Stos Protokołów LTE

1. Protokoły i warstwy LTE

Stos protokołów LTE jest zbiorem współpracujących protokołów. W swej istocie to zbiór zasad komunikacji. Tak jak ludzie używają gramatyki i wspólnego słownictwa, tak urządzenia sieciowe korzystają z protokołów, aby dane wysłane z jednego punktu mogły zostać poprawnie odebrane i zinterpretowane w innym punkcie.

Dlaczego stosuje się architekturę warstwową?

Jeden, monolityczny protokół do zarządzania każdym aspektem komunikacji, od fal radiowych po dane aplikacji, byłby niewiarygodnie złożony i niemożliwy do zarządzania. Zamiast tego, nowoczesne sieci wykorzystują architekturę warstwową, często nazywaną stosem protokołów. Takie podejście dzieli ogromne wyzwanie komunikacji na serię mniejszych, bardziej zarządzalnych problemów, gdzie każda warstwa jest odpowiedzialna za określony zestaw zadań.

Każda warstwa w stosie świadczy usługi dla warstwy znajdującej się bezpośrednio nad nią i korzysta z usług warstwy znajdującej się bezpośrednio pod nią. Tworzy to modułowy i elastyczny system z kilkoma kluczowymi zaletami:

Prostota i Modułowość: Każdą warstwę można projektować i aktualizować niezależnie, bez wpływu na pozostałe. Na przykład inżynierowie mogą ulepszyć fizyczną technologię radiową (Warstwa 1) bez konieczności przepisywania oprogramowania zarządzającego przeglądaniem stron internetowych (Warstwa 7).
Standaryzacja: Podział na warstwy pozwala na tworzenie jasnych standardów dla każdej funkcji. Oznacza to, że sprzęt od różnych producentów może bezproblemowo ze sobą współpracować, o ile przestrzega tych samych zasad protokołów dla każdej warstwy.
Rozwiązywanie Problemów: Gdy wystąpi problem, można go wyizolować w określonej warstwie, co znacznie ułatwia diagnozę i naprawę.

2. Płaszczyzna użytkownika i płaszczyzna sterowania LTE

LTE rozdziela architekturę protokołów na dwie odrębne "płaszczyzny". Płaszczyzna użytkownika przenosi ruch aplikacyjny, a płaszczyzna sterowania przenosi sygnalizację i wiadomości zarządcze, które ustanawiają, utrzymują i zwalniają zasoby używane przez ten ruch. NAS znajduje się ponad protokołami dostępu radiowego i kończy się w MME sieci EPC, natomiast RRC kończy się w eNodeB.

Płaszczyzna Użytkownika (U-Plane)

Płaszczyzna Użytkownika przenosi pakiety IP użytkownika między UE i siecią pakietową. Tą ścieżką płyną strumienie wideo, strony internetowe i pobierane pliki. Protokoły radiowe tej płaszczyzny są ułożone pod kątem wydajnej przepływności i kontrolowanego opóźnienia, a nośniki zapewniają wymagane QoS. Płaszczyzna Użytkownika opisuje więc dane, które są transportowane.

Płaszczyzna Sterowania (C-Plane)

Płaszczyzna Sterowania przenosi sygnalizację potrzebną do ustanowienia, utrzymania i zwolnienia tej ścieżki danych. Obsługuje zestawianie połączenia radiowego, uwierzytelnianie, procedury mobilności, takie jak przełączenia, oraz konfigurację nośników. Pakiety IP aplikacji nie korzystają z tej płaszczyzny. Płaszczyzna Sterowania opisuje, jak sieć przygotowuje zasoby i gdzie powinien trafić ruch użytkownika.

Rozdzielenie nadaje sygnalizacji i ruchowi użytkownika odrębne odpowiedzialności protokołów oraz ułatwia ich wymiarowanie i diagnostykę. Nie usuwa współzawodnictwa o wspólne zasoby radiowe i transportowe, lecz zapobiega mieszaniu procedur sterowania z przenoszonym ładunkiem.

3. Stos Protokołów Płaszczyzny Użytkownika w LTE

Stos Płaszczyzny Użytkownika przygotowuje pakiety IP użytkownika do transmisji przez interfejs radiowy LTE. Jego warstwy opisano od dołu do góry.

Warstwa 1: PHY (Warstwa Fizyczna)

Jest to najniższa warstwa, odpowiedzialna za transmisję i odbiór zakodowanych symboli przez interfejs radiowy. Mapuje bloki transportowe na zasoby fizyczne, stosuje modulację i kodowanie oraz odtwarza bity przekazywane przez wyższe warstwy.

Funkcje: Modulacja i demodulacja (np. QPSK, 16-QAM, 64-QAM), kodowanie kanałowe w celu korekcji błędów (FEC - Forward Error Correction) oraz implementacja schematów transmisyjnych OFDMA (downlink) i SC-FDMA (uplink).
W skrócie: Warstwa PHY to sprzęt i przetwarzanie sygnałów, które fizycznie umożliwiają komunikację bezprzewodową. Zajmuje się częstotliwościami, poziomami mocy i taktowaniem.

Warstwa 2: Warstwa Łącza Danych (Podzielona)

W LTE Warstwa 2 jest bardziej złożona i podzielona na trzy odrębne podwarstwy, z których każda ma specyficzne zadania: MAC, RLC i PDCP.

Podwarstwa MAC (Medium Access Control)

Warstwa MAC zarządza przydziałem transmisji na interfejsie radiowym. Określa, którzy użytkownicy mogą nadawać i w jakich zasobach.

Planowanie (Scheduling): Scheduler MAC w eNodeB dynamicznie przydziela zasoby radiowe (bloki podnośnych i szczelin czasowych) różnym użytkownikom w oparciu o ich zapotrzebowanie na dane, wymagania QoS i aktualne warunki radiowe.
Hybrid ARQ (HARQ): HARQ to szybki mechanizm retransmisji i odzyskiwania błędów na granicy MAC i warstwy fizycznej. Odbiornik zgłasza, czy blok transportowy został zdekodowany, a nadajnik może ponownie przesłać odpowiednią wersję redundancji. Ta lokalna pętla działa szybciej niż oczekiwanie, aż protokół wyższej warstwy, taki jak TCP, wykryje stratę przez czas oczekiwania lub powtórne potwierdzenie.
Multipleksowanie: Pobiera dane z różnych kanałów logicznych (np. głos, wideo, przeglądanie internetu dla tego samego użytkownika) i łączy je w bloki transportowe do wysłania do Warstwy Fizycznej.

Podwarstwa RLC (Radio Link Control)

Warstwa RLC dostosowuje dostarczanie danych między PDCP i MAC. Jej główne zadania to segmentacja i reasemblacja, porządkowanie oraz wybór jednego z trzech trybów o różnych właściwościach niezawodności.

Segmentacja i Reasemblacja: Jednostka danych usługi RLC (SDU) z warstwy wyższej może być zbyt duża dla możliwości transmisji wybranej przez MAC. RLC dzieli lub łączy SDU w jednostki PDU RLC, dodając informacje o kolejności w trybach UM i AM. Odbiorcza encja RLC używa tych informacji do porządkowania i reasemblacji SDU.
Tryby Działania: Warstwa RLC może działać w trzech trybach, aby dostosować się do różnych typów usług:
- Tryb Przezroczysty (TM): Bez narzutu. Dane są przekazywane bez segmentacji i korekcji błędów. Używany do usług, które same zarządzają swoją niezawodnością.
- Tryb Niepotwierdzony (UM): Zapewnia segmentację, reasemblację i porządkowanie bez retransmisji RLC. Brakujące lub spóźnione dane są odrzucane zgodnie ze skonfigurowanymi procedurami, co pasuje do usług wrażliwych na opóźnienie, takich jak VoIP i media interaktywne.
- Tryb Potwierdzony (AM): Zapewnia potwierdzanie odbioru, wykrywanie błędów i żądania retransmisji utraconych lub uszkodzonych PDU RLC. Ten tryb stosuje się dla usług wymagających dostarczenia danych, takich jak pobieranie plików i przeglądanie stron internetowych.

Podwarstwa PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

PDCP to najwyższa podwarstwa Warstwy 2. Odpowiada głównie za przetwarzanie pakietów IP oraz uczynienie ich bardziej wydajnymi i bezpiecznymi do transmisji radiowej.

Kompresja nagłówków IP: Minimalny nagłówek IPv4 ma 20 bajtów, a bazowy nagłówek IPv6 40 bajtów. Bazowy nagłówek TCP ma 20 bajtów, a UDP 8 bajtów, więc zestawy IPv4/TCP, IPv6/TCP, IPv4/UDP i IPv6/UDP mają odpowiednio co najmniej 40, 60, 28 i 48 bajtów. Bazowy nagłówek RTP dodaje 12 bajtów przed ewentualnymi identyfikatorami CSRC i rozszerzeniami, dlatego zestaw IPv4/UDP/RTP ma co najmniej 40 bajtów, a IPv6/UDP/RTP 60 bajtów. W strumieniu o powtarzalnych polach PDCP może użyć . Protokół przesyła krótsze nagłówki skompresowane, a ich rozmiar zależy od profilu, zmian pól i rozszerzeń.
Szyfrowanie i Ochrona Integralności: PDCP stosuje szyfrowanie danych płaszczyzny użytkownika. W LTE ochrona integralności dotyczy przede wszystkim nośników sygnalizacyjnych płaszczyzny sterowania, gdzie pomaga wykrywać nieuprawnione modyfikacje wiadomości.
Wsparcie dla Przełączeń: Podczas przełączania (handover), warstwa PDCP odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu płynnego przejścia. Zmienia kolejność pakietów, które mogą dotrzeć nie po kolei podczas przełączania, i zarządza przekazywaniem danych ze starego eNodeB do nowego, aby zapobiec utracie danych.

4. Stos Protokołów Płaszczyzny Sterowania w LTE

Stos Płaszczyzny Sterowania zarządza połączeniem. Jego niższe warstwy przypominają Płaszczyznę Użytkownika, a protokoły wyższych warstw przenoszą sygnalizację radiową i sygnalizację sieci rdzeniowej.

Niższe Warstwy (PHY, MAC, RLC, PDCP)

Płaszczyzna Sterowania również wykorzystuje warstwy PHY, MAC, RLC i PDCP. W tej płaszczyźnie przenoszą one wiadomości sygnalizacyjne zamiast pakietów IP użytkownika. PDCP zapewnia szyfrowanie i ochronę integralności nośników sterowania, natomiast kompresja nagłówków ROHC dotyczy danych płaszczyzny użytkownika i nie jest stosowana do zwykłej sygnalizacji RRC.

Warstwa RRC (Radio Resource Control)

RRC steruje interfejsem radiowym między UE a eNodeB. Na poziomie dostępu radiowego przenosi procedury potrzebne do konfiguracji i utrzymania tego interfejsu.

Kluczowe funkcje RRC obejmują:

Rozgłaszanie Informacji Systemowych: eNodeB stale rozgłasza niezbędne informacje systemowe (w wiadomościach zwanych SIB, System Information Blocks), które pozwalają urządzeniom połączyć się z komórką.
Zarządzanie Połączeniem: Obsługuje ustanawianie, utrzymywanie i zwalnianie połączenia RRC między UE a eNodeB.
Przywoływanie (Paging): Powiadamia urządzenia w stanie bezczynności o nadchodzących połączeniach lub danych.
Zarządzanie Mobilnością: Zarządza całą procedurą przełączania, w tym instruowaniem UE do wykonywania pomiarów sąsiednich komórek i wydawaniem polecenia przełączenia do nowej komórki.
Zarządzanie Bezpieczeństwem: Konfiguruje szyfrowanie i ochronę integralności w niższych warstwach (PDCP).

Protokoły NAS (Non-Access Stratum)

NAS obsługuje sygnalizację między Urządzeniem Użytkownika (UE) a Siecią Rdzeniową, a w EPC przede wszystkim MME. Wiadomości NAS są na poziomie protokołu przezroczyste dla E-UTRAN. eNodeB transportuje je w odpowiednich procedurach RRC i S1, lecz nie kończy protokołu NAS.

Protokoły NAS odpowiadają za funkcje, które muszą być utrzymane nawet wtedy, gdy użytkownik przemieszcza się między eNodeB, takie jak:

Zarządzanie Mobilnością (EMM - EPS Mobility Management): Obejmuje to procedury dołączania do sieci, uwierzytelniania użytkownika w HSS oraz zarządzania aktualizacjami obszaru śledzenia.
Zarządzanie Sesją (ESM - EPS Session Management): Obsługuje tworzenie i zarządzanie sesjami danych użytkownika, na przykład żądanie domyślnego nośnika IP w celu połączenia z internetem.

5. Enkapsulacja danych w stosie LTE

Aby zrozumieć, jak te warstwy współpracują, można prześledzić przebieg pojedynczej porcji danych w dół stosu protokołów po stronie nadawczej. Ten proces nazywa się enkapsulacją. Każda warstwa dodaje własne informacje kontrolne, w postaci nagłówka, do danych, które otrzymuje z warstwy powyżej.

Pakiet IP: Przetwarzanie rozpoczyna się od pakietu IP wygenerowanego przez aplikację na urządzeniu, na przykład przeglądarkę żądającą strony.
Warstwa PDCP: Warstwa PDCP pobiera pakiet IP. Wykonuje kompresję nagłówków (jeśli jest skonfigurowana) i szyfruje pakiet. Następnie dodaje nagłówek PDCP zawierający numer sekwencyjny. Wynikiem jest PDU PDCP.
Warstwa RLC: Warstwa RLC otrzymuje PDU PDCP. Jeśli PDU jest zbyt duże dla wybranej możliwości transmisji, RLC dzieli je na mniejsze fragmenty i dodaje informacje nagłówka potrzebne do obsługi kolejności oraz reasemblacji. W trybie potwierdzonym procedury STATUS i retransmisje zapewniają odzyskiwanie błędów. Wynikiem jest jedno lub więcej PDU RLC.
Warstwa MAC: Warstwa MAC otrzymuje PDU RLC. Scheduler wybiera możliwość transmisji, MAC multipleksuje dane z kanałów logicznych, a nagłówek MAC opisuje zawarte podnagłówki i elementy sterujące. PDU MAC jest następnie mapowane na blok transportowy dla warstwy fizycznej, która dodaje własne CRC i kodowanie.
Warstwa PHY: PDU MAC jest umieszczane w bloku transportowym i przekazywane do Warstwy Fizycznej. PHY dodaje CRC bloku transportowego i kodowanie kanałowe (FEC), mapuje zakodowane bity na podnośne, moduluje je i przesyła sygnał przez interfejs Uu.

Po stronie odbiorczej proces jest odwracany w dekapsulacji. PHY dekoduje blok transportowy, MAC rozdziela kanały logiczne, RLC porządkuje i reasembluje swoje SDU, a PDCP odtwarza pakiet przekazywany do warstwy IP. Każdy etap usuwa lub interpretuje własne informacje sterujące przed przekazaniem pozostałych danych wyżej.