LTE – Wprowadzenie do sieci komórkowych
Long Term Evolution (LTE) to standard bardzo szybkiego połączenia bezprzewodowego dla urządzeń mobilnych, który był ostatnim krokiem do wprowadzenia 4 generacji technologii radiowych. Zostało zaprojektowane, żeby wspierać nowe protokoły OFDMA (Orthogonal Frequency Domain Multiple Access) oraz SC-FDMA (Single-Carrier FDMA).
Ma zapewnić:
- mniejsze koszty
- lepsze doświadczenia / wrażenia użytkownika
- elastyczność w wykorzystywaniu pasm częstotliwości
- uproszczona architektura
- rozsądne zużycie energii
Pojęcia dot. sieci LTE
Nigdy nie zapomnę, gdy technicy omawiający działanie sieci korzystali naprzemiennie z słów uplink i downlink. Nie miałem kompletnie pomysłu co mogli mieć wtedy na myśli, więc po chwili wyciągnąłem smartfon i szybko zrozumiałem, że to najprostsze istniejące definicje jakie musimy poznać.
Uplink (wysyłanie / upload) – pasmo częstotliwości, na którym urządzenie końcowe (smartfon) transmituje sygnał do stacji bazowej (antena).
Downlink (pobieranie / download) – pasmo częstotliwości, na którym stacja bazowa wysyła dane do urządzenia końcowego.
Sposoby transmisji danych
Podstawą do poznania LTE jest przeanalizowanie sposobów przesyłu danych. Opiszę dwie najpopularniejsze metody, gdzie jedna była wykorzystywana w technologii 3G i wcześniejszych oraz druga jest stosowana obecnie. Mowa o komutacji kanałów i komutacji pakietów.
Komutacja kanałów (Circuit Switching) – na czas połączenia jest wybierana droga do celu, przez którą dane są transferowane do punktu docelowego. Połączenie następuje dopiero po wybraniu dostępnych kanałów, w trakcie transmisji trasa nie ulega zmianie.
Komutacja pakietów (Packet Switching) – główną cechą jest dzielenie danych na mniejsze części zwane pakietami, gdzie każdy kawałek może być transferowany inną drogą. Są ponumerowane, więc nie ma problemu z kolejnością docierania pakietów do celu.
User plane / Control plane
Żeby zadbać o jak najłatwiejszą implementację sieci dla operatorów, dane użytkownika i dane sygnalizacyjne zostały podzielone na dwie płaszczyzny, User plane i Control plane.
User plane (U-plane) – odpowiada za transmisję danych użytkownika.
Control plane (C-plane) – zarządza ruchem sygnalizacyjnym, jest odpowiedzialna za routing. Funkcje C-plane obejmują konfigurowanie i zarządzanie systemem.
Dokładniejszy opis U-plane i C-plane pojawi się w innym wpisie. Poruszę między innymi temat stosu protokołów danego komponentu oraz rozszerzę informacje na ich temat.
Warto wspomnieć w jaki sposób zostały zaimplementowane interfejsy radiowe, jakie technologie wykorzystuje sieć LTE przy transmisji pakietów. Mowa oczywiście o TDD i FDD.
TDD (Time Division Duplex) – transmisje na uplinku i downlinku znajdują się na tym samym kanale częstotliwości (nie więcej jak 20MHz). Kanał jest podzielony na dwa sloty czasowe, które mogą być wykorzystane do wysyłania i pobierania.
FDD (Frequency Division Duplex) – uplink oraz downlink korzystają z dwóch innych pasm częstotliwości (nie więcej jak 20MHz). Interferencji zapobiegamy poprzez zaimplementowanie dwóch kanałów w bezpiecznej od siebie odległości.
Architektura sieci LTE
Zanim przejdziemy do opisu konkretnych elementów architektury LTE chciałbym przedstawić w jaki sposób dzielimy komponenty i w czego skład wchodzą.
Sieć możemy podzielić na 3 części:
- E-UTRAN
- EPC
- PDN
E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestial Radio Access Network) – zarządza transmisję radiową pomiędzy urządzeniem użytkownika i EPC. Tak naprawdę składa się z tylko jednego elementu – eNB.
EPC (Evolved Packet Core) – rdzeń architektury sieci LTE. Żeby opisać EPC trzeba przeanalizować elementy rdzenia: MME, S-GW, P-GW oraz HSS. Sposobem transmisji jest komutacja pakietów (packet-switching).
PDN (Packet Data Network) – sieć, która dostarcza „internet”. Bardzo ogólnikowe pojęcie.
Teraz, gdy znamy już z jakich części składa się sieć LTE oraz potrafimy co nieco powiedzieć na ich temat myślę, że możemy przejść do opisu elementów, które tworzą sieć.
Elementy E-UTRAN
UE (User equipment) – to jest urządzenie z którego łączymy się ze stacja bazową evolved-NodeB (eNB). UE możemy podzielić na 2 komponenty:
- MT (Mobile Termination) – zarządza funkcjami komunikacji,
- TE (Terminal Equipment) – umożliwia zaangażowanym stacjom wykonania misji, dla której ustanowiono łącze.
Oraz bardzo ważny element karta SIM (Subscriber Identity Module), nazywana również jako UICC (Universal Integrated Circuit Card). Posiada potrzebne informacje takie jak numer telefonu, czy potrafi zidentyfikować abonenta.
e-NodeB – stacja bazowa, która jest bezpośrednio podłączona do UE. Posiada 2 główne funkcje:
- wysyła transmisje radiowe do wszystkich urządzeń na downlinku oraz odbiera transmisje od wszystkich na uplinku,
- kontroluje niskopoziomowe operacje, wysyłając sygnały do urządzeń mobilnych.
Wszystkie stacje bazowe są podłączone między sobą przy pomocy interfejsu X2. Z UE łączy się dzięki LTE-Uu. Przekazują transmisję do EPC.
X2 – służy do połączenia dwóch urządzeń eNB (również tych dostarczonych przez innych producentów).
LTE-Uu (LTE UMTS air interface) – interfejs, który działa pomiedzy UE i eNB. Rozwiązanie C-plane kontroluje wszystkie pakiety, przegląda cały ruch, natomiast U-plane dba o transfer wszystkich danych użytkownika.
Elementy EPC
MME (Mobility Management Entity) – jest głównym węzłem odpowiedzialnym za zarządzanie i magazynowanie danych użytkownika takich jak tożsamości użytkowników, parametry ochrony czy stany mobilności. Jest to element C-plane.
S-GW (Serving gateway) – to brama U-plane to sieci E-UTRAN. Ma za zadanie zapewnić połączenie pomiędzy siecią radiową i rdzeniem.
P-GW (Packet data network gateway) – brama User Plane do sieci PDN. Zarządza pakietami przychodzącymi i wychodzącymi do PDN.
HSS (Home Subscriber Server) – pełni funkcje autoryzacyjne do sieci LTE oraz udostępnia wiele usług.
S1 – interfejs, który łączy ze sobą E-UTRAN i CN (core network). Zarządza przełączaniem, routingiem i kontroluje usługi. Dzielimy go na dwie instancje:
- S1-U (S1 user plane) – dba o połączenie eNB z S-GW,
- S1-MME (S1 control plane) – głównym zadaniem jest zapewnienie połączenia eNB i MME.
Podsumowanie
Myślę, że na chwilę obecną są to wystarczające informacje, które pozwolą zrozumieć topologie sieci LTE oraz jej schemat działania. W następnym wpisie poruszę temat stosu protokołów oraz zobaczymy jak dokładnie prezentuje się schemat wysyłania i odbierania pakietów.
Linki pomocnicze: