Всего несколько лет назад технология LTE (Long Term Evolution) была диковинкой, доступной лишь в единичных, наиболее продвинутых, странах. Сегодня ей пользуется большая часть мира, включая Россию, и мы уже начинаем привыкать к возможности спокойно смотреть онлайновое видео в дороге. Но прогресс не стоит на месте. Заглянем за горизонт и представим, каким будет мобильный интернет в ближайшем будущем. Что придет на смену LTE?

Наши помощники

В поиске истины мы были не одни. Проект подготовлен при поддержке технических специалистов компании «ВымпелКом » («Билайн»), которые помогли нам найти необходимую информацию и предоставили интересные факты. Спасибо, ребята. А теперь – ныряем в будущее, начав с недавнего прошлого.

1. Зарождение LTE

Технологии развиваются стремительными темпами, причем в совершенно разных областях человеческой деятельности: в медицине, потребительской электронике, энергетике и, конечно же, в мобильных телекоммуникациях. Сегодня смотреть видео в YouTube на своем смартфоне, находясь где-то посреди города, а то и на даче, и используя для этого мобильную сеть, - вполне нормально и привычно. А ведь какие-то 10 лет назад о такой роскоши мало кто мог мечтать даже на проводном домашнем Интернете. Получить среднюю скорость по воздуху в 5–10 Мбит/с - да легко! Но те же 10 лет назад иметь доступ в Интернет на скорости 256–512 Кбит (в 20 раз меньше) в домашних условиях - это было роскошью, доступной единицам. О мобильном интернете того времени и вспоминать не хочется.

Россия стала одной из первых стран, где стараниями Yota была запущена коммерческая LTE-сеть. Это случилось в 2011 году, но тогда работало всего 11 базовых станций в окрестностях Москвы, и о каком-то массовом внедрении технологии говорить было рано. Количество смартфонов с поддержкой LTE на российском рынке тогда стремилось к нулю. А вот в 2014 году состоялся уже полномасштабный запуск мобильных сетей четвертого поколения с участием операторов Большой тройки. Даже в сравнении с весьма шустрым 3G и HSPA+, новая технология продемонстрировала чудеса скорости, и, казалось бы, большего и не надо. Тем не менее уже сейчас происходит разработка и планомерное внедрение еще более продвинутых мобильных технологий, о которых и поговорим ниже.

2. Ближайшее будущее. LTE-Advanced

Как-то мы привыкли воспринимать LTE в качестве 4G-стандарта, то есть это якобы мобильные сети четвертого поколения, что не совсем правда. Виной тому реклама. На самом деле по своим скоростным характеристикам данный стандарт не дотягивает до технических требований, которые консорциум 3GPP и Международный союз электросвязи (МСЭ, ITU) приняли для нового поколения сотовой связи. Но внушительное маркетинговое давление и улучшения, которые внесли HSPA+, LTE и уже забытая WiMAX вынудили МСЭ дать разрешение на маркировку упомянутых технологий как 4G (да-да HSPA+ - это тоже 4G). Но все-таки правильней LTE было бы называть поколением 3,5G, а вот LTE-Advanced уже полноценно удовлетворяет требованиям ответственных организаций и действительно является стандартом 4G. Но чтобы не было путаницы, его называют True 4G (Настоящий 4G) и именно эта технология в самое ближайшее время массово придет на смену LTE.

Для начала, давайте рассмотрим скоростные характеристики LTE-Advanced в сравнении с LTE. Последняя в радиоусловиях, близких к идеальным, позволяет достигать пиковых скоростей в 150 Мбит/с, на практике в городских условиях это почти всегда до 50 Мбит/с , что тоже круто. К сожалению, пиковая скорость для LTE весьма редкое явление в нашем мире, и чем больше будет количество абонентов в сети, тем дальше реальные скорости будут от пиковых. В свою очередь скорость загрузки данных в сети LTE-Advanced может достигать в пике и 1 Гбит/с (во время демонстрационных испытаний достигалась реальная скорость в 450 Мбит/с), хотя в реальности не стоит рассчитывать более чем на 100 Мбит/с, да больше пока и не надо.

Важнее тот факт, что рассматриваемая технология позволяет более эффективно использовать сотовую сеть и оперативно наращивать ее пропускную способность массой способов, включая применение фемтосот и пикосот. То есть, операторы смогут легко и довольно быстро улучшить качество работы своих сетей, используя уже существующие мощности и дополняя их недорогими базовыми станциями. Все оборудование уже доступно и досконально изучено.

Технически LTE-Advanced нельзя назвать чем-то совершенно новым, так как, по сути, в этой инициативе объединено несколько технологий, доступных на рынке уже несколько лет:

• Carrier Aggregation - объединение несущих.
• Coordinated Multipoint позволяет устройству подключаться одновременно к нескольким базовым станциям и повышать скорость передачи за счет скачивания или загрузки данных в несколько потоков.
• Enhanced MIMO - использование нескольких приемных и нескольких передающих антенн. В данном случае это поддержка MIMO 8×8 в нисходящем канале (от базовой станции к мобильным станциям) и MIMO 4×4 в восходящем канале (от мобильной станции к базовой станции).
• Relay Nodes - поддержка узлов ретрансляции. Они позволяют эффективно закрыть «дырки» в покрытии и улучшить радиоусловия для пользователей, находящихся на границах соты.

Все вместе эти технологии позволяют повысить скорость мобильного интернета, улучшить стабильность соединения и, вообще, сделать работу в Сети значительно комфортнее, включая условия, когда вы перемещаетесь на большой скорости (например, в автомобиле, автобусе или в поезде). Последний нюанс является очень серьезным ограничением для 3G-сетей, так как сильно снижает качество связи. Кроме того, LTE-Advanced обеспечивает минимальные задержки при передаче пакетов, вплоть до 5 мс . То есть вы можете через мобильную сеть комфортно играть в онлайновые игры.

Что касается передачи голоса, то, как и в случае с LTE, есть возможность работать в режиме VoIP или параллельно использовать для этого сети 2G/3G. Именно последний вариант прижился в России, хотя ведутся работы для перехода на более продвинутый VoLTE (то есть VoIP).

Основная причина для быстрого внедрения LTE-Advanced - это возможность использования существующих сетей и оборудования для развертывания True 4G. Более того, Yota первой в мире запустила эту технологию на коммерческой сети, что произошло еще в 2012 году. В работу было вовлечено 12 базовых станций, что, конечно, не смогло обеспечить пользователей преимуществами технологии. В феврале 2014 года МегаФон запустил сеть LTE-Advanced в пределах Садового кольца Москвы, объединив полосы в одном диапазоне, что хорошо влияет на увеличение максимально возможной скорости, но слабо отражается на опыте пользователя (эти максимальные скорости остаются доступными только в условных 30 метрах от БС). А в августе того же года оперативно сработал Билайн и запустил в Москве сеть LTE, объединяющую полосы из 2х диапазонов - Band 7 (2,6 ГГц) и Band 20 (800 МГц) - с максимальной скоростью до 115 Мбит/с в направлении к абоненту (это около 14 Мбайт/с - как дома на проводе). Объединение в один канал полос из высокого и низкого диапазонов является идеальным проявлением LTE-Advanced: позволяет сочетать высокие скорости с хорошим покрытием. Именно возможность объединения и одновременного использования нескольких частот лежит в основе рассматриваемой технологии. Сейчас на практике это возможно для 2 или 3 диапазонов, в будущем оператор сможет объединять все свои имеющиеся частоты для организации канала связи с одним абонентом.

Сети LTE-Advanced активно разворачиваются уже сегодня и их возможностей должно хватить надолго. Фактически задача операторов сейчас - не сбавлять темп, наращивать парк оборудования, повышать качество предоставляемых услуг и расширять покрытие своих сетей. При достаточно высокой плотности базовых станций LTE-Advanced вполне сможет заменить проводной домашний Интернет, и это дело ближайшего будущего.

Хотя, это будущее уже доступно в крупнейших городах России . В частности, вот как Билайн прокомментировал внедрение LTE-Advanced и развитие мобильных технологий в России в целом:

На сегодняшний день одна из технологий LTE-А – Carrier Aggregation (объединение несущих) доступна в сети Билайн на всей территории Москвы. И наши клиенты-обладатели смартфонов с поддержкой 4G+, уже активно ее используют. Однако LTE-A - это не только объединение частотных полос. Перспективы развития этого направления для нашей компании гораздо масштабнее! Наши сети уже сегодня готовы к запуску практически всех технологий, относящихся к LTE-A, осталось лишь дождаться появления на рынке абонентских устройств с их поддержкой.

Стоит заметить, что развитие этой технологии происходит параллельно с дальнейшим наращиванием мощности в сетях 3G и 4G. В 2014 году количество LTE-станций только в Москве увеличилось в 2,7 раза! Сеть 3G не только продолжает строиться, но и модернизируется. К примеру, DC-НSPA+ - это уже 42 Мбит/с, а не 3 или 7Мбит/с, как было несколько лет назад.

Если говорить о внедрении LTE в других регионах России , то ситуация несколько сложнее, чем в Москве, но компании работают и в этом направлении. Специалисты видят ситуацию следующим образом:

Как правило, распространение таких технологий зависит от двух важных факторов: наличие абонентских устройств, поддерживающих LTE-A российских частот, и непосредственно самих свободных частот. На данный момент российский рынок гаджетов не может похвастаться широкой линейкой смартфонов с поддержкой LTE-А, проще говоря, количество таких моделей можно пересчитать по пальцам. С другой стороны, есть и проблема наличия подходящих частот. Carrier Aggregation в идеальном виде - это объединение всех частот оператора. Однако частотами могут пользоваться военные и авиация. Поэтому запуск технологии LTE-A в других регионах зависит от мероприятий по освобождению частот. В настоящий момент технология работает на уже свободных частотах 800 диапазона в Москве.

К слову, само название технологии Long Term Evolution переводится как «Долговременная эволюция », так что стандарт изначально разрабатывался на годы вперед, но человек не стоит на месте, и рано или поздно придут новые технологии, которые изменят мир. О них поговорим ниже.

3. Следующий шаг, революционный

Следует ли нам ожидать в ближайшем будущем какого-то революционного прорыва в технологиях мобильной передачи данных? Например, отказа от традиционной архитектуры телеком-сетей, основы которой были заложены еще при разработке стандартов первых поколений (NMT, GSM)? Возможно, такой скачок произойдет после 2020 года с приходом мобильных сетей пятого поколения.

Пока об этом мало что известно, ведь сегодня мы наблюдаем лишь зарождение тех технологий, что лягут в основу будущего мобильного интернета. Даже официального стандарта 5G все еще не существует. Тем не менее, уже есть несколько направлений, в которых будут развиваться будущие мобильные сети. Их и обсудим.

Что нам даст 5G? В первую очередь - это очередной скачок в скорости обмена данными , как минимум, на порядок. Кроме того, снизятся задержки при обработке запросов и значительно увеличится емкость сети (большее количество подключений и увеличенный объем передачи данных даже в рамках одной базовой станции).

Второй важный момент - фокусирование на абоненте, а не на базовых станциях. Сегодня если человек видит слабый сигнал сети, то он пытается переместиться поближе к базовой станции, чтобы повысить качество связи. А при максимально хорошем сигнале и минимальной нагрузке на Сеть пользователь все равно не получит максимум возможной скорости, а лишь некий усредненный вариант. Все дело в ограничениях технологии, которая не предполагает индивидуализацию абонентов. В сетях 5G ожидается применение так называемых умных антенн, способных менять диаграмму направленности в зависимости от потребностей абонентов в конкретных условиях. При минимуме абонентов данные к ним будут направляться по узконаправленному каналу, что повысит скорость передачи данных.

Дальнейшее развитие получит и технология MIMO . Сейчас в сетях LTE в основном используются конфигурации 2×2, то есть две антенны на передачу данных на базовой станции и две на прием на абонентском устройстве. В сетях 5G их количество планируется значительно увеличить для повышения скорости обмена данными. Другой способ сделать это – увеличить ширину частотного канала. Поскольку в используемых сейчас диапазонах частот операторам уже “тесно” (даже 20 МГц непрерывного спектра – это роскошь), необходим переход в более высокие диапазоны – вплоть до миллиметровых волн (30 ГГц и выше). Правда нужно помнить, что с увеличением рабочей частоты из-за особенностей распространения радиоволн уменьшается дальность связи, что может наложить ряд ограничений (уменьшается размер соты). С другой стороны, совсем нет необходимости делать сплошное покрытие во всех диапазонах.

Естественно, новые мобильные сети - это не только банальное наращивание пропускной способности и скоростей, но и эффективное использование доступных ресурсов. Например, реализация концепции device-to-device (устройство-к-устроству). Знакома ситуация, когда люди находятся друг от друга на небольшом расстоянии, допустим, 10–20 метров, и при этом приходится общаться по телефону или же передавать данные через сотовую сеть. Упомянутая концепция предполагает взаимодействие устройств напрямую, а через Сеть будет проходить лишь тарификация вызовов, что сильно разгрузит базовые станции.

Безопасность для здоровья человека и энергетическая эффективность тоже являются важными элементами будущих сетей, но это уже детали.

Что из 5G мы уже имеем сегодня ? Огромную скорость передачи данных, которая пока достигается лишь в лабораторных условиях, но с этого начинались и все предшествующие стандарты. Так Samsung Electronics активно развивает собственный стандарт 5G, в рамках которого она добилась скорости передачи данных в 7,5 Гбит/с (940 МБ/сек) при стационарном соединении и 1,2 Гбит/с (150 МБ/с) в автомобиле, передвигающемся со скоростью 150 км/ч .

В мобильной сети пятого поколения корейская компания использует частоту 28 ГГц , причем данное направление она развивает уже несколько лет. Первая публичная демонстрация состоялась в 2013 году, и тогда Samsung показала результат беспроводной передачи данных в сети 5G на уровне 1 Гбит/с - это был рекорд, который сейчас ей же и превзойден в 7,5 раз.

Не отстает от азиатов и Европа, в частности, компания Ericsson уже разработала ряд технологий, которые будут востребованы в будущих мобильных сетях. Речь о 5G-LTE Dual Connectivity и 5G Multipoint Connectivity . Первая позволяет устройству устанавливать связь с сетями LTE и 5G в режиме разовой коммутации для реализации бесшовного перехода между ними. Это важно для поддержки разны частотных спектров и эффективной одновременной работы двух стандартов. Учитывая потенциально небольшой размер сот 5G, не стоит рассчитывать на глобальное покрытие такими сетями в первые несколько лет их существования. Вот тут и пригодятся возможности бесшовной работы двух стандартов одновременно.

Что касается 5G Multipoint Connectivity , то это уже одна из технологий только для нового стандарта. Она позволяет устройству подключаться одновременно к двум базовым станциям и повышать скорость передачи за счет скачивания данных в несколько потоков. Дело в том, что возможность наращивания мощности сетей за счет добавления разных типов базовых станций в случае с 5G будет использоваться еще более активно, чем в LTE-Advanced и 5G Multipoint Connectivity может стать ключевой технологией для повышения скорости обмена данными.

К сожалению, Samsung и Ericsson тянут одеяло каждый в свою сторону и используют разные технологии для передачи данных. У европейцев это базовые станции, работающие на частоте 15 ГГц . Пока Ericsson смогла добиться в лабораторных условиях пиковой скорости 5 Гбит/с в рабочей сети 5G.

А ведь есть еще китайская Huawei со своим собственным решением, но она пока по этому поводу не распространяется. В общем, в текущий момент мы вновь имеем несколько потенциальных стандартов 5G, которые в будущем могут лишь усложнить жизнь потребителями и производителям конечных устройств, если будут внедряться одновременно. С другой стороны, некоторые технологии нового поколения могут быть обкатаны на уже существующих сетях или же будут в них внедрены в ближайшем будущем. Более того, Россия тоже принимает в развитии 5G активное участие :

«ВымпелКом» на уровне группы компаний VimpelCom Ltd. активно участвует в формировании рекомендаций к стандартам сетей 5G в рамках NGMN и сотрудничает с основными поставщиками сетевого оборудования в этом направлении. О строительстве сетей 5G говорить еще преждевременно, так еще очень много открытых вопросов со стандартизацией. Но о внедрении в существующие сети элементов и механизмов, которые будут использоваться в сетях 5G, уже можно смело говорить. В частности, агрегация несущих из разных диапазонов и некоторые другие функции, которые будут являться основой сетей 5G, - это уже реальность для «ВымпелКома».

Сообщество Хабрахабра. Доброго времени суток.

Выношу в свет свою идею которая думаю многим покажется футуристичной и утопичной, но все же весьма интересной и полезной.

Основная идея. Мобильные устройства одного оператора, которые расположены друг то друга на расстоянии действия сигнала Wi-Fi, могли бы объединяться в P2P сеть для маршрутизации трафика между собой. Какие это даёт преимущества? Просим в подкат. :

Какие это даёт преимущества:

Устройство с разным уровнем сигнала в пределах здания смогут перенаправить трафик через наиболее быстрое соединение.
- Оператор сможет настроить пул P2P таким образом чтобы при возможности отказаться от трафика по 3G в пользу 4G.
- Если один из участников имеет выход в интернет по Wi-Fi соединению, то трафик может быть перенаправлен через него. Естественно если этот участник позволяет такой доступ.
- Можно реализовать многоканальное соединение, что положительным образом скажется на скорости соединения и его стабильности.

Некоторые моменты.

Клиент устанавливает соединение с сервером провайдера. От сервера получает ключ шифрования между клиентом и сервером, для пакетов которые могут пойти через P2P сеть.
- Телефон создает виртуальный интерфейс Wi-Fi. Каждый из клиентов проверяем подлинность своего соседа у сервера и если проверка пройдена добавляет соседа в список узлов.
- Каждый клиент самостоятельно периодически оценивает качество соединения по параметрам ping и скорость. Эту информацию он сообщает соседям при запросе.
- Пользователь может настроить свой клиент на предоставление доступной ему Wi-Fi сети для марштутизации трафика пула P2P сети через другие сети. А может даже и настроить на предоставление доступа через вторую симкарту. Например если уровень сигнала в данной местности у данного провайдера сильно проигрывает.
- При прочих равных условиях сеть P2P может отдать предпочтения передачи трафика тому узлу сети которое находится на зарядке.

Почему это может заинтересовать провайдеров.

Это позволит улучшить качество услуг без больших инфраструктурных затрат. Фактически затраты: разработка ПО клиента и хостинг сервера VPN или прокси в зависимости от реализации.
- Особенностью ПО клиента является то что он будет контролировать Wi-Fi соединение и при желании выявить пользователей которые модифицируют устройства для раздачи интернета на нежелательные для провайдера устройства. И например таким клиентам будет отказано в подключении к P2P сети, тем самым мотивируя отказаться от подобных модификаций.
- Провайдер может привлекать клиентов путём предоставление выхода в интернет через P2P сети например промо кодами или ваучерами.
- Обезличенные данные о P2P можно формировать в BIG DATA и продавать.

Возможно я ошибаюсь, но мировая практика в построении сетей доступа это построение сети от центра к периферии, что логично. И часто слабым звеном становится последняя миля. А вот попыток начать строить сеть от пользователя к центру не предпринималась. Это открывает новые возможности. По сути тот кто это реализует будет пионером в области виртуализации последней мили. Раньше это было попросту невозможно, а сейчас все нужные технологии уже появились.

На эту идею меня вдохновил оператор YOTA и функция автоматического переключения сетей в телефоне Samsung.

Надеюсь идея поможет сделать мир лучше.

Как задать оптимальное направление внешней направленной антенны?

Если вы не знаете точно, где расположена базовая станция вашего оператора, выполните процесс поиска оптимального направления внешней антенны, чтобы получить наилучший сигнал. Для того, чтобы направить антенну правильно, следуйте шагам:

• Установите полностью все компоненты из набора усилителя, в том числе антенны и кабели, и включите его.
• Один человек на крыше поворачивает антенну в определенном направлении. Второй человек внутри помещения ждет 1 минуту и проверяет уровень сигнала на телефоне.
• Затем первый поворачивает антенну по кругу на 1/8, или 45 градусов. Второй в помещении проделывает ту же самую процедуру с проверкой сигнала.
• Повторите процесс 8 раз до тех пор, пока не замерите сигнал на всех 8 направлениях, то есть на каждых 45 градусах участка.
• Сравните результаты испытаний сигнала - чем ближе показатель к 0, тем лучшее будет работать ваш бустер.
• Зафиксируйте антенну в направлении, где был обнаружен наилучший уровень сигнала.

Примечание! Мы рекомендуем устанавливать антенну с одной стороны здания, ближе к краю крыши, направляя ее противоположно от здания, чтобы сократить количество возможных преград. Для вашего удобства и ускорения процесса выполняйте проверку вдвоем.

Смогу ли я установить репитер без помощи технического специалиста?

Все репитеры быстро и легко устанавливаются. Важно просто перед этим внимательно прочитать инструкцию. Изучив ее, вы сможете установить оборудование самостоятельно, без помощи технического специалиста. Вы найдете подробное описание процесса установки усилителя на странице . Тем не менее, если возникнут какие-либо затруднения, свяжитесь с нашим отделом технической поддержки и получите помощь специалистов.

Можно ли использовать усилители 3G сигнала для того, чтобы улучшить качество мобильной связи?

Большинство современных мобильных телефонов поддерживают не только возможность звонков, но и возможность соединения с Интернетом через 3G. Усилители сотового сигнала, в свою очередь, различаются в зависимости от типа сигнала, который они улучшают: или голосовые вызовы, или голосовые вызовы, или 3G, или и то, и то одновременно.

Усилители предназначенные только для улучшения 3G не смогут улучшить голосовую связь и наоборот.

Как проверить точный уровень сигнала в дБ?

Для того чтобы определить уровень сигнала с максимальной точностью, вам необходимо переключить телефон в режим Field test mode (FTM). Это приложение, которое есть в свободном доступе либо режим телефона, не требующий никаких дополнительных установок. На наиболее популярных мобильных ОС Field Test можно запустить следующим образом:

• iOS. Набрать номер * 3001 # 12345 # * и нажать вызов
• Android. Чтобы активировать, наберите * # * # 197328640 # * # *
• Windows. Наберите # # 3282 # и запустите.
• Blackberry. Нажмите ИНСТРУМЕНТЫ, НАСТРОЙКИ, СОСТОЯНИЕ или ОПЦИИ, СОСТОЯНИЕ.

Примечание! Для того, чтобы получить данные для 2G, 3G и LTE, отключите WiFi. В случае, если вы не можете найти режим Field Test Mode на вашем телефоне, свяжитесь с нами , чтобы найти решение.

Может ли один репитер сотового сигнала охватить сразу несколько комнат и этажей?

Да, усилитель сотового сигнала может улучшить сигнал в нескольких комнатах или на нескольких этажах одновременно. Для этой цели вам нужно выбрать одну из более мощных моделей усилителей. Несмотря на это, нужно учитывать, что действия устройства могут ухудшать помехи в виде стен и межэтажных перекрытий. В таком случае могут потребоваться дополнительные аксессуары, как сплиттеры и внутренние антенны.

Пригоден ли усилитель сигнала MA-2600L-LTE для Germany? Несомненно, данный мобильный усилитель сигнала функционирует в Germany. MA-2600L-LTE весьма популярен среди пользователей сотовых услуг Швейцария, Объединенные Арабские Эмираты, Нидерланды. Согласно разработчикам, мобильный усилитель сигнала MA-2600L-LTE может быть также применен для мобильных провайдеров таких стран, как Венгрия, Канада, Австрия, Португалия, Новая Зеландия, Великобритания, Франция. функционирует ли мобильный усилитель сигнала MA-2600L-LTE на частотах моего мобильного провайдера? Разумеется, данный усилитель пригоден для Deutsche Telekom. Вообще, мобильный усилитель сигнала MA-2600L-LTE функционирует с наиболее популярными мобильными провайдерами, такими как Rogers Wireless, MÁSmovil, Jim Mobile. К тому же, мы часто получаем позитивные мнения от наших покупателей, которые пользуются MA-2600L-LTE для увеличения сотового покрытия таких мобильных операторов, как NetCom, Star Hub, Magyar Telekom, Mobily, Pepephone, SFR, Vodafone, Telecom (Spark), Ooredoo, Allo RTL, MEO, Lebara. Свяжитесь с нами если в чем-либо сомневаетесь.

• переход от CDMA+LTE пользовательских устройств только к LTE устройствам
• подготовка к использованию всех имеющихся частот только для LTE
• использование низких диапазонов частот для LTE с целью увеличения покрытия
• повышение спектральной эффективности
• переход к следующему поколению услуг - IMS услуг
• предоставить возможность для абонентов одновременной передачи данных с совершением голосовых вызовов
• повышение качества голоса (использование широкополосного кодека)
• уменьшение времени установления вызова (call setup time)

Для полного использования всех преимуществ, предоставляемых технологией VoLTE, необходимо выполнить несколько шагов оптимизации. Ниже приводятся аспекты для оптимизации VoLTE, которые относятся к радиосети и к мобильным устройствам и позволяют добиться надежной передачи голоса с хорошим качеством при низком уровне энергопотребления мобильными устройствами. Кроме этих аспектов, приводится сравнение VoLTE с другими решениями для передачи голоса такими, как передача голоса с использованием коммутации каналов (CS Voice) и OTT (Over-The-Top) VoIP решений.

Оптимизация радиосети

Ключевыми показателями производительности (применительно к голосовым сервисам) являются следующие:

• доля успешно установленных вызовов (setup success rate)
• доля успешных хэндоверов (handover success rate)
• доля успешно выполненных вызовов (call completion success rate)

Оптимизация радиосети, кроме улучшения приведенных выше характеристик, также имеет своей целью снизить количество радиоресурсов, необходимое для обработки одного голосового соединения, и увеличить максимальное количество соединений, которые могут одновременно обрабатываться в секторе. Такая оптимизация включает в себя оптимизацию конфигурационных параметров и активацию различной функциональности (feature activation). К такой функциональности может относиться: сжатие заголовков (Header Compression) ; объединение/группирование TTI (TTI bundling); поддержка качества обслуживания (QoS - Quality of Service) . Функциональность, приведенная в примерах, позволяет существенно повысить качество и эффективность технологии VoLTE по сравнению с OTT сервисами. Ниже на графике приводятся средний объем передаваемых данных на уровне IP в единицу времени при использовании VoLTE и различных вариантов VoIP.

Измерения производились для разговора длительностью две минуты и со следующей заранее определенной моделью: 23% времени "говорение", 23% слушание и 54% тишина. График показывает влияние скорости кодека (codec bit rate) и эффективности обнаружения активности на объем передаваемых данных. При использовании стандартного VoLTE с кодеком AMR WB (Adaptive Multirate Wideband) объем передаваемых данных будет равен 10.2 Кбит/с при скорости кодека 23.85 Кбит/с и 8.8 Кбит/с при скорости кодека 12.65 Кбит/с.
При использовании приложения (это все еще VoLTE, но с использованием отдельного приложения, например, Bria и CSipSimple) с SIP (Session Initiation Protocol) и кодеком AMR WB объем передаваемых данных составляет около 8 Кбит/с, если используется функция обнаружения активности. В этом случае наблюдается наименьший объем передаваемых данных среди всех рассматриваемых вариантов. Такой результат достигается благодаря тому, что во время пауз в разговоре ничего не передается. Однако, следует отметить, что это так же существенно снижает оценку по качеству - MOS (Mean Opinion Score). При использовании этого же приложения только с кодеком EFR NB (Enhanced Full rate Narrowband) объем данных составляет 17.3 Кбит/с (из-за менее эффективного механизма определения активности).
При использовании трех различных OTT VoIP приложений объем передаваемых данных составляет от 17.6 Кбит/с до 42.8 Кбит/с. В качестве OTT VoIP приложений использовались Skype, Facetime и Viber.

Значения, приведенные на диаграмме выше, включают в себя полный размер IP заголовков. Для увеличения спектральной эффективности между базовой станцией и мобильным терминалом может использоваться сжатие заголовков (Robust Header Compression, ROHC). На следующей диаграмме изображена выгода от использования механизма сжатия заголовков.

Когда не используется сжатие заголовков, размер IP заголовка составляет 40 байт. Использование ROHC позволяет уменьшить размер IP заголовка до 5 байт, что особенно важно при передаче голоса, так как размер пакетов в этом случае достаточно мал. Например, при использовании кодека AMR со скоростью 23.85 Кбит/с размер пакета составляет 60 байт, а при кодеке AMR со скоростью 12.65 Кбит/с - 32 байта. Как можно видеть, размер полезных данных может быть даже меньше, чем размер IP заголовка, если сжатие заголовков не используется. Таким образом, использование функциональности сжатия заголовков позволяет существенно увеличить количество одновременно поддерживаемых VoLTE соединений.

Улучшить характеристики VoLTE при восходящей передаче (Uplink, UL) можно с помощью функциональности группирования TTI (TTI Bundling). Эта функциональность позволяет мобильному терминалу повторять передачу тех же самых данных на протяжении четырех идущих друг за другом TTI. Что увеличивает надежность передачи и увеличивает покрытие сети на 4 дБ. При этом, вероятность ошибки (Block Error Rate, BLER) может быть снижена с 73% до 9%. Более низкая вероятность ошибки позволяет поддерживать хорошее качество голосовой связи и избегать необязательных повторных передач, которые потребляют значительное количество радиоресурсов. Функциональность группирования TTI используется только для мобильных терминалов, которые находятся в плохих радиоусловиях (например, на границе соты).

Для обеспечения высокой доли удачно обработанных VoLTE вызовов необходима надежная передача управляющей информации, которая может быть достигнута с помощью соответствующего канального кодирования особенно в условиях интерференции. Кроме этого, для достижения высокой доли удачно обработанных VoLTE вызовов нужно контролировать уровень интерференции и чрезмерную передачу управляющей информации в сильно загруженных секторах. На следующем рисунке изображен пример графика доли удачно обработанных VoLTE вызовов, который построен на основе измерений (десятки миллионов VoLTE вызовов) в реальной сети одного из операторов. Доля удачно обработанных VoLTE вызовов превышает значение 99.7%. Что говорит о возможности успешно обрабатывать VoLTE вызовы даже в условиях высоко загруженной сети.

Еще один важный показатель при обработке VoLTE вызовов - обеспечение надежной мобильности. Доля успешных хэндоверов (handover) может быть улучшена с помощью RF планирования и использованием функциональности Nokia iSON (Self Organizing Network), например, Mobility Robustness Optimization.

Когда мобильный терминал выходит за границы зоны обслуживания LTE, VoLTE вызов может быть переведен в сети третьего или второго поколения. Такая процедура называется SRVCC - Single Radio Voice Call Continuity. Если у оператора зона покрытия LTE достаточно обширная, то и вероятность SRVCC не высока. Низкая вероятность SRVCC позволяет полностью использовать преимущества LTE и минимизировать ухудшение качества голосовых вызовов, а также обрывов. Значения конфигурационных параметров тоже влияют на вероятность SRVCC. Например, значение минимального RSRP (Reference Signal Received Power), которое определяет пороговое значение для начала процедуры SRVCC. За тот же трех месячный период, что и на графике выше, вероятность SRVCC с помощью оптимизации сети удалось снизить с 7% до 3%. Общее же количество SRVCC попыток за этот период времени было более одного миллиона.
SRVCC процедура доступна для соединений с QCI1, но не для OTT VoIP. Если в случае OTT VoIP соединения мобильный терминал выходит за границы LTE покрытия, то дальнейшее обслуживание этого вызова осуществляется в сетях второго или третьего поколения с качеством "наилучшей попытки" (best effort), а не как голосового соединения. Если в сетях третьего поколения качество VoIP вызова может быть приемлемым, то в случае с сетями второго поколения VoIP не работает на практике. Также перерыв в соединении (connection break) во время межсистемного хэндовера (inter-system handover) для соединения с качеством "наилучшей попытки" значительно больше, чем во время SRVCC для соединения с качеством QCI1.

Оптимизация качества голоса (Voice Quality)

Качество голоса прямо зависит от характеристик используемого кодека. А именно, от частоты дискретизации кодека и выходные граничные частоты. Например, узкополосный кодек AMR (AMR Narrowband) имеет на выходе сигнал с частотами 80-3700 Гц. А широкополосный AMR (AMR Wideband) - 50-7000 Гц. В свою очередь, оборудование со стороны мобильных терминалов также может накладывать ограничения на граничные частоты, которые могут быть воспроизведены (более подробно см. 3GPP TS 26.131). В сетях третьего поколения могут использоваться либо узкополосный, либо широкополосный AMR. В случае же VoLTE вызовов, как правило, используется широкополосный AMR. Объем данных, который передается при использовании широкополосного AMR в сетях третьего поколения, находится в диапазоне от 6.6 Кбит/с до 12.65 Кбит/с. При VoLTE верхняя граница может достигать 23.85 Кбит/с, что положительно сказывается на качестве передаваемого голоса.

Среднее мнение пользователей о качестве передаваемого голоса может быть выражено через MOS (Mean Opinion Score). Стоит отметить, что задержка передачи также влияет на качество голосовой связи. Традиционно, во время тестирования качества сети производятся следующие измерения: ACR (Absolute Category Rating); тесты прослушивания (определены в рекомендации ITU-T P.800). Тесты прослушивания используются для сбора субъективных оценок качества голоса. Оценка дается по пятибальной шкале (1 - плохо, 5 - отлично). И усредненные оценки представляются как MOS (Mean Opinion Score).

В дополнение к субъективным мнениям аббревиатура MOS обычно используется и для оценок, полученных с помощью объективных моделей. Объективные методы зачастую более точно отражают реальное положение дел, чем субъективные методы. Наиболее современный стандартизованный алгоритм для объективного оценивания называется Perceptual Objective Listening Quality Assessment (POLQA, см. ITU-T P.863) и имеет два режима: узкополосный (narrowband, NB) и супер широкополосный (super wideband, SWB). В режиме SWB верхняя граница частоты, которая обрабатывается, может достигать 14 кГц.

На графике ниже представлена средняя оценка MOS в случае использования различных голосовых приложений.

MOS для SIP клиентов может быть увеличена до 3.4-3.6 с помощью настроек, например, выключением функциональности для автоматического определения активности. Однако, это влияет на объем передаваемых данных (их становится больше) и увеличивает энергопотребление со стороны мобильного терминала. В случае с VoLTE MOS также может быть увеличен с помощью использования новых кодеков (например, SWB - super wideband и FB - full band). 3GPP определил новые кодеки, которые называются Enhanced Voice Services (EVS), в спецификации Release 12.

Далее приводится сравнение качества голоса при использовании одного из OTT VoIP приложений и VoLTE в условиях различной загрузки сети. Как отмечалось выше, VoLTE использует соединений с QCI1 , а OTT VoIP соединение без гарантий по пропускной способности. Поэтому базовая станция приоритезирует пакеты данных, относящиеся к VoLTE, во время распределения радиоресурсов. На графике ниже приводится MOS в зависимости от загрузки сети. Измерения производились для двух ситуаций: хорошие радиоусловия, уровень сигнала равен -80 дБм; плохие радиоусловия, уровень сигнала равен -110 дБм.

Из приведенного графика видно, что качество голоса при использовании VoLTE остается стабильным, несмотря на увеличение загрузки сети. В то время, как качество голоса при использовании OTT VoIP заметно снижается с увеличением нагрузки. Кроме этого, при использовании OTT VoIP в условиях высокой нагрузки часто наблюдаются обрывы связи. Также в обоих случаях наблюдается некоторая разница в качестве голоса в зависимости от того в каких радиоусловиях (плохих или хороших) находится мобильный терминал.

Еще одной ключевой характеристикой влияющей на качество голосовой связи является задержка передачи данных (здесь и далее под задержкой передачи данных понимается англоязычный термин "mouth-to-ear delay"). На следующем графики приводятся значения задержки передачи данных для VoLTE и OTT VoIP в зависимости от нагрузки в сети.

Как видно на графике, задержка передачи данных в случае использования VoLTE остается практически постоянной. Чего нельзя сказать про OTT VoIP, где задержка увеличивается с ростом нагрузки в сети.

Следующей важной характеристикой является время установления вызова. На графике ниже приводится время установления вызова для VoLTE и сетей третьего поколения. Время установления вызова зависит от нескольких факторов. Например, в каком состоянии находится мобильный терминал (RRC_IDLE или RRC_CONNECTED) и задержка передачи сигнальной информации. Измерения в лаборатории показывают, что время установления вызова при использовании VoLTE занимает 0.9-2.2 сек. В реальных сетях операторов это время чуть выше (зависит от конкретной сети и транспортной архитектуры). Соответствующее типичное значение в сети с коммутацией каналов составляет 4 секунды. В случае же использования CS Fallback (CSFB) с обоих сторон время установления вызова составляет около 6 секунд.

Для того, чтобы минимизировать время установления вызова оператор может специально настроить процедуру пейджинга (paging) для входящих VoLTE вызовов. Пейджинг процедура инициируется MME (Mobility Management Entity) . В случае входящего VoLTE вызова MME может применять специальные правила для снижения времени установления вызова. Для этого MME необходима дополнительная информация о входящем соединении (чтобы отличить VoLTE от остальных сервисов), которую можно предоставить в сообщении Downlink Data Notification (DDN) от обслуживающего шлюза (Serving Gateway) . В свою очередь IMS так же может помочь обслуживающему шлюзу в идентификации VoLTE соединений, используя специальное значение DSCP (Differentiated Service Code Point).

На следующем графике представлен пример из реальной сети распределения времени от начала процедуры пейджинга до отправки сообщения Service Request.

Для VoLTE может использоваться более короткий таймер для повторной отправки пейджинга. Например, 2 секунды. Также MME может быть сконфигурирован, чтобы отправлять пейджинг сообщения сразу по всей области отслеживания (Tracking Area) , а не только сектора, где последний раз был зарегистрирован мобильный терминал.

Оптимизация энергопотребления мобильного терминала

Время жизни батареи мобильного терминала без подзарядки является одним из наиболее важных факторов для пользователей смартфонов. Это время может быть увеличено за счет оптимизации дизайна/архитектуры самого терминала и за счет использования дополнительной функциональности в радиосети. Ключевыми моментами являются следующие:

• Интеграция VoLTE функциональности в чипсет. Тогда основной процессор во время VoLTE звонков может находиться в режиме энергосбережения (sleep mode);
• Использование Discontinuous Reception (DRX) функциональности на радиоинтерфейсе. Это позволяет снизить активность модема со 100% до менее 50%.

Идея DRX заключается в том, чтобы во время между получением VoLTE пакетов переводить мобильный терминал в режим сбережения энергии. VoLTE пакеты передаются каждые 20 мс, а время передачи занимает всего 1 мс. Активация и конфигурация DRX контролируется базовой станцией. Например, DRX может быть сконфигурен так, чтобы принимать VoLTE пакеты раз в 40 мс, таким образом за раз будут передаваться два VoLTE пакета. В этом случае время передачи VoLTE пакетов также будет увеличено до 40 мс. Ниже на рисунке приводится график энергопотребления мобильного терминала во время VoLTE вызова с использованием DRX, когда абонент слушает своего собеседника и не говорит.

Пики энергопотребления видны практически каждые 40 мс во время приема пакетов с данными. Между пиками энергопотребление находится на достаточно низком уровне благодаря DRX функциональности.

На следующем рисунке приводятся значения энергопотребления при использовании различных голосовых приложений. Отметим, что энергопотребление при использовании VoLTE может быть снижено на 80% благодаря DRX функциональности.

Энергопотребление в 121 мА при использовании VoLTE с DRX это даже меньше, чем энергопотребление с сетях с коммутацией каналов (второе и третье поколение сетей). Энергопотребление при использовании OTT VoIP существенно выше.

Заключение

Функциональность VoLTE уже внедряется по всему миру, чему способствует доступность мобильных терминалов с поддержкой этой функциональности. VoLTE позволяет повысить эффективность сетей операторов и улучшить пользовательский опыт в области голосового сервиса. В данной статье приведены основные моменты по оптимизации радиосети и конфигурационных параметров, необходимые для того, чтобы предоставлять качественные голосовые услуги на базе решения VoLTE. Приведенные результаты с реальных сетей показывают, что при правильном подходе к конфигурации и настройки сети можно достичь требуемых целевых характеристик.

Также в статье отмечены основные преимущества решения VoLTE по сравнению с решениями OTT VoIP. К основным преимуществам относится надежность связи в условиях нагруженной сети и более низкое энергопотребление мобильного терминала.

Если вы не нашли интересующую вас информацию по LTE/LTE-A в этой статье, напишите мне об этом письмо на [email protected]. Я постараюсь ее добавить в кратчайшие сроки.

Введение

Стандарт LTE (E-UTRA) рассматривают в настоящее время как наиболее перспективный для реализации широкополосного мобильного радиодоступа. Организация радиоканалов со скоростями в десятки и сотни мегабит/с, возможность предоставления любых видов пакетных услуг: VoIP, видео, игр в реальном времени, чтения файлов из Интернета, совместимость сетей LTE с Интернетом и с действующими пакетными сетями GERAN/UMTS и CDMA2000 – все это способствует большим надеждам, которые операторы телекоммуникационных компаний связывают с развертыванием LTE-структур.

В сравнении с предшествующими стандартами сотовой связи стандарт LTE обладает рядом существенных преимуществ. С появлением сетей LTE стираются различия между сетями сотовой связи (GSM, UMTS, CDMA-2000) и сетями радиодоступа семейства IEEE 802.X: 802.11 (Wi-Fi) и 802.16 (WiMAX). Фактически стандарты 3-го поколения GERAN (модернизированный GSM) и UTRAN в своих аббревиатурах позиционируют себя как сети радиодоступа – Radio Access Network. Это означает, что пользовательское оборудование может быть любым – от компактных мобильных телефонов (“трубок”) до персональных компьютеров различной производительности. Переход к радиосетям 4-го поколения требует предоставления услуг широкополосного доступа с целью увеличения скоростей передачи на порядок. Скорости в десятки мегабит/с в полосе 20 МГц реализованы в сетях Wi-Fi и WiMAX. В сетях LTE Rel.8 полоса рабочих частот также может достигать 20 МГц, что позволяет получить те же скорости, что и в сетях WiMAX. Однако в отличие от сетей WiMAX сети LTE имеют выход на существующую инфраструктуру сотовых сетей и, прежде всего, на глобальную сеть GERAN/UMTS. Абоненты LTE получают услуги глобального роуминга, а при использовании многостандартных терминалов GERAN/UMTS/LTE обслуживание в тех местах, где сети LTE пока не развернуты.

В стандарте LTE гармонически соединились передовые технологии 21 века. На физическом уровне в LTE использована технология OFDM, обеспечивающая высокие скорости передачи в радиоканалах с многолучевым распространением радиоволн. На уровне соединений (L2) и сетевом уровне (L3) за основу взяты протоколы стандарта UTRA (UMTS) при высокоскоростной передаче трафика с коммутацией пакетов. Поэтому стандарт LTE по праву является новым этапом развития сетей радиодоступа Evolved UTRA. За прошедшие 5 лет со дня появления стандарта LTE претерпел существенную модернизацию. Новая версия стандарта LTE-A (Advanced) Rel.10, 11 обеспечивает высокое качество предоставляемых услуг и сквозные скорости в сотни мегабит/с. Для достижения подобных скоростей в LTE-A используют совместно 2 технологии:

Расширение полосы передаваемого сигнала за счет агрегации рабочих полос,

Пространственное мультиплексирование передаваемых сигналов.

Агрегация полос позволяет увеличить суммарную полосу до 5×20 = 100 МГц. Пространственное мультиплексирование предоставляет возможность одновременно передавать в одном частотном канале до 8 различных потоков данных. В результате скорости передачи в радиоканале возрастают на порядок.

Другой отличительной чертой сетей LTE является прописанная в спецификациях неоднородность их структур. Кроме макро, микросот и пикосот в зданиях предполагается широкое использование фемтосот – домашних базовых станций по сути аналогичных точкам доступа в сетях Wi-Fi. При этом появляется возможность высококачественного обслуживания абонентов, находящихся в помещениях, что создает конкурентную среду с другими сетями радиодоступа. Улучшению связи также будет способствовать использование прописанных в спецификациях релейных станций LTE.

В стандарте LTE все типы трафика, включая голосовой, передают с коммутацией пакетов. Сети LTE являются all-IP сетями, где все интерфейсы, кроме радиоинтерфейса, построены на основе IP-протокола. Это позволяет унифицировать структуру интерфейсов транспортной сети, широко использовать туннельные соединения, технологию IMS при организации услуг, применять стандартные в сети Интернета методы защиты информации. Существенно упрощаются межсистемные сигнальные соединения и протоколы передачи пакетов трафика.

Последние годы идет поток публикаций по сетям LTE. Среди учебных изданий на русском языке выделим 2 учебных пособия, вышедших в 2011/2012 гг , . В октябре 2012г. появилось значительное по объему новое учебное пособие . К 2011г была окончательно специфицирована новая версия стандарта, получившая название LTE-A (Advanced, Rel.10). Работа по расширению возможностей в организации структур сетей LTE и в предоставлении услуг интенсивно продолжается и сейчас. Практически завершено формирование Rel.11 спецификаций, появились спецификации Rel.12. Происшедшие за последние 2 года изменения в стандарте отражены в данном издании. Отметим также, что развертывание и успешная эксплуатация сетей LTE требуют изучения процедур обслуживания абонентских станций на уровне соответствующих сетевых протоколов. Публикаций по этим вопросам крайне мало, в том числе и на английском языке, и фактически единственным источником для работы являются спецификации E-UTRA.

Пособие состоит из 4 глав. В главе 1 приведены основные сведения о сетях LTE. Читателям учебных пособий и этот материал будет в основном знаком, но он необходим для тех, кто только начинает изучать стандарт. Глава 1 дополнена новыми сведениями из Rel.10 и 11, относящимся к фемтосотам.

В главе 2 по-новому изложены вопросы применения в LTE технологий OFDM и MIMO, описана технология агрегации частотных полос.

В главе 3 рассмотрены процедуры физического уровня и уровня МАС. Наконец, в главе 4 приведены алгоритмы и описаны процедуры уровня L3 с необходимой для их понимания детализацией. Все материалы пособия основаны на спецификациях E-UTRA Rel.10 и 11.

1. Основные сведения о сетях lte

1.1. Структура сети lte и принципы работы

Сети стандарта E-UTRAN (LTE) предназначены для обмена пакетным трафиком как между различными абонентами сетей радиодоступа, так и для доставки пакетов на абонентский терминал с интернет-серверов. Сети LTE относят к all-IP сетям, где внутрисетевые интерфейсы строят на основе IP-протоколов. Структура сети LTE представлена на рис. 1.1.

Рис.1.1. Структура сети LTE

Сеть включает в себя мобильные терминалы (UE – User Equipment), сеть радиодоступа E - UTRAN ( Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network ) и новое ядро сети Evolved Packet Core ( EPC ) . Для обслуживания абонентов сеть имеет выход на сети с предоставлением услуг по IP-протоколу и на домашние сети абонентов (HSS – Home Subscriber Server).

Сеть радиодоступа E-UTRAN построена как совокупность узлов базовых станций eNB (E-UTRAN NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) (рис.1.1) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети PDN GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами. На рис. 1.1 соединения для передачи данных показаны толстыми линиями, сигнальные соединения – тонкими.

eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1.При этом интерфейс S1 в пользовательской плоскости S1-U (User Plane) непосредственно замыкается на обслуживающий шлюз S-GW (Serving Gateway), в то время как сигнальная часть интерфейса S1-C (Control Plane) следует на MME – Mobility Management Entity.

UE (абонентский терминал) подключенный к сети LTE, может находиться в состоянии CONNECTED (ACTIVE ) или в состоянии IDLE . В состоянии CONNECTED идет обмен сообщениями (как сигнальными, так и пакетами трафика) по радиоинтерфейсу. В состояние IDLE станцию переводят на время пауз в сеансе связи. В этом состоянии абонент сохраняет свой IP-адрес, сеть поддерживает абонентские базы данных, а местоположение абонента определено с точностью до зоны слежения Tracking Area .

eNB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения. Для каждого активного абонента в eNB открыта база данных. eNB

обеспечивает передачу трафика и сигнализации в радиоканале,

управляет распределением радиоресурсов,

обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,

выбирает обслуживающий MME,

поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,

обеспечивает шифрацию всех пользовательских сообщений и целостность передачи сигнализации по радиоканалу ,

выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,

производит обработку данных и сигнализации на уровне L2 ,

организует хэндоверы,

поддерживает услуги мультимедийного вещания.

MME :

ведет базы данных абонентов, зарегистрированных в сети,

выбирает S-GW и PDN GW при подключении абонентов к сети,

обеспечивает передачу и защиту сигнализации NAS (Non Access Stratum) по протоколам MM (Mobility Management) SM (Session Management) между MME и UE ,

обеспечивает локализацию, аутентификацию и авторизацию абонентов,

участвует в организации межсетевых связей и хэндоверов,

организует вызовы UE, находящихся в состоянии IDLE,

ведет сигнальный обмен с eNB при организации сквозных каналов.

Каждый UE, зарегистрированный в сети, обслуживает один Serving Gateway . S - GW – обслуживающий шлюз:

выполняет функции “якоря” в визитной сети, маршрутизируя трафик при перемещениях UE в состоянии CONNECTED от одного eNB к другому (хэндовере),

ведет базу данных абонентов, зарегистрированных в сети,

участвует в организации сквозных каналов с eNB и PDN GW, а также сигнальных соединений с MME при регистрации абонента в сети и при выполнении процедуры локализации,

предоставляет учетные данные для тарификации и оплаты выполненных услуг.

PDN GW:

является “якорем” при подключении внешним IP-сетям; ведет базу данных абонентов, подключенных к нему,

организует точку доступа к внешним IP-сетям,

активизирует статический IP-адрес абонента; если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, PDN GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту,

обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс SGi и фильтрацию входящих пользовательских пакетов данных,

организует сквозные каналы и сигнальные соединения между S-GW PDN GW,

устанавливает требуемые качественные характеристики сквозных каналов на основе установок, полученных от PCRF, в том числе максимальные и минимальные скорости передачи данных в сквозных каналах в соответствии с качественными характеристиками передаваемого трафика QCI (QoS Class Identifier) ,

ведет учёт предоставленных абонентам услуг.

PDN GW обычно находится в домашней сети абонента, а S-GW, MME и eNB в визитной. Если абонента обслуживает домашняя сеть, то PDN GW и S-GW связаны интерфейсом S5; если S-GW находится в визитной сети, а PDN GW в домашней, то между ними интерфейс S8, представляющий собой межсетевой вариант S5.

Policy and Charging Resource Function (PCRF ) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) шлюза PDN GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации. PCRF находится в домашней сети абонента. Согласно спецификациям PCRF является опциональным узлом, но большинство операторов строят сети с PCRF.

HSS – Home Subscriber Server, обеспечивает выполнение процедур безопасности в сети LTE, исполняя функции HLR и AuC в сетях GSM/UMTS . HSS поддерживает сигнальную сеть IMS при организации услуг. ММЕ имеют прямой выход на HSS через интерфейс S6a по протоколу Diameter.

В сетях LTE при передаче информации в транспортной сети используют IP-технологии. Все элементы сети LTE имеют локальные IP-адреса. Структура интерфейса S1 представлена на рис. 1.2.

Сигнальные сообщения по S1 (S1 – Control Plane) следуют между eNB и MME. Подуровни L2 SCTP (Stream Control Transmission Protocol) и IP поддерживают стандартный транспорт для передачи сигнальных сообщений. В частности, SCTP обеспечивает надежность передачи и последовательность доставки сообщений.

В пользовательской плоскости S1 (S1 - User Plane) для обмена пакетами между eNB и S-GW используют туннельное соединение . Структура туннеля приведена на рис. 1.3, а формат сообщений, передаваемых по туннелю, на рис. 1.4.

a) б)

Рис.1.2. Интерфейс S 1

Рис.1.3. Структура туннельного соединения

Информационное сообщение

Рис.1.4. Формат пакетов, передаваемых по туннелю

Залитая часть пакета (рис.1.4) состоит из трех подзаголовков трех подуровней туннельного протокола, содержащих:

IP – локальные IP-адреса функциональных узлов, между которыми организован туннель;

UDP – номера портов в соответствующих функциональных узлах;

GTP – идентификатор собственно туннеля, помеченный его конечной точкой TEID (Tunnel Endpoint Identifier). TEID – 32-битовое двоичное число, выделяемое при организации туннеля приемной стороной . При создании двунаправленных туннельных соединений, например, на интерфейсе S1 между eNB и S-GW, фактически организуют 2 туннеля, один из которых имеет TEID в eNB для передачи пакетов трафика вниз, а другой в S-GW для передачи вверх. Туннельный протокол используют для передачи трафика и на интерфейсе S5/S8. В сетях LTE туннели организуют не только для передачи пакетов трафика, но и сигнализации . Сигнальные туннели реализованы на интерфейсах S5/S8 и S11.

После подключения к сети абонентской станции для абонента открывают базы данных в ММЕ, S-GW и PDN GW, организуя туннельные соединения на интерфейсе S5/S8. При этом абоненту, имеющему индивидуальный системный номер IMSI (International Mobile Subscriber Identity), ММЕ назначает временный номер M-TMSI (MME Temporary Mobile Subscriber Identity) длиной 32 бита.

Как было сказано, после подключения к сети E-UTRAN UE может находиться в двух состояниях: ECM _ CONNECTED и ECM _ IDLE 1 . В состоянии CONNECTED (ACTIVE ) активизировано соединение на радиоинтерфейсе между UE и eNB, в обслуживающем eNB открыта база данных UE, и организованы сквозные каналы на интерфейсе S1 для передачи сигнализации или трафика. Местоположение абонента известно с точностью до соты, а при перемещении абонента от одного eNB к другому происходит процедура хэндовера (рис.1.5).

Рис.1.5. Процедуры при перемещении абонента по сети LTE

В перерывах передачи трафика по радиоканалу сеть переводит UE в состояние IDLE . В этом состоянии сохраняются базы данных абонента в ММЕ, S-GW, PDN GW и туннели на интерфейсах S5/S8 и S11. Станция в состоянии IDLE локализована с точностью до зон слежения (Tracking Area). Зона слежения – это группа сот, через которые передают одновременно сигналы пейджинга (вызов по радиоканалу при поступлении входящего трафика). Для передачи пейджинга используют идентификатор S-TMSI = MMEC + M-TMSI <40бит>. MMEC – код обслуживающего ММЕ <8 бит>. Аналогично в пакетных сетях GERAN/UTRAN станция локализована в зоне маршрутизации (Routing Area). Однако, в отличие от сетей GERAN/UTRAN, в E-UTRAN, ММЕ может зарегистрировать станцию в нескольких зонах слежения одновременно, сообщив UE список этих зон (TAI-list).

Перемещаясь по сети в состоянии IDLE , UE прослушивает сигналы eNB, совершая процедуру реселекции сот , т.е. переключаясь на eNB с наиболее сильным сигналом. При переключении на eNB, расположенном в зоне, отсутствующей в списке, UE запускает процедуру локализации . При этом происходит обновление базы данных абонента в ММЕ, а абонент получает новый временный номер M-TMSI.

M-TMSI является частью глобального временного идентификатора, который получает абонент, обслуживаемый в сети LTE. Этот идентификатор GUTI (Globally Unique Temporary Identifier) состоит из глобального идентификатора ММЕ GUMMEI и M-TMSI: GUTI = GUMMEI + M-TMSI. GUTI записывают и сохраняют в USIM-карте. После завершения сеанса связи база данных абонента в ММЕ стирается не сразу. Она блокируется на время, установленное оператором. Если в течение этого времени абонент снова подключится к сети LTE, то он может идентифицировать себя как GUTI. В результате упрощается процедура запуска нового сеанса связи (процедура Attach ) и обеспечивается более высокая степень безопасности абонента (см. далее описание процедуры Attach в 4.3).

Сети E-UTRAN (LTE), как правило, строят во взаимодействии с действующими сетями с коммутацией пакетов стандартов GERAN/UTRAN. Структура интегральной сети GERAN/UTRAN/E-UTRAN показана на рис.1.6 В этой сети MME и SGSN связаны сигнальным интерфейсом S3, а трафик в подсеть GERAN/UTRAN следует через S-GW и PDN GW.

Рис.1.6. Интегральная сеть GERAN / UTRAN / E - UTRAN

В сети UTRAN на рис.1.6 показано прямое туннельное соединение в пользовательской плоскости между S-GW и RNC посредством интерфейса S12. Такое соединение возможно при использовании в сети UTRAN оборудования Rel.7 и последующих релизов. Возможно и непрямое соединение, когда передачу пакетов трафика осуществляют по двум последовательным туннелям S-GW ↔ SGSN, SGSN ↔ RNC.

Интерфейс S4 позволяет осуществлять межсистемный хэндовер, т.е. переключение в процессе передачи трафика UE из сети E-UTRAN в GERAN/UTRAN и обратно. Для упрощения процедур смены абонентом сети обслуживания в стандарт LTE введена специальная функция ISR (Idle Mode Signaling Reduction). Идея состоит в том, что при активизации ISR абонента регистрируют параллельно в обеих сетях: в ММЕ и SGSN. О совместной регистрации информируют HSS. UE получает параметры, установленные SGSN (временный номер P-TMSI, идентификатор зоны маршрутизации), ММЕ (GUTI и список зон слежения), а также список активизированных контекстов, общих для обеих сетей. SGSN и ММЕ хранят адреса друг друга. В состоянии IDLE UE может переключаться из одной сети в другую, а сигналы пейджинга можно передавать одновременно по зоне маршрутизации в сети GERAN/UTRAN и зонам слежения в E-UTRAN. Функция ISR обязательна для многомодовых терминалов, которые могут работать в интегральной сети GERAN/UTRAN/E-UTRAN. В свою очередь сеть E-UTRAN поддерживает ISR опционально, индивидуально для каждого UE.