Публикации
Системы LTE/SAE в действии
31.03.2008 | 19:18
Многие эксперты убеждены: системы LTE/SAE обеспечат беспрецедентный уровень производительности в новых и существующих частотных диапазонах для операторов 3GPP и 3GPP2. Чтобы разобраться, так ли это, попробуем подробнее рассмотреть возможности этой архитектуры.
"Телеком. Коммуникации и сети." 3/2008, с. 52
Мобильная широкополосная связь быстро становится реальностью. По прогнозам Ericsson, к 2011 году широкополосными услугами будут пользоваться 1,5 млрд человек. При этом доступ к мобильному варианту связи получат более половины из них, а большинство последних будет обслуживаться сетями HSPA/LTE.
Сейчас пользователи могут:
-просматривать содержимое веб-ресурсов или отправлять электронные письма с помощью телефонов и ноутбуков, поддерживающих HSPA;
-использовать HSPA-модемы вместо DSL-модемов;
-пересылать видеоклипы/музыку, используя 3G-телефоны.
Система LTE, которая, как ожидается, будет внедрена в 3GPP Release 8, должна стать следующим значительным шагом в развитии систем мобильной радиосвязи. По замыслу она позволит абонентам ощутить на себе все преимущества очень требовательных к ресурсам услуг и приложений (интерактивное ТВ, создаваемые пользователями видеоклипы, сложные игры и профессиональные услуги).
Общие сведения
LTE (Long Term Evolution) использует технологию радиодоступа OFDM (ортогональное частотное разделение каналов) наряду с последними достижениями в области технологии антенн. В дополнение к LTE участники проекта 3GPP определили плоскую архитектуру сети на базе IP-протокола как часть программы развития архитектуры системы — System Architecture Evolution (SAE). Назначением архитектуры LTE/SAE является эффективная поддержка любой IP-услуги с точки зрения широкого коммерческого использования. Данная архитектура основана, да и развилась из уже существующих опорных сетей стандарта GSM/WCDMA. Целью ее является еще большее упрощение эксплуатации, а также плавное и рентабельное развертывание сетей следующего поколения.
Архитектура LTE/SAE снижает эксплутационные и капитальные расходы. Новая, плоская модель, например, означает, что потребуется повысить пропускную способность узлов только двух типов (базовых станций и шлюзов), чтобы они справились с трафиком в случае его значительного роста. Кроме того, явно прослеживается тенденция к все большей степени автоматизации конфигурирования.
Участники 3GPP и 3GPP2 согласились также оптимизировать взаимодействие между сетями CDMA и LTE/SAE. Операторы CDMA, таким образом, получают возможность перевести свои сети на LTE/SAE.
LTE является универсальной технологией, которая соответствует требованиям 3GPP, а по некоторым параметрам превышает их.
Некоторые из наиболее значительных требований указываются ниже:
-пиковая скорость передачи данных в нисходящем канале — свыше 100 Мб/с, а время задержки отклика в сети радиодоступа (RAN) — менее 10 мс;
-поддержка гибких полос частот несущей — от 5 МГц и меньше и до 20 МГц во многих новых и существующих частотных диапазонах;
-поддержка развертывания с разделением по частоте (FDD) и времени (TDD).
Поддержка передачи обслуживания смежным базовым станциям и роуминга с существующими мобильными сетями позволяет с самого начала предоставить абонентам доступ к мобильной связи в любой точке. При этом операторы могут внедрять технологию LTE довольно гибко — с учетом особенностей уже работающей сети, спектра частот и коммерческих задач, которые предполагается решать, используя широкополосные и мультимедийные услуги.
Техническое описание
Основными принципами архитектуры LTE/SAE являются:
-общая опорная точка и узел шлюза (GW) для всех технологий доступа;
-оптимизированная архитектура для плоскости пользователя — начало перехода на сниженное количество типов узлов (с четырех до двух — базовые станции и шлюзы);
-протоколы на базе IP во всех интерфейсах;
-разделение функций RAN-CN, аналогичное разделению в случае WCDMA/HSPA;
-разделение в плоскостях управления/пользователя между системой управления мобильностью (MME) и шлюзом;
-интеграция технологий доступа, не относящихся к 3GPP, с помощью IP для мобильной связи.
Ниже представлена упрощенная схема общей архитектуры LTE/SAE. Шлюз способен выполнять функции сети пакетных данных (PDN) и обслуживающего шлюза, при этом может быть настроен как на любую из этих ролей, так и на обе. PDN-шлюз служит общей опорной точкой для всех технологий доступа, обеспечивая стабильную IP-точку присутствия для всех пользователей вне зависимости от мобильности в рамках одной или нескольких технологий доступа.
Обслуживающий шлюз является опорной точкой для мобильности в рамках 3GPP-системы. Функционально MME отделена от шлюзов — для облегчения развертывания сети, для перехода на независимую технологию и для максимально гибкой масштабируемости пропускной способности.
GSM и WCDMA/HSPA интегрируются в LTE/SAE посредством стандартизованных интерфейсов, соединяющих узел SGSN (обслуживающий узел поддержки GPRS) и усовершенствованную опорную сеть. Сюда входят интерфейсы с MME для передачи контекста и установки каналов при перемещении между технологиями доступа, а также со шлюзом для установки IP-соединения с пользовательским оборудованием (UE). Так что для терминалов GSM и WCMDA/HSPA узел шлюза функционирует в качестве GGSN (узла поддержки шлюза GPRS).
Данная архитектура позволяет также создавать общую опорную пакетную сеть для GSM, WCDMA/HSPA и LTE путем соединения SGSN и MME в одном узле.
Сервер абонентов собственной сети (Home Subscriber, Server, HSS) подключается к пакетной опорной сети через интерфейс, который, скорее всего, будет базироваться на протоколе Diameter, а не на SS7. Это позволит создать унифицированное и более простое решение для плоскости управления в IP-сети, поскольку сетевая сигнализация для управления правилами и тарификации уже базируется на протоколе Diameter.
Базовые станции LTE подключаются к опорной сети через интерфейс RAN-CN. MME обрабатывает сигналы управления, например для мобильности. Пользовательские данные пересылаются между узлами базовых станций и шлюзов через транспортную инфраструктуру на базе IP. Для поддержки высокоскоростного перехода обслуживания терминалов в активном режиме каждая базовая станция LTE логически подключена ко всем прилежащим базовым станциям.
Усилия по интеграции доступа к сетям стандарта CDMA-2000 приведут к созданию решения, реализующего непрерывность мобильности между CDMA-2000 и LTE. Интеграция будет поддерживать одинарный и двойной переход радиообслуживания, обеспечивая возможность гибкой миграции с CDMA к LTE.
Поскольку существующая концепция QoS для систем GSM и WCDMA несколько сложна, LTE/SAE предпринимается попытка реализовать концепцию QoS, которая бы объединила в себе простоту, гибкость доступа с поддержкой обратной совместимости. В системе LTE/SAE используется концепция качества обслуживания, основанная на классах. Она предлагает операторам простое, но эффективное решение для дифференцирования различных пакетных услуг.
Доступ к системе
Изучив целый ряд технологий многостанционного доступа, 3GPP остановилась на технологии OFDM для нисходящего канала и технологии SC-FDMA (многостанционный доступ с частотным разделением каналов на одной несущей) — для восходящего. Сделанный выбор поддерживает не только гибкость спектра, но и удовлетворяет строгим критериям, предъявляемым к пропускной способности и эффективности использования спектра.
По сути, физический уровень LTE самостоятельно предоставляет разделяемые каналы для более высоких уровней при миллисекундном интервале между передачами. В основе LTE лежит возможность быстрой адаптации к изменениям в каналах, используя адаптацию скорости обмена и гибридный автоматический повтор запросов (Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ) с программированным комбинированием, то есть механизм практически такой же, как и в HSPA. Благодаря OFDM и SC-FDMA можно использовать изменения как частоты, так и отрезков времени. Разнос поднесущих на физическом уровне LTE составляет 15 кГц.
Архитектура протокола радиоинтерфейса основывается на архитектуре для HSPA. Названия протоколов такие же, да и функции тоже схожи. Некоторые расхождения связаны с отличиями в методе многостанционного доступа для LTE и HSPA. Прочие же основаны на том, что LTE — это система, работающая только с пакетами (отсутствуют требования по поддержке прежних систем с коммутацией каналов). На схеме представлена архитектура протоколов радиоинтерфейса LTE. Как видно из схемы, все протоколы радиоинтерфейса, за исключением протоколов NAS (Non-access Stratum), завершаются в eNodeB со стороны сети.
Протокол конвергенции пакетной передачи данных PDCP (Packet Data Convergence Protocol) обрабатывает сжатие заголовков и функции обеспечения безопасности радиоинтерфейса; протокол управления каналом радиосвязи RLC (Radio Link Control) сконцентрирован на передаче данных без потерь; а протокол управления доступом к среде MAC (Media Access Control) обрабатывает диспетчеризацию восходящих и нисходящих каналов и сигнализацию HARQ. Аналогичным образом протокол управления ресурсами радиосвязи RRC (Radio Resource Control) обрабатывает настройку канала радиосвязи, управление мобильностью в активном режиме и трансляцию системной информации, в то время как протоколы NAS используются для управления мобильностью в ждущем режиме и настройки услуг.
Производительность LTE
Доступ в LTE удовлетворяет сформулированным требованиям и обеспечивает требуемую гибкость спектра. На диаграммах cлева показана эффективность использования смоделированного в ходе испытаний Ericsson спектра и пропускной способности пользовательского трафика. Эффективность спектра составляет 1,7–2,7 бит/с/Гц/на соту в нисходящем канале и 0,7 бит/с/Гц/на соту в восходящем канале при расстоянии между станциями (ISD), равном 500 м. Пропускная способность пользовательского трафика на границе соты составляет 0,18–0,28 бит/с/Гц/на соту в нисходящем канале и 0,022–0,05 бит/с/Гц/на соту в восходящем канале при моделировании работы с десятью пользователями и до конца заполненных буферах каждой соты. На этих диаграммах показан также базовый уровень UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access — наземный радиодоступ в UMTS), основанный на 3GPP Release 6 с базовыми приемниками.
Из пиковой скорости передачи данных на диаграмме справа видно, что LTE выполняет и превосходит требования в 100 Мбит/с для нисходящего и 50 Мбит/с для восходящего каналов.
На самом деле при выделении спектра в 20 МГц LTE превышает скорость в 325 Мбит/с на нисходящем канале и 80 Мбит/с — на восходящем.
Ориентировочная задержка отклика в сети составляет 7 мс, задержка в одну сторону — 3,5 мс, а задержка отклика в сети для HARQ — 5 мс.
Одним из значительных требований, предъявляемых к LTE/SAE, является снижение расходов на эксплуатацию системы. В достижении этой цели важное место отводится самоуправляемости. Функции автоматической самоинициализации, например, позволяют снизить расходы и ускорить первоначальное развертывание LTE/SAE. В итоге установка, интеграция и развертывание БС (включая первоначальную настройку радиосети) выполняется быстро и просто, с минимумом подготовительных работ и вмешательства оператора. Аналогичным образом самооптимизация, в состав которой входят средства для автоматической оптимизации прилежащих сот и автоматизированной настройки параметров, управляющих переходом обслуживания между БС и другими алгоритмами управления радиоресурсами, преследует цель снизить объем работ, необходимых для настройки и обслуживания сетей LTE/SAE .
Топология и развертывание
В LTE заложена поддержка различных полос частот, начиная от 5 МГц и менее и вплоть до 20 МГц (используя при этом различные диапазоны частот для развертываний FDD и TDD). Таким образом, операторы получают возможность внедрить LTE для новых и существующих полос. Первоначально это может быть там, где проще всего выполнить развертывание с полосами частот 10 или 20 МГц. Но со временем LTE развернут в каждом сотовом диапазоне.
Изначально терминалы и инфраструктура LTE будут поддерживать до четырех диапазонов частот. А это означает, что глобальное развертывание системы в дальнейшем произойдет при использовании нескольких частотных диапазонов.
В настоящее время подавляющее большинство коммерческих сотовых систем использует технологию FDD. Эффективность (равно как и распространенность) FDD в устройствах и оборудовании, как правило, более высока, по сравнению с TDD, которая, например, хорошо дополняет основную технологию, являясь недостающим звеном между восходящим и нисходящим каналами FDD.
Определяя параметры архитектуры LTE/SAE, участники 3GPP уделили особое внимание поддержке гибких сетевых конфигураций, а также обеспечению высокого уровня доступности услуг. В опорной сети, например, отделение функций управления (MME) от обработки плоскости пользователя увеличивает гибкость развертывания.
Для оптимизации обработки трафика с пакетными данными операторы могут разместить шлюзы в нескольких узлах сети, снизив нагрузку на транспортную сеть. Данный подход позволяет также свести к минимуму задержку, что важно для оказания услуг реального времени.
LTE/SAE обеспечивает высокую доступность системы за счет объединения узлов опорной сети и позволяет централизовать функции MME, что дает возможность управлять опорной сетью в LTE. Для снижения расходов на эксплуатацию данные функции могут развертываться на центральных узлах, размещенных на парке серверов вместе с другими узлами управления. На практике это означает, что в случае отказа одного узла опорной сети БС могут подключиться к любому другому узлу опорной сети, входящему в состав объединенных ресурсов.
Эффективным способом развертывания архитектуры и функций LTE/SAE в сети WCDMA/HSPA является модернизация существующих сетевых узлов. Данный метод особенно хорошо подходит в случае раннего развертывания системы, когда свободная емкость WCDMA/HSPA может использоваться для поддержки LTE.
Пер Беминг, Ларс Фрид, Геран Халл, Петер Мальм,
Томас Норен, Магнус Олссон
Геран Руне, компания Ericsson