Stos Protoko艂贸w LTE

Warstwy protoko艂贸w p艂aszczyzny u偶ytkownika i sterowania w LTE.

1. J臋zyk Sieci: Zrozumienie Protoko艂贸w i Warstw

Zanim b臋dziemy mogli zrozumie膰 konkretny "stos" protoko艂贸w u偶ywanych w LTE, musimy najpierw zrozumie膰, czym jest protok贸艂 i dlaczego systemy komunikacyjne s膮 zorganizowane w warstwy. W swej istocie to po prostu zbi贸r zasad komunikacji. Tak jak ludzie u偶ywaj膮 zasad gramatycznych i wsp贸lnego s艂ownictwa, aby si臋 wzajemnie zrozumie膰, tak urz膮dzenia sieciowe u偶ywaj膮 protoko艂贸w, aby zapewni膰, 偶e dane wys艂ane z jednego punktu mog膮 by膰 poprawnie odebrane i zinterpretowane przez inny.

Dlaczego Stosowa膰 Architektur臋 Warstwow膮? Stos Protok贸艂贸w

Jeden, monolityczny protok贸艂 do zarz膮dzania ka偶dym aspektem komunikacji, od fal radiowych po dane aplikacji, by艂by niewiarygodnie z艂o偶ony i niemo偶liwy do zarz膮dzania. Zamiast tego, nowoczesne sieci wykorzystuj膮 architektur臋 warstwow膮, cz臋sto nazywan膮 stosem protoko艂贸w. Takie podej艣cie dzieli ogromne wyzwanie komunikacji na seri臋 mniejszych, bardziej zarz膮dzalnych problem贸w, gdzie ka偶da warstwa jest odpowiedzialna za okre艣lony zestaw zada艅.

Ka偶da warstwa w stosie 艣wiadczy us艂ugi dla warstwy znajduj膮cej si臋 bezpo艣rednio nad ni膮 i korzysta z us艂ug warstwy znajduj膮cej si臋 bezpo艣rednio pod ni膮. Tworzy to modu艂owy i elastyczny system z kilkoma kluczowymi zaletami:

  • Prostota i Modu艂owo艣膰: Ka偶d膮 warstw臋 mo偶na projektowa膰 i aktualizowa膰 niezale偶nie, bez wp艂ywu na pozosta艂e. Na przyk艂ad in偶ynierowie mog膮 ulepszy膰 fizyczn膮 technologi臋 radiow膮 (Warstwa 1) bez konieczno艣ci przepisywania oprogramowania zarz膮dzaj膮cego przegl膮daniem stron internetowych (Warstwa 7).
  • Standaryzacja: Podzia艂 na warstwy pozwala na tworzenie jasnych standard贸w dla ka偶dej funkcji. Oznacza to, 偶e sprz臋t od r贸偶nych producent贸w mo偶e bezproblemowo ze sob膮 wsp贸艂pracowa膰, o ile przestrzega tych samych zasad protoko艂贸w dla ka偶dej warstwy.
  • Rozwi膮zywanie Problem贸w: Gdy wyst膮pi problem, mo偶na go wyizolowa膰 w okre艣lonej warstwie, co znacznie u艂atwia diagnoz臋 i napraw臋.

2. Dwa 艢wiaty LTE: P艂aszczyzna U偶ytkownika i P艂aszczyzna Sterowania

Kluczow膮 koncepcj膮 w architekturze LTE jest 艣cis艂e oddzielenie stosu protoko艂贸w na dwie odr臋bne "p艂aszczyzny". Ten podzia艂 optymalizuje sie膰 poprzez oddzielenie faktycznego przep艂ywu danych od wiadomo艣ci sygnalizacyjnych i zarz膮dczych, kt贸re kontroluj膮 sie膰.

P艂aszczyzna U偶ytkownika (U-Plane)

Pomy艣l o P艂aszczy藕nie U偶ytkownika jak o autostradzie dla danych. Jej jedynym zadaniem jest transportowanie faktycznych pakiet贸w danych u偶ytkownika (pakiet贸w IP) tak szybko i wydajnie, jak to mo偶liwe. T膮 艣cie偶k膮 podr贸偶uje Tw贸j strumie艅 wideo, strony internetowe i pobierane pliki. Protoko艂y w tej p艂aszczy藕nie s膮 zoptymalizowane pod k膮tem wysokiej przepustowo艣ci, niskich op贸藕nie艅 i efektywnego przetwarzania danych. P艂aszczyzna U偶ytkownika zajmuje si臋 tym, "co" wysy艂asz.

P艂aszczyzna Sterowania (C-Plane)

Je艣li P艂aszczyzna U偶ytkownika to autostrada, to P艂aszczyzna Sterowania jest ca艂ym systemem zarz膮dzania ruchem. Odpowiada za ustanawianie, utrzymywanie i zrywanie autostrady dla danych. Obs艂uguje wszystkie wiadomo艣ci sygnalizacyjne potrzebne do zarz膮dzania po艂膮czeniem, takie jak ustanawianie 艂膮cza radiowego, uwierzytelnianie u偶ytkownika, zarz膮dzanie mobilno艣ci膮 (prze艂膮czenia) i ustanawianie no艣nik贸w danych. T膮 drog膮 nie podr贸偶uj膮 偶adne dane u偶ytkownika, a jedynie instrukcje zarz膮dzania sieci膮. P艂aszczyzna Sterowania zajmuje si臋 tym, "jak" i "gdzie" Twoje dane powinny by膰 wysy艂ane.

Ten podzia艂 zapewnia, 偶e gwa艂towny wzrost liczby wiadomo艣ci sygnalizacyjnych (na przyk艂ad, gdy wielu u偶ytkownik贸w 艂膮czy si臋 z kom贸rk膮 naraz) nie spowalnia faktycznego przep艂ywu danych dla ju偶 po艂膮czonych u偶ytkownik贸w, i odwrotnie. Jest to kamie艅 w臋gielny solidnej i wydajnej konstrukcji LTE.

3. Stos Protok贸艂贸w P艂aszczyzny U偶ytkownika w LTE

Stos P艂aszczyzny U偶ytkownika zosta艂 zaprojektowany z my艣l膮 o szybko艣ci i wydajno艣ci. Jest to uproszczony zestaw protoko艂贸w, kt贸ry przygotowuje pakiety IP u偶ytkownika do podr贸偶y przez fale radiowe. Przeanalizujmy warstwy od do艂u do g贸ry.

Warstwa 1: PHY (Warstwa Fizyczna)

Jest to najni偶sza warstwa, odpowiedzialna za faktyczn膮 transmisj臋 i odbi贸r surowych bit贸w przez interfejs radiowy. Pobiera dane przygotowane przez wy偶sze warstwy i przekszta艂ca je w fale radiowe.

  • Funkcje: Modulacja i demodulacja (np. QPSK, 16-QAM, 64-QAM), kodowanie kana艂owe w celu korekcji b艂臋d贸w (FEC - Forward Error Correction) oraz implementacja schemat贸w transmisyjnych OFDMA (downlink) i SC-FDMA (uplink).
  • W skr贸cie: Warstwa PHY to sprz臋t i przetwarzanie sygna艂贸w, kt贸re fizycznie umo偶liwiaj膮 komunikacj臋 bezprzewodow膮. Zajmuje si臋 cz臋stotliwo艣ciami, poziomami mocy i taktowaniem.

Warstwa 2: Warstwa 艁膮cza Danych (Podzielona)

W LTE Warstwa 2 jest bardziej z艂o偶ona i podzielona na trzy odr臋bne podwarstwy, z kt贸rych ka偶da ma specyficzne zadania: MAC, RLC i PDCP.

Podwarstwa MAC (Medium Access Control)

Warstwa MAC dzia艂a jak g艂贸wny kontroler ruchu dla interfejsu powietrznego. Zarz膮dza tym, kt贸rzy u偶ytkownicy mog膮 nadawa膰 i kiedy.

  • Planowanie (Scheduling): Scheduler MAC w eNodeB jest jednym z najwa偶niejszych komponent贸w ca艂ego systemu LTE. Dynamicznie przydziela zasoby radiowe (bloki podno艣nych i szczelin czasowych) r贸偶nym u偶ytkownikom w oparciu o ich zapotrzebowanie na dane, wymagania QoS i aktualne warunki radiowe.
  • Hybrid ARQ (HARQ): HARQ to bardzo szybki i wydajny mechanizm korekcji b艂臋d贸w. Je艣li pakiet odebrany drog膮 radiow膮 jest uszkodzony, proces HARQ w warstwie MAC natychmiast 偶膮da retransmisji od drugiej strony. Robienie tego na najni偶szej mo偶liwej warstwie jest znacznie szybsze ni偶 czekanie, a偶 protok贸艂 wy偶szej warstwy, taki jak TCP, zauwa偶y b艂膮d i za偶膮da retransmisji z serwera w internecie.
  • Multipleksowanie: Pobiera dane z r贸偶nych kana艂贸w logicznych (np. g艂os, wideo, przegl膮danie internetu dla tego samego u偶ytkownika) i 艂膮czy je w bloki transportowe do wys艂ania do Warstwy Fizycznej.

Podwarstwa RLC (Radio Link Control)

Warstwa RLC dzia艂a jako niezawodna us艂uga dostarczania danych dla warstw powy偶ej. Jej g艂贸wnym zadaniem jest obs艂uga segmentacji i reasemblacji oraz zapewnianie r贸偶nych poziom贸w niezawodno艣ci.

  • Segmentacja i Reasemblacja: Pakiet IP przychodz膮cy z g贸ry mo偶e by膰 zbyt du偶y, aby zmie艣ci膰 si臋 w jednym bloku transmisyjnym okre艣lonym przez warstw臋 MAC. Warstwa RLC tnie du偶y pakiet na mniejsze jednostki PDU RLC (Protocol Data Units) i dodaje numery sekwencyjne. Warstwa RLC po stronie odbiorczej u偶ywa tych numer贸w sekwencyjnych do ponownego z艂o偶enia segment贸w w oryginalny pakiet IP.
  • Tryby Dzia艂ania: Warstwa RLC mo偶e dzia艂a膰 w trzech trybach, aby dostosowa膰 si臋 do r贸偶nych typ贸w us艂ug:
    • Tryb Przezroczysty (TM): Bez narzutu. Dane s膮 przekazywane bez segmentacji i korekcji b艂臋d贸w. U偶ywany do us艂ug, kt贸re same zarz膮dzaj膮 swoj膮 niezawodno艣ci膮.
    • Tryb Niepotwierdzony (UM): Zapewnia segmentacj臋 i reasemblacj臋, ale nie gwarantuje dostarczenia. Nie 偶膮da retransmisji utraconych segment贸w. Jest to idealne rozwi膮zanie dla us艂ug czasu rzeczywistego, takich jak VoIP lub gry online, gdzie otrzymanie lekko uszkodzonych danych z op贸藕nieniem jest gorsze ni偶 ich brak.
    • Tryb Potwierdzony (AM): Zapewnia pe艂n膮 niezawodno艣膰 z wykrywaniem b艂臋d贸w i 偶膮daniami retransmisji utraconych lub uszkodzonych PDU RLC. Ten tryb jest niezb臋dny dla us艂ug, kt贸re nie toleruj膮 utraty danych, takich jak pobieranie plik贸w i przegl膮danie stron internetowych.

Podwarstwa PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

PDCP to najwy偶sza podwarstwa Warstwy 2. Odpowiada g艂贸wnie za przetwarzanie pakiet贸w IP oraz uczynienie ich bardziej wydajnymi i bezpiecznymi do transmisji radiowej.

  • Kompresja Nag艂贸wk贸w IP: Nag艂贸wki pakiet贸w IP (szczeg贸lnie dla TCP i UDP) s膮 do艣膰 du偶e, cz臋sto 40-60 bajt贸w. Dla ma艂ych pakiet贸w danych (jak w VoIP), ten narzut jest znacz膮cy. PDCP u偶ywa protoko艂贸w takich jak , aby zmniejszy膰 te nag艂贸wki do zaledwie kilku bajt贸w, co radykalnie poprawia wydajno艣膰 interfejsu radiowego.
  • Szyfrowanie i Ochrona Integralno艣ci: W warstwie PDCP dane u偶ytkownika s膮 szyfrowane dla bezpiecze艅stwa. Dodaje ona r贸wnie偶 kontrol臋 integralno艣ci, aby zapewni膰, 偶e dane nie zosta艂y z艂o艣liwie zmienione w trakcie transmisji.
  • Wsparcie dla Prze艂膮cze艅: Podczas prze艂膮czania (handover), warstwa PDCP odgrywa kluczow膮 rol臋 w zapewnieniu p艂ynnego przej艣cia. Zmienia kolejno艣膰 pakiet贸w, kt贸re mog膮 dotrze膰 nie po kolei podczas prze艂膮czania, i zarz膮dza przekazywaniem danych ze starego eNodeB do nowego, aby zapobiec utracie danych.

4. Stos Protok贸艂贸w P艂aszczyzny Sterowania w LTE

Stos P艂aszczyzny Sterowania odpowiada za zarz膮dzanie po艂膮czeniem. Jego ni偶sze warstwy s膮 podobne do P艂aszczyzny U偶ytkownika, ale na szczycie posiada unikalne protoko艂y przeznaczone do sygnalizacji i kontroli.

Ni偶sze Warstwy (PHY, MAC, RLC, PDCP)

P艂aszczyzna Sterowania r贸wnie偶 wykorzystuje warstwy Fizyczn膮, MAC, RLC i PDCP. Jednak偶e, zamiast przenosi膰 pakiety IP u偶ytkownika, warstwy te w P艂aszczy藕nie Sterowania s膮 dedykowane do przenoszenia wiadomo艣ci sygnalizacyjnych. Na przyk艂ad warstwa PDCP w P艂aszczy藕nie Sterowania zapewnia ochron臋 integralno艣ci krytycznych wiadomo艣ci sygnalizacyjnych, ale nie wykonuje kompresji nag艂贸wk贸w (poniewa偶 wiadomo艣ci sygnalizacyjne nie maj膮 nag艂贸wk贸w IP do skompresowania).

Warstwa RRC (Radio Resource Control)

RRC to g艂贸wny kontroler interfejsu radiowego mi臋dzy UE a eNodeB. Jest to najwa偶niejszy protok贸艂 w P艂aszczy藕nie Sterowania na poziomie dost臋pu radiowego.

Kluczowe funkcje RRC obejmuj膮:

  • Rozg艂aszanie Informacji Systemowych: eNodeB stale rozg艂asza niezb臋dne informacje systemowe (w wiadomo艣ciach zwanych SIB, System Information Blocks), kt贸re pozwalaj膮 urz膮dzeniom po艂膮czy膰 si臋 z kom贸rk膮.
  • Zarz膮dzanie Po艂膮czeniem: Obs艂uguje ustanawianie, utrzymywanie i zwalnianie po艂膮czenia RRC mi臋dzy UE a eNodeB.
  • Przywo艂ywanie (Paging): Powiadamia urz膮dzenia w stanie bezczynno艣ci o nadchodz膮cych po艂膮czeniach lub danych.
  • Zarz膮dzanie Mobilno艣ci膮: Zarz膮dza ca艂膮 procedur膮 prze艂膮czania, w tym instruowaniem UE do wykonywania pomiar贸w s膮siednich kom贸rek i wydawaniem polecenia prze艂膮czenia do nowej kom贸rki.
  • Zarz膮dzanie Bezpiecze艅stwem: Konfiguruje szyfrowanie i ochron臋 integralno艣ci w ni偶szych warstwach (PDCP).

Protoko艂y NAS (Non-Access Stratum)

Warstwa NAS obs艂uguje komunikacj臋 sygnalizacyjn膮 bezpo艣rednio mi臋dzy Urz膮dzeniem U偶ytkownika (UE) a Sieci膮 Rdzeniow膮 (w szczeg贸lno艣ci MME). Kluczowym aspektem NAS jest to, 偶e jego wiadomo艣ci s膮 przezroczyste dla E-UTRAN (eNodeB). eNodeB dzia艂a po prostu jak "listonosz" dla tych wiadomo艣ci, przekazuj膮c je dalej bez odczytywania czy interpretowania ich tre艣ci.

Protoko艂y NAS odpowiadaj膮 za funkcje, kt贸re musz膮 by膰 utrzymane nawet wtedy, gdy u偶ytkownik przemieszcza si臋 mi臋dzy eNodeB, takie jak:

  • Zarz膮dzanie Mobilno艣ci膮 (EMM - EPS Mobility Management): Obejmuje to procedury do艂膮czania do sieci, uwierzytelniania u偶ytkownika w HSS oraz zarz膮dzania aktualizacjami obszaru 艣ledzenia.
  • Zarz膮dzanie Sesj膮 (ESM - EPS Session Management): Obs艂uguje tworzenie i zarz膮dzanie sesjami danych u偶ytkownika, na przyk艂ad 偶膮danie domy艣lnego no艣nika IP w celu po艂膮czenia z internetem.

5. Przep艂yw Danych: Enkapsulacja

Aby zrozumie膰, jak te warstwy wsp贸艂pracuj膮, warto prze艣ledzi膰 podr贸偶 pojedynczej porcji danych w d贸艂 stosu protoko艂贸w po stronie nadawczej. Ten proces nazywa si臋 enkapsulacj膮. Ka偶da warstwa dodaje w艂asne informacje kontrolne, w postaci nag艂贸wka, do danych, kt贸re otrzymuje z warstwy powy偶ej.

  1. Pakiet IP: Podr贸偶 rozpoczyna si臋 od pakietu IP wygenerowanego przez aplikacj臋 na Twoim urz膮dzeniu (np. przegl膮dark臋 internetow膮 偶膮daj膮c膮 strony).
  2. Warstwa PDCP: Warstwa PDCP pobiera pakiet IP. Wykonuje kompresj臋 nag艂贸wk贸w (je艣li jest skonfigurowana) i szyfruje pakiet. Nast臋pnie dodaje nag艂贸wek PDCP zawieraj膮cy numer sekwencyjny. Wynikiem jest PDU PDCP.
  3. Warstwa RLC: Warstwa RLC otrzymuje PDU PDCP. Je艣li PDU jest zbyt du偶e, warstwa RLC dzieli je na wiele mniejszych fragment贸w. Do ka偶dego fragmentu dodaje nag艂贸wek RLC, zawieraj膮cy informacje do reasemblacji i korekcji b艂臋d贸w. Wynikiem jest jedno lub wi臋cej PDU RLC.
  4. Warstwa MAC: Warstwa MAC otrzymuje PDU RLC. Scheduler decyduje, kiedy przes艂a膰 te dane. Multipleksuje PDU RLC z r贸偶nych kana艂贸w logicznych i dodaje nag艂贸rek MAC. Nag艂贸wek MAC zawiera informacje planistyczne i szczeg贸艂y dla procesu HARQ. Ostateczna jednostka to PDU MAC, znana r贸wnie偶 jako Blok Transportowy.
  5. Warstwa PHY: PDU MAC (Blok Transportowy) jest przekazywany do Warstwy Fizycznej, kt贸ra dodaje kodowanie kana艂owe (FEC), moduluje dane na podno艣ne i przesy艂a je jako sygna艂 radiowy przez interfejs Uu.

Po stronie odbiorczej proces jest odwracany w procesie zwanym dekapsulacj膮. Ka偶da warstwa usuwa sw贸j odpowiedni nag艂贸wek, przetwarza informacje i przekazuje pozosta艂e dane do warstwy powy偶ej, a偶 oryginalny pakiet IP zostanie wreszcie dostarczony do aplikacji. Ten uporz膮dkowany proces zapewnia, 偶e z艂o偶ona komunikacja mo偶e odbywa膰 si臋 niezawodnie i wydajnie.

    Stos Protoko艂贸w LTE | Teleinf Edu