене на 2 функції: контроль шлюзу (gating control) i контроль якістю. Під контролем шлюзу розуміється своєчасність и безпомілковість визначення таких подій як початок надання, зміна параметрів, завершення надання послуг тощо. Управління якістю включає в себе безперервний моніторинг і підтримка завдання абонентських параметрів характеристик якості надання послуг (QoS). При чому не тільки для голосових з 'єднань, але й для пакетних сесій. Charging Function (управління нарахування плати) обов'язково передбачає on-line таріфікацію, тобто абонент и оператор мають можливість в реальному часі відслідковувати стан рахунку. PCRF повинен підтрімуваті декілька моделей нарахування плати: за наданий обсяг послуг, за фактом надання послуг. PCRF винен виконувати зазначені вище функції навіть коли абонент знаходяться за межами операторської мережі. HSS (Home Subscriber Server - сервер абонентських даних мережі): HSS являє собою велику базу даних і призначений для зберігання даних про абонентів. HSS фактично замінює набір регістрів (VLR, HLR, AUC, EIR), які використовувалися в мережах 2G і 3G. HSS служить для зберігання такої інформації: • користувальницьких ідентифікаторів, номерів і адресної інформації; • дані безпеки абонентів: інформація для контролю доступу в мережу, аутентифікації і авторизації; • інформація про місцезнаходження абонента на міжмережевому рівні, тобто якщо навіть абонент покине поточну мережу LTE оператора, то в HSS збережеться інформація про те, в яку мережу він перейшов для його пошуку в разі вхідного дзвінка; • інформація про профіль абонента; • генерує дані, необхідні для здійснення процедур шифрування, аутентифікації і т.п. Мережа LTE може включати один або кілька HSS. Кількість HSS залежить від географічної структури мережі і числа абонентів. Мережева архітектура системи LTE: Учасники проекту 3GPP визначили архітектуру мережі на базі IPпротоколу як частину програми розвитку архітектури системи – System Architecture Evolution (SAE). Призначенням архітектури LTE/SAE є ефективна підтримка будь-якої IP-послуги з точки зору широкого комерційного використання. Архітектура LTE/SAE знижує експлуатаційні та капітальні витрати. Нова модель, наприклад, означає, що потрібно буде підвищити пропускну спроможність вузлів тільки двох типів (базових станцій eNodeB (evolved NodeB) і шлюзів доступу AGW (Access Gateway), щоб вони впоралися з трафіком у разі його значного зростання. Крім того, явно простежується тенденція до все більшої міри автоматизації конфігурації. Учасники 3GPP і 3GPP2 погодилися також оптимізувати взаємодію між мережами CDMA і LTE/SAE. Оператори CDMA, таким чином, дістають можливість перекласти свої мережі на LTE/SAE. LTE є універсальною технологією, яка відповідає вимогам3GPP, а за деякими параметрами перевищує їх. Деякі з найбільш значних вимог вказуються нижче: - пікова швидкість передачі даних в низхідному каналі –понад 100 Мб/з, а час затримки відгуку в мережі радіо доступу (RAN) – менше 10 мс; - підтримка гнучких смуг частот несучою– від 5 МГц і менше і до 20 МГц у багатьох нових і існуючих частотних діапазонах; - підтримка розгортання з розділенням по частоті(FDD) і часу(TDD). Підтримка передачі обслуговування суміжним базовим станціям і роумінгу з існуючими мобільними мережами дозволяє із самого початку надати абонентам доступ домобільного зв'язку у будь-якій точці. При цьому оператори можуть впроваджувати технологію LTE доситьгнучко – з урахуванням особливостей вже працюючоїмережі, спектру частот і комерційних завдань, якіпередбачається вирішувати, використовуючиширокосмугові і мультимедійні послуги. Основними принципами архітектури LTE/SAE є: - загальна опорна точка і вузол шлюзу(GW) для усіх технологій доступу; - оптимізована архітектура для площини користувача – початок переходу на понижену кількістьтипів вузлів(з чотирьох до двох –базові станції і шлюзи); - протоколи на базі IP в усіх інтерфейсах; - розділення в площинах управління/користувача міжсистемою управління мобільністю(MME) і шлюзом; - інтеграція технологій доступу, що не відносяться до3GPP, за допомогою IP для мобільного зв'язку. На рис. 1.3 зображена спрощена схема загальної архітектури LTE/SAE Розглянемо детальніше її компоненти. Рис. 1.3 Мережева архітектура LTE/SAE Основним елементом архітектури SAE вважається ядро мережі SAE – EPC (від англ. Evolved Packet Core - ядро пакетної обробки) – це набір елементів для обробки пакетів даних. Воно включає в себе три ключових компоненти: 1) Модуль управління мобільністю (від англ. Mobility Management Entity, MME) забезпечує зберігання службової інформації про абонента та управління нею, генерацію тимчасових ідентифікаційних даних, авторизацію термінального устаткування в наземних мережах мобільного зв’язку та загальне управління мобільністю. Функціонально MME відокремлена від шлюзів – для полегшення розгортаннямережі, для переходу на незалежну технологію і для максимально гнучкої масштабованості пропускної спроможності. 2) Пакетний шлюз (від англ. Packet Data Network Gateway, PDN) служить загальною опорною точкою для усіх технологій доступу, забезпечуючи стабільну IP-точку присутності для усіх користувачів незалежно від мобільності у рамках однієї або декількох технологій доступу. 3) Обслуговуючий шлюз (від англ. ServingGateway, SGW) є опорною точкою для мобільності урамках 3GPP-системи. Призначений для обробки і маршрутизації пакетних даних тих, що поступають/в підсистему базових станцій. SGW маршрутизує і направляє пакети з призначеними для користувача даними, в той же час виконуючи роль вузла управління мобільністю(mobility anchor) для призначених для користувача даних при хендовері між базовими станціями(eNodeB), а так само як вузол управління мобільністю між мережею LTE і мережами з іншими технологіями 3GPP. На рис. 1.4 – мережева архітектура LTE/SAE з більш детальними зображенням рівня управління та рівня користувача. Рис. 1.4 Мережева архітектура SAE з більш детальними зображенням рівня управління та рівня користувача. Основні вимоги до архітектури мережі LTE можна узагальнити таким чином: 1. Підтримка мереж радіодоступу як стандартів 3GPP, так і стандартів He3GPP. При цьому інформація про можливі технологіях доступу повинна передаватися на абонентський термінал із зазначенням пріоритетів технологій , встановлених оператором. 2. Повна сумісність базової мережі SAE з базовими мережами стандартів 3GPP, починаючи з Release 6. 3. Забезпечення мінімальних затримок передачі даних згідно з протоколами площині управління C-plane. Наприклад, інтервал часу переходу мобільного терміналу зі стану Idle (термінал знаходиться в стані Attached протоколу GMM, виділений IP - адреса, термінал зареєстрований у підсистемі IMS ) у стан початку прийому/передачі даних по протоколах U-plane повинно бути не більше 200 мс. 4. Чітке функціональний розподіл між елементами мережі SAE, що дозволяє уникнути додаткових затримок передачі даних згідно з протоколами Cplane через дублювання функцій. 5. Встановлення IP- з'єднання з індивідуальними параметрами QoS при мінімальній кількості транзакцій. 6. Функція управління мобільністю мережі LTE повинна вирішувати завдання управління мобільністю як в мережі E - UTRAN, так і між мережами E - UTRAN та мережами радіодоступу інших типів. 7. Функція управління мобільністю мережі LTE повинна взаємодіяти з терміналами різних типів: фіксованими, номадичному мобільними і мобільними. 8. Функція управління мобільністю мережі LTE повинна надавати оператору мережі LTE можливість управляти мережами доступу, використовуваними абонентами. 9. Процедури підтримки мобільності терміналів (хендовер) у мережах E UTRAN, між мережами E - UTRAN та іншими мережами радіодоступу 3GPP (процедура Inter- RAT Handover), а також між мережами E-UTRAN/3GPP та мережами радіодоступу He- 3GPP повинні бути реалізовані з мінімальною втратою пакетів даних в режимі реального часу (наприклад, для додатків VoIP) і в режимі, інваріантному часу (наприклад, для перегляду web - peсурсу). 10. Процедура оновлення даних про місцезнаходження абонентського терміналу в мережі повинна забезпечувати мінімальну завантаження каналів сигналізації. 11. Архітектура мережі SАЕ повинна забезпечувати оптимальну маршрутизацію при знаходженні абонента в межсетевом роумінгу. 12. З метою надання гнучкого доступу до мережі LTE користувачам, що знаходяться у роумінгу, архітектура мережі SAE повинна забезпечувати доступ через різні мережі бездротового широкосмугового доступу WLAN у відповідності з існуючими договорами доступу між оператором візитною мережі VPLMN і візитними операторами мережі WLAN, причому такі договори між візитними операторами мережі WLAN і оператором домашньої мережі HPLMN не потрібні. 13. Підтримка IP - протоколів різних версій (IPv4 та IPv6), а також режиму мовлення IP- Multicast. 14. Забезпечення такого рівня безпеки користувачів (аутентифікація , ідентифікація, шифрування даних), який був би не нижче, ніж в існуючих мережах 3GPP з пакетною комутацією і комутацією каналів. Процедура аутентифікації не повинна залежати від типу і технології мережі доступу . 15. Доступ до мереж LTE повинен надаватися абонентам згідно з існуючими USIM- картками (Release 9). При цьому база даних HSS повинна відповідати Release 5. 16. Підтримка всіх існуючих в даний час принципів тарифікації. 17. Архітектура SAE повинна забезпечувати гнучке використання ресурсів мережі, коли всі елементи мережі (вузли) розглядаються як єдиний розподілений ресурс. Прикладом стала структура інтерфейсу Iu-flex, певна в Release 5, згідно з якою контролер RNC може мати інтерфейс з декількома вузлами SGSN / MGW. Радіоинтерфейс мережі LTE: Дуплексне розділення каналів в радіоінтерфейсі LTE E - UTRAN може бути частотним (FDD) і часовим (TDD). Це дозволяє операторам дуже гнучко використовувати частотний ресурс. Таке рішення відкриває шлях на ринок тим компаніям, які не володіють спареними частотами. З іншого боку, підтримка FDD дуже зручна для традиційних стільникових операторів, оскільки у них спарені частоти є «за визначенням » - так організовані практично всі існуючі системи стільникового зв'язку. Сама ж по собі система FDD істотно більш ефективна в плані використання частотного ресурсу, ніж TDD, - в ній менше накладних витрат (службових полів, інтервалів і т.п.). Обмін між базовою станцією (БС) і мобільною станцією (МС) будується за принципом циклічно повторюваних кадрів (радіокадр). Тривалість радіокадру - 10 мс. Всі тимчасові параметри в специфікації LTE прив'язані до мінімального тимчасовому кванту Ts = 1 /( 2048 • Δ f ), де Δ f - крок між піднесучими, стандартно - 15 кГц. Таким чином, тривалість радіокадра - 307200Ts. Самий же квант часу відповідає тактовій частоті 30,72 МГц, що кратно стандартній в 3G- системах (WCDMA із смугою каналу 5 МГц) частоті обробки 3,84 МГц ( 8 × 3,84 = 30,72 ). Рис. 1.5 Структура кадру LTE при частотному поділі дуплексних каналів Стандарт LTE передбачає два типи радіокадров. Тип 1 призначений для частотного дуплексування - як для повного дуплексу, так і для напівдуплексу. Такий кадр складається з 20 слотів (тривалістю 0,5 мс), нумерованих від 0 до 19. Два суміжних слота утворюють субкадр (рис. 1.5). При повнодуплексному режимі радіокадри у висхідному і низхідному каналах передаються паралельно, але з обумовленим в стандарті тимчасовим зсувом. Рис.1.6 Структура кадру LTE при тимчасовому поділі дуплексних каналів Радіокадр типу 2 (рис.1.6) призначений тільки для тимчасового дуплексування. Він складається з двох полів тривалістю по 5 мс. Кожен напівкадр включає 5 субкадрі тривалістю 1 мс. Стандарт передбачає два цикли тимчасового дуплексування - 5 і 10 мс. У першому випадку 1 -й і 6 -й субкадри ідентичні і містять службові поля DwPTS, UpPTS і захисний інтервал GP. При 10-мс циклі TDD 6 -й субкадр використовується для передачі даних в низхідному каналі. Субкадри 0 і 5, а також поле DwPTS завжди ставляться до низхідного каналу, а субкадр 2 і поле UpPTS - до висхідного. Розподіл решти субкадрі визначається (табл.1.1). Можливо кілька варіантів тривалості полів DwPTS, UpPTS і GP, але їх сума завжди дорівнює 1 мс. D – низхідний канал, U – висхідний канал, S – субкадр зі спеціальними полями. Таблица1.1 Розподіл субкадрі у радіокадрі типу 2. У LTE використовується модуляція OFDM, яка передбачає передачу широкосмугового сигналу за допомогою незалежної модуляції вузькосмугових піднесучих виду Sk (t) = ak • sin [2π (f0 + kΔf)], розташованих з певним кроком по частоті Δf. Один OFDM-символ містить набір модульованих піднесучих. У тимчасовій області OFDM-символ включає поле даних (корисна інформація) і так званий циклічний префікс CP (Cyclic Prefix) - повторно переданий фрагмент кінця попереднього символу (рис.1.7). Призначення префікса - боротьба з межсимвольною інтерференцією в приймачі внаслідок багатопроменевого поширення сигналу. Відбитий сигнал, що приходить із затримкою, потрапляє в зону префікса і не накладається на корисний сигнал. У LTE прийнятий стандартний крок між піднесучими Δf = 15 кГц, що відповідає тривалості OFDM - символу 66,7 мкс. Рис. 1.7 OFDM-символ з циклічним префіксом Кожному абонентському пристрою (АП) у кожному слоті призначається певний діапазон канальних ресурсів в частотно-часовій області (рис.8) - ресурсна сітка. Осередок ресурсної сітки - так званий ресурсний елемент - відповідає одній піднесучій в частотній області та одному OFDM-символу - в тимчасовій. Ресурсні елементи утворюють ресурсний блок - мінімальну інформаційну одиницю в каналі. Ресурсний блок займає 12 піднесучих (тобто 180 кГц) і 7 або 6 OFDM-символів, залежно від типу циклічного префікса (табл.1.2) - так, щоб загальна тривалість слота становила 0,5 мс. Число ресурсних блоків NRB у ресурсній сітці залежить від ширини смуги каналу і становить від 6 до 110 (ширина частотних смуг висхідного/низхідного каналів в LTE від 1,4 до 20 МГц). Ресурсний блок - це мінімальний ресурсний елемент, що виділяється абонентському пристрою планувальником базової станції. Про розподіл ресурсів у кожному слоті базова станція повідомляє в спеціальному керуючому каналі. Рис.1.8 Ресурсна сітка LTE при стандартному кроці піднесучих Δ f = 15 кГц Тривалість префіксу 4,7 мкс дозволяє боротися з затримкою відбитого сигналу, який пройшов шлях на 1,4 км більше, ніж прямо поширюючийся сигнал. Для систем стільникового зв'язку в умовах міста цього зазвичай цілком достатньо. Якщо ж ні використовується розширений префікс, що забезпечує придушення межсимвольної інтерференції в осередках радіусом до 120 км. Такі величезні осередки корисні для різного роду широкомовних сервісів (MBMS), таких як мобільне ТБ-мовлення. Для цих же режимів (тільки в низхідному каналі) передбачена особлива структура слоту, з кроком між піднесучими 7,5 кГц і циклічним префіксом 33,4 мкс. У слоті при цьому всього три OFDM - символи. Особливий випадок широкомовного сервісу представляє режим MBSFN (мультимедійний широкомовний сервіс для одночастотної мережі). У цьому режимі кілька БС в певній MBSFN-зоні одночасно і синхронно транслюють загальний широкомовний сигнал. Таблиця 1.2. Фізичний префікс в низхідному каналі при Δ f = 15 кГц Кожна піднесуча модулюється за допомогою 4 -, 16 - і 64 - позиційної квадратурної фазово- амлітудно модуляції (QPSK, 16 - QAM або 64 - QAM). Відповідно, один символ на одній піднесучій містить 2, 4 або 6 біт. При стандартному префіксі символьна швидкість складе 14000 символів/с, що відповідає, при FDDдуплексі, агрегатної швидкості від 28 до 84 кбіт/с на піднесучу. Сигнал з смугою 20 МГц містить 100 ресурсних блоків або 1200 піднесучих, що дає загальну агрегатну швидкість в каналі від 33,6 до 100,8 Мбіт/с. Специфікації LTE визначають декілька фіксованих значень для ширини висхідного і низхідного каналів між БС і АС (в мережах E - UTRA) (табл. 1.3). Оскільки в OFDM використовується швидке перетворення Фур'є (ШПФ), число формальних піднесучих для спрощення процедур цифрової обробки сигналу повинна бути кратна N = 2n (тобто 128, 256,..., 2048). При цьому частота вибірок повинна становити Fs = Δf • N. При заданих в стандарті значеннях вона виявляється кратною 3,84 МГц - стандартній частоті вибірок в технології WCDMA. Це дуже зручно для створення багатомодових пристроїв, що підтримують як WCDMA, так і LTE. Зрозуміло, при формуванні сигналу амплітуди «зайвих» піднесучих (включаючи центральну піднесучу каналу) вважаються рівними нулю. Таблиця 1.3.Параметри каналу передачі між БС і АУ Основні параметри технології LTE: Технологія множинного доступу: - прямий канал (Dowlink – DL) – OFDMA; - зворотній канал (Uplink – UL) – SC – FDMA. Робочій діапазон частот: 450 МГц; 700МГц; 800МГц; 1800 МГц; 2,1 ГГц; 2,4 – ГГц; 2,6 – 2,7 ГГц. Бітова швидкість: - прямий канал (DL) MIMO 2TX*2RX: 50 – 100 – 300 Мбит/с; - зворотній канал (UL): 10 – 50 – 172,8 Мбит/с. Ширина полоси радіоканалу: 1,4 – 20 МГц. Радіус осередку: 5 – 30 км. Ємність осередку (кількість обслуговуючих абонентів: - більше 200 користувачів при полосі 5 МГц; - більше 400 користувачів при полосі більше 5 МГц. Мобільність: швидкість пересування до 250 км/год. Параметри МІМО: - прямий канал (DL) 2TX*2RX, 4TX*4RX; - зворотній канал (UL)2TX*2RX. Значення затримки: 5 мс. Спектральна ефективність: 5 біт/ сек/ Гц. Типи модуляції: - прямий канал (DL): 64 QAM, QPSK, 16 QAM - зворотній канал (UL): QPSK, 16 QAM Дуплексне розділення каналів: FDD, TDD. 2,5