Architektura LTE

1. Ewolucja architektury sieci komórkowych

Architektura LTE powstała w wyniku przejścia sieci komórkowych od usług nastawionych na głos do transmisji pakietowej. Każda generacja zwiększała możliwości i zmieniała sposób komunikacji, a pojawienie się smartfonów uczyniło bezpośrednią i wydajną ścieżkę danych ważniejszą niż kolejne ulepszenie systemu głosowego.

Od głosu do danych: ewolucja usług

• Pierwsza generacja (1G): Analogowe systemy głosowe. Ograniczały się do połączeń głosowych, miały słabe zabezpieczenia i niejednolitą jakość.
• Druga generacja (2G): Cyfrowe usługi głosowe i dane. Technologie takie jak GSM wprowadziły cyfrowe połączenia głosowe, które były czystsze i bezpieczniejsze. 2G przyniosło również pierwsze mobilne usługi danych, takie jak SMS (wiadomości tekstowe), a później GPRS i EDGE, które oferowały niską przepływność wystarczającą do podstawowych e-maili tekstowych lub prostych stron internetowych.
• Trzecia generacja (3G): Rozwój mobilnego dostępu do internetu. Dzięki standardom takim jak UMTS, sieć 3G została zaprojektowana w celu zapewnienia szybszych prędkości danych, co po raz pierwszy umożliwiło mobilne przeglądanie internetu, rozmowy wideo i streaming muzyki. Architektura 3G była jednak złożona. Była to ewolucja systemu 2G, próbująca dodać możliwości szybkiej transmisji danych do sieci pierwotnie zaprojektowanej do rozmów głosowych. Prowadziło to do wyższych opóźnień i nieefektywności, które stały się wąskim gardłem, gdy zapotrzebowanie na dane mobilne gwałtownie wzrosło wraz z pojawieniem się smartfonów.

Cele LTE (Long Term Evolution)

Projektanci LTE potraktowali transmisję danych jako podstawowe wymaganie. Aplikacje, streaming wideo, gry online i usługi interaktywne potrzebowały sieci szybkiej, responsywnej i wydajnej. Odpowiedzią była przebudowana architektura nazwana Long Term Evolution, czyli LTE, zaprojektowana jako długofalowy rozwój pakietowej komunikacji mobilnej.

• Wyższe Prędkości Danych: Znaczący wzrost prędkości pobierania i wysyłania, aby wspierać wideo w wysokiej rozdzielczości i szybkie transfery plików.
• Niższe Opóźnienia (Latency): Zmniejszenie opóźnienia między akcją użytkownika (np. kliknięciem linku) a odpowiedzią sieci. Jest to kluczowe dla aplikacji czasu rzeczywistego, takich jak gry online i VoIP.
• Sieć All-IP: Jedną z głównych zmian architektonicznych było zaprojektowanie LTE od podstaw jako sieć All-IP. Starsze systemy miały oddzielne ścieżki dla głosu i danych. Model pakietowy upraszcza sieć, zmniejsza koszty i poprawia wydajność.
• Spłaszczona Architektura: Zmniejszenie liczby węzłów sieciowych, przez które muszą przechodzić dane, co pomaga obniżyć opóźnienia i koszty operacyjne.

2. Podział LTE na E-UTRAN i EPC

Architektura LTE jest logicznie podzielona na dwie główne części. E-UTRAN obsługuje połączenie radiowe z UE, a EPC przetwarzanie, trasowanie i zarządzanie sesją danych. Domeny wymieniają ruch sterowania i płaszczyzny użytkownika przez standaryzowane interfejsy, co pozwala niezależnie rozwijać ich zadania.

1. E-UTRAN (Evolved UTRAN): Radiowa Sieć Dostępowa.

   Ta część sieci obsługuje połączenie radiowe z UE. W podstawowej architekturze LTE jej głównym i jedynym typem węzła jest eNodeB. Litera 'E' oznacza 'Evolved' (rozwinięty), wskazując na związek z 'UTRAN' używanym przez 3G UMTS.

2. EPC (Evolved Packet Core): Sieć Rdzeniowa.

   EPC odpowiada za zarządzanie abonentem, trasowanie pakietów danych do i z internetu, zapewnienie jakości usług oraz obsługę mobilności użytkownika. MME i HSS realizują funkcje sterowania i obsługi abonenta, SGW kotwiczy mobilność płaszczyzny użytkownika, a PGW łączy sieć z zewnętrznymi sieciami pakietowymi. Jest to w pełni pakietowa sieć rdzeniowa typu All-IP.

Ten podział pozwala operatorom sieci na niezależny rozwój części radiowej (E-UTRAN) i części rdzeniowej (EPC). Na przykład mogą wprowadzać nowe technologie radiowe bez konieczności całkowitej wymiany sieci rdzeniowej. Modułowość jest elementem modelu architektury LTE.

3. E-UTRAN i funkcje eNodeB

E-UTRAN ma względnie płaską architekturę. W przeciwieństwie do systemów 2G i 3G, które rozdzielały stacje bazowe (BTS/NodeB) i kontrolery stacji bazowych (BSC/RNC), E-UTRAN umieszcza odpowiadające im funkcje sterowania radiowego w eNodeB.

eNodeB (Evolved Node B)

eNodeB jest węzłem dostępu radiowego E-UTRAN. Zarządza interfejsem radiowym bezpośrednio z UE oraz kończy po stronie sieci protokoły płaszczyzny użytkownika i sterowania E-UTRA. W płaszczyźnie użytkownika są to PDCP, RLC, MAC i PHY, a RRC przenosi sterowanie radiowe.

Kluczowe obowiązki eNodeB obejmują:

• Zarządzanie Zasobami Radiowymi (RRM): eNodeB ma pełną kontrolę nad zasobami radiowymi. Decyduje, które częstotliwości i szczeliny czasowe przydzielić każdemu użytkownikowi, zarządza interferencjami między użytkownikami i podejmuje decyzje o przełączeniach (handover), gdy użytkownik przemieszcza się z jednej komórki do drugiej.
• Kontrola Nośników Radiowych: Ustanawia, utrzymuje i zwalnia połączenia radiowe, które przenoszą dane użytkownika.
• Kompresja Nagłówków: Aby efektywniej wykorzystać cenne spektrum radiowe, eNodeB kompresuje nagłówki pakietów IP przed wysłaniem ich drogą radiową.
• Szyfrowanie/Deszyfrowanie: Szyfruje i deszyfruje dane użytkownika, aby zapewnić prywatność i bezpieczeństwo komunikacji przez interfejs radiowy.
• Przekazywanie danych użytkownika: eNodeB przekazuje pakiety przeznaczone do internetu przez interfejs S1-U w kierunku Bramy Serwującej (SGW) w EPC.

Przeniesienie funkcji sterowania radiowego do eNodeB usuwa dodatkowy przeskok przez kontroler używany w 3G. Krótsza ścieżka przyczynia się do mniejszych opóźnień LTE, chociaż na opóźnienie końcowe wpływają także transport, planowanie i przetwarzanie w sieci rdzeniowej.

4. Węzły Evolved Packet Core (EPC)

EPC jest pakietową siecią rdzeniową LTE. Obsługuje dostęp abonenta, sterowanie sesją, mobilność, polityki, taryfikację i przekazywanie ruchu poza połączeniem radiowym. Jej główne węzły dzielą te zadania między płaszczyznę sterowania i płaszczyznę użytkownika.

5. Interfejsy i protokoły LTE

Komunikacja między tymi różnymi komponentami sieci jest zdefiniowana przez standardowe interfejsy. Każdy interfejs ma swoją specyficzną nazwę i używa określonych protokołów do wymiany informacji.

• Interfejs Uu: Interfejs radiowy (powietrzny) między Urządzeniem Użytkownika (UE) a eNodeB. To tutaj używane są protokoły radiowe, takie jak OFDMA i SC-FDMA.
• Interfejs S1: Ten interfejs łączy E-UTRAN z EPC. Jest podzielony na dwie logiczne części:
  • S1-MME: Interfejs płaszczyzny sterowania między eNodeB a MME dla wiadomości sygnalizacyjnych.
  • S1-U: Interfejs płaszczyzny użytkownika między eNodeB a SGW do przenoszenia pakietów danych użytkownika. Ten rozdział sterowania od danych użytkownika jest kluczową zasadą projektową.
• Interfejs X2: Interfejs łączący eNodeB bezpośrednio ze sobą. W przełączeniu opartym na X2 źródłowy eNodeB może wymieniać sygnalizację i przekazywać dane płaszczyzny użytkownika do docelowego eNodeB przez X2, a węzły rdzeniowe zachowują kontekst sesji. Skraca to ścieżkę przełączenia i pomaga ograniczyć przerwę oraz utratę pakietów.
• Interfejs S6a: Łączy MME z HSS. Używa protokołu Diameter, aby umożliwić MME pobieranie danych abonenta w celu uwierzytelnienia i autoryzacji.
• Interfejs S11: Interfejs płaszczyzny sterowania między MME a SGW. Służy do zarządzania nośnikami i sesjami.
• Interfejs S5/S8: Łączy SGW i PGW. Przenosi dane płaszczyzny użytkownika oraz część sygnalizacji sterującej związanej z zarządzaniem nośnikami. Interfejs nazywa się S5, gdy obie bramy znajdują się w sieci tego samego operatora (sieć macierzysta). Nazywa się S8, gdy użytkownik jest w roamingu, łącząc SGW w sieci odwiedzanej z PGW w sieci macierzystej użytkownika.
• Interfejs SGi: Interfejs między PGW a zewnętrznymi sieciami danych pakietowych, takimi jak publiczny internet. Jest to ostateczna brama dla ruchu użytkownika.