Architektura LTE

Architektura systemu Long Term Evolution i stos protoko艂贸w.

1. Droga do LTE: Dlaczego Potrzebna By艂a Nowa Architektura

Zanim zag艂臋bimy si臋 w techniczne szczeg贸艂y architektury LTE, kluczowe jest zrozumienie ewolucji komunikacji mobilnej, kt贸ra doprowadzi艂a do jej powstania. Sieci kom贸rkowe ewoluowa艂y przez kilka generacji, z kt贸rych ka偶da stanowi艂a znacz膮cy skok technologiczny i fundamentalnie zmienia艂a spos贸b, w jaki si臋 komunikujemy. Ta ewolucja nie dotyczy艂a tylko ulepszania po艂膮cze艅 g艂osowych; chodzi艂o o przekszta艂cenie telefonu kom贸rkowego w pot臋偶ne urz膮dzenie do transmisji danych.

Od G艂osu do Danych: Zmiana Pokoleniowa

  • Pierwsza Generacja (1G): Era analogowego g艂osu. By艂y to pierwsze prawdziwe telefony kom贸rkowe, ale ogranicza艂y si臋 do po艂膮cze艅 g艂osowych, mia艂y s艂abe zabezpieczenia i niesp贸jn膮 jako艣膰.
  • Druga Generacja (2G): Cyfrowa rewolucja. Technologie takie jak GSM wprowadzi艂y cyfrowe po艂膮czenia g艂osowe, kt贸re by艂y czystsze i bezpieczniejsze. 2G przynios艂o nam r贸wnie偶 pierwsze mobilne us艂ugi danych, takie jak SMS (wiadomo艣ci tekstowe), a p贸藕niej GPRS i EDGE, kt贸re oferowa艂y bardzo wolny dost臋p do internetu, wystarczaj膮cy do podstawowych e-maili tekstowych lub prostych stron internetowych.
  • Trzecia Generacja (3G): 艢wit mobilnego internetu. Dzi臋ki standardom takim jak UMTS, sie膰 3G zosta艂a zaprojektowana w celu zapewnienia szybszych pr臋dko艣ci danych, co po raz pierwszy umo偶liwi艂o mobilne przegl膮danie internetu, rozmowy wideo i streaming muzyki. Architektura 3G by艂a jednak z艂o偶ona. By艂a to ewolucja systemu 2G, pr贸buj膮ca zaszczepi膰 mo偶liwo艣ci szybkiej transmisji danych na sieci pierwotnie zaprojektowanej do rozm贸w g艂osowych. Prowadzi艂o to do wy偶szych op贸藕nie艅 i nieefektywno艣ci, kt贸re sta艂y si臋 w膮skim gard艂em, gdy zapotrzebowanie na dane mobilne eksplodowa艂o wraz z pojawieniem si臋 smartfon贸w.

Cele LTE (Long Term Evolution)

Projektanci czwartej generacji (4G) sieci kom贸rkowych dostrzegli ograniczenia 3G. G艂贸wnym celem nie by艂 ju偶 tylko g艂os; by艂y nim dane. Przysz艂o艣膰 nale偶a艂a do aplikacji, streamingu wideo, gier online i us艂ug wymagaj膮cych sieci, kt贸ra jest szybka, responsywna i wydajna. Aby to osi膮gn膮膰, konieczna by艂a ca艂kowita przebudowa architektury sieci. Ten nowy system nazwano D艂ugoterminow膮 Ewolucj膮, czyli LTE, co oznacza艂o, 偶e nie jest to tylko ma艂e ulepszenie, ale d艂ugoterminowa 艣cie偶ka rozwoju komunikacji mobilnej.

  • Wy偶sze Pr臋dko艣ci Danych: Znacz膮cy wzrost pr臋dko艣ci pobierania i wysy艂ania, aby wspiera膰 wideo w wysokiej rozdzielczo艣ci i szybkie transfery plik贸w.
  • Ni偶sze Op贸藕nienia (Latency): Zmniejszenie op贸藕nienia mi臋dzy akcj膮 u偶ytkownika (np. klikni臋ciem linku) a odpowiedzi膮 sieci. Jest to kluczowe dla aplikacji czasu rzeczywistego, takich jak gry online i VoIP.
  • Sie膰 All-IP: To by艂a najbardziej radykalna zmiana architektoniczna. W przeciwie艅stwie do starszych system贸w, kt贸re mia艂y oddzielne 艣cie偶ki dla g艂osu i danych, LTE zosta艂o zaprojektowane od podstaw jako . To upraszcza sie膰, zmniejsza koszty i poprawia wydajno艣膰.
  • Sp艂aszczona Architektura: Zmniejszenie liczby w臋z艂贸w sieciowych, przez kt贸re musz膮 przechodzi膰 dane, co pomaga obni偶y膰 op贸藕nienia i koszty operacyjne.

2. Og贸lna Architektura LTE: System Dwucz臋艣ciowy

Architektura LTE jest logicznie podzielona na dwie g艂贸wne cz臋艣ci. Ten podzia艂 jest kluczem do jej prostoty i wydajno艣ci. W zgrabny spos贸b dzieli sie膰 na cz臋艣膰 obs艂uguj膮c膮 po艂膮czenie radiowe z telefonem oraz cz臋艣膰 obs艂uguj膮c膮 przetwarzanie, trasowanie i zarz膮dzanie danymi.

  1. E-UTRAN (Evolved UTRAN): Radiowa Sie膰 Dost臋powa.

    Jest to cz臋艣膰 sieci odpowiedzialna za wszystko, co zwi膮zane z po艂膮czeniem radiowym. Sk艂ada si臋 ze stacji bazowych, kt贸re widzimy wok贸艂 siebie. Jej g艂贸wnym i jedynym komponentem jest eNodeB. Litera 'E' oznacza 'Evolved' (rozwini臋ty), podkre艣laj膮c jej post臋p w stosunku do 'UTRAN' z systemu 3G UMTS.

  2. EPC (Evolved Packet Core): Sie膰 Rdzeniowa.

    Jest to m贸zg i system nerwowy sieci kom贸rkowej. EPC odpowiada za zarz膮dzanie abonentem, trasowanie pakiet贸w danych do i z internetu, zapewnienie jako艣ci us艂ug oraz obs艂ug臋 mobilno艣ci u偶ytkownika. Jest to w pe艂ni pakietowa sie膰 rdzeniowa typu All-IP.

Ten podzia艂 pozwala operatorom sieci na niezale偶ny rozw贸j cz臋艣ci radiowej (E-UTRAN) i cz臋艣ci rdzeniowej (EPC). Na przyk艂ad mog膮 wprowadza膰 nowe technologie radiowe bez konieczno艣ci ca艂kowitej wymiany sieci rdzeniowej. Ta modu艂owo艣膰 jest fundamentem filozofii projektowej LTE.

3. Szczeg贸艂owe Spojrzenie na E-UTRAN: eNodeB

E-UTRAN ma niezwykle prost膮, "sp艂aszczon膮" architektur臋. W przeciwie艅stwie do swoich poprzednik贸w 2G i 3G, kt贸re mia艂y oddzielne stacje bazowe (BTS/NodeB) i kontrolery stacji bazowych (BSC/RNC), E-UTRAN 艂膮czy te funkcje w jedn膮 ca艂o艣膰: eNodeB.

eNodeB (Evolved Node B)

eNodeB, cz臋sto nazywany po prostu stacj膮 bazow膮, jest jedynym komponentem E-UTRAN. Jest to inteligentna stacja bazowa, kt贸ra zarz膮dza interfejsem radiowym bezpo艣rednio z urz膮dzeniem u偶ytkownika.

Kluczowe obowi膮zki eNodeB obejmuj膮:

  • Zarz膮dzanie Zasobami Radiowymi (RRM): eNodeB ma pe艂n膮 kontrol臋 nad zasobami radiowymi. Decyduje, kt贸re cz臋stotliwo艣ci i szczeliny czasowe przydzieli膰 ka偶demu u偶ytkownikowi, zarz膮dza interferencjami mi臋dzy u偶ytkownikami i podejmuje decyzje o , gdy u偶ytkownik przemieszcza si臋 z jednej kom贸rki do drugiej.
  • Kontrola No艣nik贸w Radiowych: Ustanawia, utrzymuje i zwalnia po艂膮czenia radiowe, kt贸re przenosz膮 dane u偶ytkownika.
  • Kompresja Nag艂贸wk贸w: Aby efektywniej wykorzysta膰 cenne spektrum radiowe, eNodeB kompresuje nag艂贸wki pakiet贸w IP przed wys艂aniem ich drog膮 radiow膮.
  • Szyfrowanie/Deszyfrowanie: Szyfruje i deszyfruje dane u偶ytkownika, aby zapewni膰 prywatno艣膰 i bezpiecze艅stwo komunikacji przez interfejs radiowy.
  • Trasowanie Danych U偶ytkownika: eNodeB dzia艂a jako pierwszy router dla danych u偶ytkownika, przekazuj膮c pakiety przeznaczone do internetu w kierunku Bramy Serwuj膮cej (SGW) w EPC.

Ta sp艂aszczona architektura, z inteligencj膮 przeniesion膮 do eNodeB na skraj sieci, jest g艂贸wnym powodem niskich op贸藕nie艅 w LTE. Pakiety danych nie musz膮 przechodzi膰 przez po艣redni kontroler (jak RNC w 3G), co skutkuje szybsz膮 i bardziej bezpo艣redni膮 艣cie偶k膮.

4. Szczeg贸艂owe Spojrzenie na Evolved Packet Core (EPC)

EPC jest sercem systemu LTE. Jest to solidna i skalowalna sie膰 rdzeniowa, kt贸ra obs艂uguje wszystkie krytyczne funkcje wykraczaj膮ce poza po艂膮czenie radiowe. Przyjrzyjmy si臋 jej g艂贸wnym komponentom.

MME (Mobility Management Entity)

MME to g艂贸wny w臋ze艂 steruj膮cy w EPC. Sam nie obs艂uguje 偶adnych danych u偶ytkownika; jego rola jest czysto sygnalizacyjna i zarz膮dcza. Jest jak m贸zg operacji, podejmuj膮cy decyzje i zarz膮dzaj膮cy sesjami.

  • Zarz膮dzanie Sesj膮: Obs艂uguje procesy do艂膮czania i od艂膮czania urz膮dzenia u偶ytkownika do i z sieci.
  • Zarz膮dzanie No艣nikami: Odpowiada za aktywacj臋, dezaktywacj臋 i zarz膮dzanie "kana艂ami danych" czyli , kt贸re przenosz膮 ruch u偶ytkownika.
  • Zarz膮dzanie Obszarem 艢ledzenia: 艢ledzi lokalizacj臋 urz膮dze艅 w stanie bezczynno艣ci, aby efektywnie je przywo艂ywa膰 w przypadku nadchodz膮cego po艂膮czenia lub danych.
  • Uwierzytelnianie i Bezpiecze艅stwo: MME komunikuje si臋 z HSS w celu uwierzytelnienia u偶ytkownika i ustanowienia kluczy bezpiecze艅stwa dla komunikacji.
  • Wyb贸r Bram: Gdy u偶ytkownik do艂膮cza do sieci, MME wybiera dla niego odpowiedni膮 Bram臋 Serwuj膮c膮 (SGW) i Bram臋 Sieci Danych Pakietowych (PGW).

SGW (Serving Gateway)

SGW jest punktem zakotwiczenia dla p艂aszczyzny u偶ytkownika podczas prze艂膮cze艅 mi臋dzy eNodeB. Wszystkie pakiety IP u偶ytkownika s膮 trasowane przez SGW.

  • Trasowanie i Przekazywanie Pakiet贸w: Trasuje i przekazuje pakiety danych mi臋dzy E-UTRAN (eNodeB) a PGW.
  • Kotwica Mobilno艣ci: Gdy przemieszczasz si臋 mi臋dzy stacjami bazowymi zarz膮dzanymi przez to samo SGW, SGW dzia艂a jako stabilna kotwica dla twojej sesji danych, zapewniaj膮c p艂ynne prze艂膮czenie bez przerw. Jest r贸wnie偶 kotwic膮 mobilno艣ci podczas prze艂膮cze艅 do innych technologii, jak 2G/3G.
  • Buforowanie: Podczas procedur przywo艂ywania (paging), gdy urz膮dzenie jest w stanie bezczynno艣ci, SGW buforuje wszelkie nadchodz膮ce pakiety danych dla u偶ytkownika, dop贸ki urz膮dzenie nie zostanie zlokalizowane i aktywowane.

PGW (Packet Data Network Gateway)

PGW to most pomi臋dzy sieci膮 LTE a zewn臋trznymi sieciami danych pakietowych, przede wszystkim publicznym internetem. Jest to punkt wej艣cia i wyj艣cia dla wszystkich danych u偶ytkownika.

  • Alokacja Adresu IP: PGW jest odpowiedzialne za przydzielenie adresu IP urz膮dzeniu u偶ytkownika. Ten jest u偶ywany przez urz膮dzenie do komunikacji w internecie.
  • Egzekwowanie Polityk: Egzekwuje regu艂y polityki dostarczane przez PCRF. Obejmuje to zarz膮dzanie Jako艣ci膮 Us艂ug (QoS), zapewniaj膮c, 偶e r贸偶ne typy ruchu otrzymuj膮 potrzebny im priorytet.
  • Filtrowanie Pakiet贸w: Mo偶e wykonywa膰 g艂臋bok膮 inspekcj臋 pakiet贸w dla us艂ug takich jak skanowanie antywirusowe czy filtrowanie tre艣ci.
  • Wsparcie dla Taryfikacji: Gromadzi dane taryfikacyjne (np. ilo艣膰 zu偶ytych danych) i wysy艂a je do systemu bilingowego.

HSS (Home Subscriber Server)

HSS to g艂贸wna baza danych dla wszystkich informacji o abonentach. Jest to centralne repozytorium przechowuj膮ce wszystkie niezb臋dne dane o u偶ytkownikach sieci.

  • Dane Abonenta: Zawiera profil u偶ytkownika, w tym jego unikalne identyfikatory, takie jak .
  • Informacje Uwierzytelniaj膮ce: Przechowuje klucze bezpiecze艅stwa i wektory uwierzytelniaj膮ce u偶ywane do weryfikacji to偶samo艣ci u偶ytkownika.
  • Informacje o Lokalizacji: 艢ledzi, w kt贸rym MME u偶ytkownik jest aktualnie zarejestrowany, co pozwala sieci go odnale藕膰.
  • Profile Us艂ug: Zawiera informacje o us艂ugach, na kt贸re u偶ytkownik ma subskrypcj臋 (np. limity danych, ustawienia przekierowania po艂膮cze艅).

PCRF (Policy and Charging Rules Function)

PCRF to cz臋艣膰 sieci, kt贸ra podejmuje decyzje dotycz膮ce polityki i ustala regu艂y taryfikacji. Jest to inteligencja umo偶liwiaj膮ca r贸偶nicowanie us艂ug i oferowanie zr贸偶nicowanych plan贸w danych.

  • Polityka QoS: Decyduje o Jako艣ci Us艂ugi (QoS) dla ka偶dego przep艂ywu danych na podstawie subskrypcji u偶ytkownika, u偶ywanej aplikacji i aktualnych warunk贸w sieciowych. Na przyk艂ad mo偶e priorytetyzowa膰 po艂膮czenie VoIP nad pobieraniem pliku w tle.
  • Regu艂y Taryfikacji: Okre艣la, jak zu偶ycie danych przez u偶ytkownika powinno by膰 rozliczane (np. za megabajt, sta艂a op艂ata, zerowa op艂ata za niekt贸re us艂ugi).
  • Taryfikacja oparta na przep艂ywie: PCRF umo偶liwia operatorom r贸偶nicowanie op艂at za r贸偶ne typy danych, na przyk艂ad pobieraj膮c wy偶sz膮 op艂at臋 za streaming wideo ni偶 za proste przegl膮danie stron internetowych.

5. Interfejsy i Protoko艂y: Jak Komponenty Si臋 Komunikuj膮

Komunikacja mi臋dzy tymi r贸偶nymi komponentami sieci jest zdefiniowana przez standardowe interfejsy. Ka偶dy interfejs ma swoj膮 specyficzn膮 nazw臋 i u偶ywa okre艣lonych protoko艂贸w do wymiany informacji.

  • Interfejs Uu: Interfejs radiowy (powietrzny) mi臋dzy Urz膮dzeniem U偶ytkownika (UE) a eNodeB. To tutaj u偶ywane s膮 protoko艂y radiowe, takie jak OFDMA i SC-FDMA.
  • Interfejs S1: Ten interfejs 艂膮czy E-UTRAN z EPC. Jest podzielony na dwie logiczne cz臋艣ci:
    • S1-MME: Interfejs p艂aszczyzny sterowania mi臋dzy eNodeB a MME dla wiadomo艣ci sygnalizacyjnych.
    • S1-U: Interfejs p艂aszczyzny u偶ytkownika mi臋dzy eNodeB a SGW do przenoszenia pakiet贸w danych u偶ytkownika. Ten rozdzia艂 sterowania od danych u偶ytkownika jest kluczow膮 zasad膮 projektow膮.
  • Interfejs X2: Interfejs 艂膮cz膮cy eNodeB bezpo艣rednio ze sob膮. Istnienie interfejsu X2 jest kluczowe dla szybkich i wydajnych prze艂膮cze艅 (handover). Gdy u偶ytkownik si臋 przemieszcza, 藕r贸d艂owy eNodeB mo偶e bezpo艣rednio przekaza膰 dane i informacje sygnalizacyjne do docelowego eNodeB przez interfejs X2, bez anga偶owania sieci rdzeniowej (MME/SGW), co minimalizuje op贸藕nienia i zapobiega utracie pakiet贸w podczas prze艂膮czenia.
  • Interfejs S6a: 艁膮czy MME z HSS. U偶ywa protoko艂u Diameter, aby umo偶liwi膰 MME pobieranie danych abonenta w celu uwierzytelnienia i autoryzacji.
  • Interfejs S11: Interfejs p艂aszczyzny sterowania mi臋dzy MME a SGW. S艂u偶y do zarz膮dzania no艣nikami i sesjami.
  • Interfejs S5/S8: 艁膮czy SGW i PGW. Przenosi dane p艂aszczyzny u偶ytkownika oraz cz臋艣膰 sygnalizacji steruj膮cej zwi膮zanej z zarz膮dzaniem no艣nikami. Interfejs nazywa si臋 S5, gdy obie bramy znajduj膮 si臋 w sieci tego samego operatora (sie膰 macierzysta). Nazywa si臋 S8, gdy u偶ytkownik jest w roamingu, 艂膮cz膮c SGW w sieci odwiedzanej z PGW w sieci macierzystej u偶ytkownika.
  • Interfejs SGi: Interfejs mi臋dzy PGW a zewn臋trznymi sieciami danych pakietowych, takimi jak publiczny internet. Jest to ostateczna brama dla ruchu u偶ytkownika.
    Architektura LTE | Teleinf Edu