Организация связи в сетях LTE

Предисловие

Одним из наиболее перспективных направлений развития мобильной радиосвязи является стандарт LTE (Long-Term Evolution – Долговременное развитие), часто обозначается как 4G или 5G – стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными. Несмотря на то, что в этом стандарте заложено очень много передовых технологий по обработке радиосигналов, которые можно использовать не только в мобильной, но и в других видах радиосвязи, изучению этого стандарта в учебных заведениях уделяется очень мало внимания. Те, кто пытается изучать этот стандарт самостоятельно, сталкиваются с достаточно большими трудностями. Прежде всего очень мало учебников, статей и других материалов по этому вопросу на русском языке. При изучении приходится в основном использовать источники на иностранных языка, в основном это спецификации, но количество этих спецификаций очень большое, на их перевод потребуются годы, а определить требуемые для изучаемого вопроса спецификации достаточно сложно. Кроме того, в спецификациях используется огромное количество сокращений, некоторые из них имеют несколько различных расшифровок, причем, не все

сокращения, встречающиеся в данной спецификации, в ней же и расшифрованы, расшифровку некоторых сокращений только случайно можно найти в других спецификациях.

Цель написания этой работы – облегчить жизнь тем энтузиастам, которые пытаются самостоятельно изучать стандарт LTE.

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 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 отличие от многих телекоммуникационных систем, для которых спецификации (даже если их достаточно большое количество) имеют чётко выраженные “перечисляемость и предназначенность”, техническая документация на систему LTE представляет собой колоссальное количество разнообразных документов, разрабатываемых в рамках международного консорциума 3 GPP (3rd Generation Partnership Project) и открыто публикуемых на страницах всемирного форума www.3gpp.net. Такие документы сгруппированы в соответствующие серии по признаку общности какого-либо аспекта.

Технические спецификации, относящиеся непосредственно к сетям LTE, выделены в 36-ю серию. Наиболее значимыми спецификациями являются следующие:

– TS 36.101 Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception. Пользовательское Оборудование (UE) радиопередача и прием;

– TS 36.104 E-UTRA; Base Station (BS) radio transmission and reception. Базовая станция (BS) радиопередача и прием;

– TS 36.106 E-UTRA; FDD repeater radio transmission and reception. Радиопередача трансляции дуплексного канала с частотным разделением и прием;

– TS 36.113 E-UTRA; Base Station (BS) and repeater ElectroMagnetic Compatibility (EMC). Базовая станция (BS) и трансляционная Электромагнитная совместимость (ЭМС);

– TS 36.124 E-UTRA; Electromagnetic compatibility (EMC) requirements for mobile terminals and ancillary equipment. Электромагнитная совместимость (ЭМС) требования для подвижных терминалов и вспомогательного оборудования;

– TS 36.133 E-UTRA; Requirements for support of radio resource management. Требования для поддержки управления радио ресурсами;

– TS 36.141 E-UTRA; Base Station (BS) conformance testing. Базовая станция (BS) проверка на соответствие стандарту;

– TS 36.143 E-UTRA; FDD repeater conformance testing. FDD трансляция дуплексного канала с частотным разделением;

– TS 36.171 E-UTRA; Requirements for Support of Assisted Global Navigation Satellite System (A-GNSS). Требования для поддержки Глобальной Системы Навигационного искусственного спутника, (A-GNSS);

– TS 36.201 E-UTRA; LTE physical layer; General description. LTE Физический уровень; Общее описание;

– TS 36.211 E-UTRA; Physical channels and modulation. Физические каналы и модуляция;

– TS 36.212 E-UTRA; Multiplexing and channel coding. Мультиплексирование и канальное кодирование;

– TS 36.213 E-UTRA; Physical layer procedures. Процедуры физического уровня;

– TS 36.214 E-UTRA; Physical layer; Measurements. Физический уровень; Измерения;

– TS 36.216 E-UTRA; Physical layer for relaying operation. Физический уровень для ретранслирования операции;

– TS 36.300 E-UTRA and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2. E-UTRA и Развитая Универсальная Земная Сеть доступа Радио (E-UTRAN); Полное описание; Стадия 2;

– TS 36.302 E-UTRA; Services provided by the physical layer. Обслуживание снабжения физическим уровнем;

– TS 36.304 E-UTRA; User Equipment (UE) procedures in idle mode. Пользовательские процедуры (UE) Оборудования в нерабочем режиме;

– TS 36.305 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Stage 2 functional specification of User Equipment (UE) positioning in E-UTRAN. Стадия 2 функциональне технические требования Пользовательского Оборудования (UE), находящегося в E-UTRAN;

– TS 36.306 E-UTRA; User Equipment (UE) radio access capabilities;

– TS 36.307 E-UTRA; Requirements on User Equipments (UEs) supporting a release-independent frequency band;

– TS 36.314 E-UTRA; Layer 2 – Measurements. Уровень 2 Измерения

– TS 36.321 E-UTRA; Medium Access Control (MAC) protocol specification. Управление доступом к среде передачи (MAC) технические требования протокола;

– TS 36.322 E-UTRA; Radio Link Control (RLC) protocol specification. Управление Радиолинии (RLC) технические требования протокола;

– TS 36.323 E-UTRA; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification. Протокол Конвергенции Данных Пакета (PDCP) технические требования;

– TS 36.331 E-UTRA; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification. Управление Радио Ресурса (RRC); технические требования Протокола;

– TS 36.355 E-UTRA; LTE Positioning Protocol (LPP). LTE Протокол расположения (LPP);

– TS 36.401 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Architecture description. Описание архитектуры;

– TS 36.410 E-UTRAN; S1 layer 1 general aspects and principles. S1 Уровень 1 общий аспект и правила;

– TS 36.411 E-UTRAN; S1 layer 1. S1 Уровень 1;

– TS 36.412 E-UTRAN; S1 signalling transport. S1 перенос сигнализации

– TS 36.413 E-UTRAN; S1 Application Protocol (S1AP). S1 Прикладной протокол (S1AP);

– TS 36.414 E-UTRAN; S1 data transport. S1 перенос данных;

– TS 36.420 E-UTRAN; X2 general aspects and principles. X2 Уровень 1 общий аспект и правила;

– TS 36.421 E-UTRAN; X2 layer 1. X2 Уровень 1

– TS 36.422 E-UTRAN; X2 signalling transport. X2 Перенос сигнализации;

– TS 36.423 E-UTRAN; X2 Application Protocol (X2AP). X2 Прикладной протокол (X2AP);

– TS 36.424 E-UTRAN; X2 data transport. X2 перенос данных

– TS 36.440 E-UTRAN; General aspects and principles for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN. Общие аспекты и правила для интерфейсов, поддерживающих Обслуживание Группового вещания Радиопередачи Мультимедиа (MBMS) в пределах E-UTRAN;

– TS 36.441 E-UTRAN; Layer 1 for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN. Уровень 1 для интерфейсов, поддерживающих Обслуживание Группового вещания Радиопередачи Мультимедиа (MBMS) в пределах E-UTRAN;

– TS 36.442 E-UTRAN; Signalling Transport for interfaces supporting Multimedia Broadcast Multicast Service (MBMS) within E-UTRAN. Сигнализация о Переносе для интерфейсов, поддерживающих Обслуживание Группового вещания Радиопередачи Мультимедиа (MBMS) в пределах E-UTRAN;

– TS 36.443 E-UTRAN; M2 Application Protocol (M2AP). Прикладной протокол M2 (M2AP);

– TS 36.444 E-UTRAN; M3 Application Protocol (M3AP). Прикладной протокол M3 (M3AP);

– TS 36.445 E-UTRAN; M1 data transport. Перенос данных M1;

– TS 36.446 E-UTRAN; M1 User Plane protocol (SPECIFICATION WITHDRAWN). M1 Пользовательский протокол Плоскости (ОТМЕНЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ);

– TS 36.455 E-UTRA; LTE Positioning Protocol A (LPPa). LTE протокол размещения А(LPPa);

– TS 36.508 E-UTRA and Evolved Packet Core (EPC); Common test environments for User Equipment (UE) conformance testing. E-UTRA и Развитое Ядро Пакета (EPC); Обычные испытательные среды для Пользовательского Оборудования (UE) проверка на соответствие стандарту;

– TS 36.509 E-UTRA and EPC; Special conformance testing functions for User Equipment (UE). E-UTRA и EPC; Специальные функции проверки на соответствие стандарту для Пользовательского Оборудования (UE);

– TS 36.521-1 E-UTRA; User Equipment (UE) conformance specification; Radio transmission and reception; Part 1: Conformance testing. Пользовательское Оборудование (UE) технические требования соответствия; Радиопередача и прием; Часть 1: Проверка на соответствие стандарту;

– TS 36.521-2 E-UTRA; UE conformance specification; Radio transmission and reception; Part 2: Implementation Conformance Statement (ICS). Технические требования соответствия UE; Радиопередача и прием; Часть 2: Формулировка Соответствия Реализации (ICS);

– TS 36.521-3 E-UTRA; UE conformance specification; Radio transmission and reception; Part 3: Radio Resource Management (RRM) conformance testing. Технические требования соответствия UE; Радиопередача и прием; Часть 3: Управление ресурсами Радио (RRM) проверка на соответствие стандарту;

– TS 36.523-1 E-UTRA and EPC; UE conformance specification; Part 1: Protocol conformance specification. Технические требования соответствия UE; Часть 1: технические требования соответствия Протокола;

– TS 36.523-2 E-UTRA and EPC; UE conformance specification; Part 2: Implementation Conformance Statement (ICS) proforma specification. E-UTRA и EPC; технические требования соответствия UE; Часть 2: Формулировка Соответствия Реализации (ICS) технические требования проформы;

– TS 36.523-3 E-UTRA and EPC; UE conformance specification; Part 3: Test suites. E-UTRA и EPC; технические требования соответствия UE; Часть 3: Набор тестов;

– TS 36.571-1 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 1: Minimum Performance conformance. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 1: Минимальное соответствие Рабочих характеристик;

– TS 36.571-2 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 2: Protocol conformance. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 2: соответствие Протокола;

– TS 36.571-3 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 3: ICS. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 3: интегральная коммуникационная подсистема;

– TS 36.571-4 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 4: Test suites. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 4: Наборы тестов;

– TS 36.571-5 E-UTRA; UE conformance specification; UE positioning in E-UTRA; Part 5: UE positioning test scenarios and assistance data. Технические требования соответствия UE; UE, находящийся в E-UTRA; Часть 5: UE, расположение наборов тестов и данные помощи;

– TR 36.800 Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and E-UTRA; Extended UMTS / LTE 800 Work Item Technical Report.

– TR 36.801 E-UTRA; Measurement Requirements (SPECIFICATION WITHDRAWN). Требования Измерения (ОТМЕНЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ);

– TR 36.803 E-UTRA; UE radio transmission and reception (SPECIFICATION WITHDRAWN). UE Радиопередача и прием (ОТМЕНЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ);

– TR 36.804 E-UTRA; Base Station (BS) radio transmission and reception (SPECIFICATION WITHDRAWN) Базовая станция (BS) радиопередача и прием (ОТМЕНЕННЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ);

– TR 36.805 E-UTRA; Study on minimization of drive-tests in next generation networks. Изучение на минимизации тест-драйва критериев привода в сетях следующего поколения;

– TR 36.806 E-UTRA; Relay architectures for E-UTRA (LTE-Advanced). Релейная архитектура для E-UTRA (LTE-Advanced)

– TR 36.807 E-UTRA; UE radio transmission and reception. UE радиопередача и прием;

– TR 36.808 E-UTRA; Carrier Aggregation Base Station (BS) radio transmission and reception. Базовая станция (BS) Агрегатирования Поставщика услуг радиопередача и прием;

– TR 36.810 UTRA and E-UTRA; UMTS / LTE in 800 MHz for Europe. UTRA и E-UTRA; UMTS /LTE в 800 МГц для Европы;

– TR 36.811 LTE in 2 GHz Technical Report. LTE в Техническом Отчете на 2 ГГц;

– TR 36.812 E-UTRA; LTE TDD 2600MHz in US work item Technical Report. LTE Дуплексная связь с временным разделением 2600 МГц в американской работе составляет спецификацию Технический Отчет;

– TR 36.813 LTE L-Band Technical Report. LTE Диапазон стандартной длинной межстанционной регенераторной секции Технический Отчет;

– TR 36.814 E-UTRA; Further advancements for E-UTRA physical layer aspects. Дальнейшие продвижения для аспектов физического уровня E-UTRA;

– TR 36.815 Further Advancements for E-UTRA; LTE-Advanced feasibility studies in RAN WG4. Дальнейшие Продвижения для E-UTRA; LTE – Усовершенствованные технико-экономические обоснования в RAN WG4;

– TR 36.816 Signalling and procedure for in-device coexistence interference avoidance. Сигнализация и процедура для предотвращения интерференции сосуществования в устройстве

– TR 36.817 Uplink Multiple Antenna Transmission; Base Station (BS) radio transmission and reception. Восходящая Множественная Антенная Передача; Базовая станция (BS) радиопередача и прием;

– TR 36.821 Extended UMTS/LTE 1500 work item technical report. Расширенный 1500 UMTS/LTE рабочий вариант. технический отчет

– TR 36.902 E-UTRAN; Self-configuring and self-optimizing network (SON) use cases and solutions. Самоконфигурирование и самооптимизирующаяся сеть (SON) случаи использования и решения;

– TR 36.903 E-UTRA; Derivation of test tolerances for multi-cell Radio Resource Management (RRM) conformance tests. Деривация испытательных допусков для Управления ресурсами Радио мультиячейки (RRM) критерии соответствия;

– TR 36.912 Feasibility study for Further Advancements for E-UTRA (LTE-Advanced). Технико-экономическое обоснование для Дальнейших Продвижений для E-UTRA (LTE – Усовершенствованный);

– TR 36.913 Requirements for further advancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) (LTE-Advanced). Требования для дальнейших продвижений для Развитого Универсального Земного Доступа Радио (E-UTRA) (LTE – Усовершенствованный);

– TR 36.921 E-UTRA; FDD Home eNode B (HeNB) Radio Frequency (RF) requirements analysis. Дуплексный домашний канал с частотным разделением eNode Ширина полосы (HeNB) Радиочастота (RF) анализ требований;

– TR 36.922 E-UTRA; TDD Home eNode B (HeNB) Radio Frequency (RF) requirements analysis. Дуплексный домашний канал с временным разделением eNode Ширина полосы (HeNB) Радиочастота (RF) анализ требований;

– TR 36.927 Potential solutions for energy saving for E-UTRAN. Потенциальные решения для экономии энергии для E-UTRAN

– TR 36.931 RF requirements for LTE Pico NodeB. Требования RF для LTE Pico NodeB;

– TR 36.938 E-UTRAN; Improved network controlled mobility between E-UTRAN and 3GPP2/mobile WiMAX radio technologies. Улучшенная сеть управляла подвижностью между E-UTRAN и 3GPP2/mobile WiMAX технологии радио;

– TR 36.942 E-UTRA; Radio Frequency (RF) system scenarios. Радиочастота (RF) сценарии системы;

– TR 36.956 E-UTRA; Repeater planning guidelines and system analysis. Планирование Трансляции, рекомендации и системный анализ.

Кроме того, к сетям LTE относится большая часть спецификаций для сетей UMTS, в том числе, касающихся предоставления пользовательских услуг.

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. Со дня появления стандарта LTE он претерпел существенную модернизацию. Новые версии стандарта LTE-A (Advanced) Rel.10 – 14 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 радио интерфейса, 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.

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.

Рис.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) 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 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 радио интерфейсу. 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 [1, гл.5].

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

– обеспечивает передачу трафика и сигнализации в радиоканале,

– управляет распределением радио ресурсов,

– 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 [1, гл.6],

– выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,

– производит обработку данных и сигнализации на уровне L2 [1, гл.4],

– 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,