Лекция 1. 4G LTE. Архитектура сетей. Категории абонентских устройств UE. 3GPP. Требования к сетям 4G

• LTE расшифровывается как Long Term Evolution — долгосрочная эволюция систем мобильной связи.  

• Первая коммерческая сеть LTE была запущена в 2009 году в Швеции компанией Ericsson.  

• Спецификации на технологию появились в 2008 году.  

• 3GPP — консорциум производителей и операторов связи, занимающийся разработкой стандартов для мобильной телефонии.  

• Первая спецификация LTE вышла в релизе 8 в 2008 году.  

• Ежегодно выпускаются обновления спецификаций.  

• Спецификации LTE сгруппированы в серии, начинающиеся с 36.xx.  

• Примеры спецификаций: 36.211 — физический уровень, 36.236 — MAC-уровень, 36.331 — протокол Radio Resource Control.  

• На портале 3GPP можно найти документы по спецификации 36.211.  

• Документ начинается с черновика и постепенно дорабатывается.  

• В релизе 8.0 описаны структура кадров, физические каналы и модуляция.  

• С каждым годом выходят обновления спецификаций, расширяющие стандарт.  

• Последняя версия 36.211 вышла в сентябре 2023 года в релизе 17.4.0.  

• Документ содержит 89 страниц и описывает множество форматов и методов модуляции.  

• В 2000-х годах смартфоны стали более мощными, что потребовало увеличения скорости передачи данных.  

• Объём трафика через мобильные сети стремительно возрастал.  

• Технологии LTE были разработаны для удовлетворения растущих потребностей в скорости и качестве связи.  

• Международный союз электросвязи сформулировал требования к сетям четвёртого поколения: скорость передачи данных до 1 Гбит/с и время отклика 10–20 мс.  

• Эти требования были направлены на удовлетворение потребностей геймеров и других пользователей, требующих высокой скорости и низкой задержки.  

• Футурологи не предвидели бурное развитие интернета вещей и беспилотного транспорта.  

• Однако сети LTE остаются актуальными для современных технологий, требующих высоких скоростей и низких задержек.  

• Малые задержки необходимы для эффективного управления беспилотниками.  

• Обсуждаются возможные значения задержек: 10–20 миллисекунд.  

• Требуется радикальное изменение архитектуры и протоколов для достижения этих значений.  

• Необходимо создать технологию, которая может работать в разных полосах частот.  

• Технологии четвёртого поколения LTE должны быть масштабируемыми от 1,4 до 20 МГц.  

• Учитываются частотный и временной дуплекс, а также количество диапазонов частот.  

• Частотный рефарминг позволяет перераспределять спектр для развёртывания LTE-сетей.  

• Пример: высвобождение спектра из-под GSM для LTE.  

• Современные сети ориентированы на голосовые сервисы, требуется адаптация под пакетный трафик.  

• Переход от иерархической к плоской архитектуре.  

• Оптимизация под IP-трафик и минимизация задержек.  

• Радикальные изменения в формировании сигнала для достижения высоких скоростей и малых задержек.  

• Использование новых технологий: сингл керри, майма, высокопозиционные кодово-модуляционные схемы.  

• Плоская архитектура отличается от иерархической и централизованной.  

• Трафик идёт напрямую на внешние узлы, минуя управляющие элементы.  

• Минимизация задержек благодаря новой архитектуре.  

• Пакетное ядро становится IP-ориентированным, что позволяет строить сложные интегрированные сети.  

• Возможность интеграции LTE с другими технологиями, например, Wi-Fi или Wi-Fi Direct.  

• Функция IP-якоря для взаимодействия с внешними сетями.  

• Функция локального роутинга позволяет направлять трафик в локальную сеть корпорации.  

• Минимизация задержек и обеспечение надёжности передачи данных.  

• Возможность развёртывания локального VPN для конфиденциальности трафика.  

• Архитектура сетей LTE состоит из двух ключевых компонентов: радиоподсистемы и пакетного ядра.  

• Радиоподсистема включает базовые станции NB и интерфейсы X2 для передачи данных и управления.  

• Пользовательские терминалы подключаются к базовым станциям через интерфейс UU.  

• Трафик с базовых станций направляется в элемент пакетного ядра через интерфейс S1.  

• Интерфейс S5 используется для передачи трафика внутри одной сети.  

• В случае роуминга применяется интерфейс S8.  

• Элемент управления мобильностью MME отвечает за аутентификацию, аккаунтинг и установление маршрутов.  

• MME взаимодействует с сервером через интерфейс S11 и имеет доступ к базе данных домашних абонентов через интерфейс S6A.  

• Для общения между MME используется интерфейс S10.  

• Динамическое распределение ресурсов радиоинтерфейса между пользователями.  

• Бродкастинг системной информации.  

• Контроль мощности и хэндоввер.  

• Перебалансировка нагрузки.  

• Шифрование и дешифрование радиоинтерфейса.  

• Компрессия и декомпрессия IP-заголовков.  

• Ретрансмиссия пакетов и помехоустойчивое кодирование.  

• Хранение данных о пользователях, включая идентификаторы, местоположение и тип подписки.  

• Дублирование параметров с SIM-картами абонентов.  

• Обеспечение безопасности данных.  

• Управление конфигурацией соединений пользователя.  

• Взаимодействие с другими MME и базовыми станциями.  

• Общение с сетями 2G и 3G через интерфейсы S3 и SS.  

• Обеспечение сигнальных сообщений и безопасности.  

• Обязательная авторизация пользователя при каждом соединении.  

• MME взаимодействует с элементами пакетного ядра других систем 3GPP.  

• Использование интерфейса SS для коммутации каналов и передачи SMS.  

• Интернет-сеть обеспечивает мобильность пользователей.  

• ММИ инициирует вызов пользователя через пейджинг.  

• Рассылка пейджинговых сообщений на базовой станции.  

• Отслеживание абонента и выбор педигия для подключения.  

• Роуминг-контроль и законный перехват сигнального трафика.  

• Сервинги ТВ локально перебрасывает трафик внутри сети LTE.  

• Взаимодействие с 3GPP технологиями через интерфейсы.  

• Буферизация трафика до прозвона абонента.  

• Законный перехват трафика на сервинги ТВ.  

• Создание туннелей и участие в чарджинге.  

• Выделение IP-адресов пользователям.  

• Начисление платы за трафик чарджинг.  

• Подключение внешних технологий к сети 4G LTE.  

• Пакетный скрининг и файервол.  

• Управление политиками и качеством обслуживания.  

• Спецификации 3GPP TS 23.203.  

• Категории пользователей в сетях LTE.  

• Разделение на категории по способности обработки нисходящего и восходящего сигнала.  

• Максимальное количество бит в одном тайм-трансмиссионном интервале.  

• Количество потоков, поддерживаемых телефоном.  

• Максимальная скорость передачи данных.  

• Категории 6, 7, 8 в релизе 10.  

• Категории 9, 10, 11, 12 в релизе 11.  

• Скорости передачи данных в категориях 12 около 600 Мбит/с.  

• Максимальная скорость в LTE-сети — до 600 Мбит/с.  

• Поддержка CAM-256 модуляции в нисходящем канале.  

• В восходящем канале скорость около 100 Мбит/с.  

• Категории 11 и 12 поддерживают CAM-256, категории 5 и 8 — CAM-64.  

• С 12-го релиза появились отдельные категории для нисходящего и восходящего каналов.  

• Новые категории предназначены для маломощных устройств, таких как IoT-девайсы.  

• Примеры новых категорий: M1, M2, категория 0, 1B и другие.  

• Устройства после 12-го релиза могут поддерживать комбинации категорий.  

• Пример комбинации: 15 для нисходящего канала и 19 для восходящего.  

• Таблица допустимых комбинаций категорий доступна на сайте Shea Tech Notes.  

• Сайт помогает интерпретировать спецификации LTE для пользователей.  

• Базовая станция должна понимать категорию устройства для правильного распределения ресурсов.  

• Неправильное распределение ресурсов может привести к сбоям в работе устройства.  

• Устройства отправляют сообщения при установлении соединения, чтобы базовая станция знала их возможности.  

• В сообщении указывается категория устройства.  

• Пример сообщения из спецификации 36331.  

• Смартфон Xiaomi Mi Note 10 поддерживает категорию 12 LTE.  

• Максимальная скорость: 102 Мбит/с в восходящем канале и 603 Мбит/с в нисходящем.  

• Чипсет, используемый для обработки данных: Qualcomm Snapdragon 730.