IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Мобильный ШПД становится более популярным, мобильный трафик растет серьезными темпами, все больше востребованы видеоуслуги через мобильные устройства, Web-серфинг, онлайн-игры и многие другие приложения. Поэтому такие технологии, как LTE, становятся обязательными в портфеле решений мобильного оператора.

Миграция сетей от 2G/3G к сетям LTE является комплексной задачей и подразумевает работы сразу по нескольким направлениям:

• модернизация радиоподсистемы и радиопланирование;

• модернизация транспортной сети Mobile Backhaul;

• модернизация ядра пакетной сети Mobile Packet Core.

Модернизация радиоподсистемы и радиопланирование

Отличие в аппаратных частей радиоподсистемы LTE от сетей 2G/3G состоит в том, что в данных сетях нет контроллера базовых станций. Эту функцию частично выполняют базовые станции eNodeB (рис. 1). Также базовые станци LTE умеют взаимодействовать напрямую друг с другом с помощью интерфейса Х2 через транспортную сеть Mobile Backhaul. Этот интерфейс используется при процедуре handover (то есть переход абонента из зоны обслуживания одной БС в зону обслуживания другой) и передачи трафика при переходе. В классической архитектуре 2G/3G базовые станции могут производить обмен данными только через контроллер (топология "звезда"). Часто при миграции сети современные станции 3G могут быть модернизированы до БС LTE простым обновлением программного обеспечения. 1 Также нередко одна базовая станция может поддерживать функционал 2G/3G/LTE. В этих случаях процесс модернизации происходит с меньшими затратами.

Частоты LTE, выделенные для использования в Российской Федерации, принадлежат в основном диапазонам 800 и 2600 МГц. Радиопланирование в случае LTE существенно не отличается от этого процесса для ЗG-сетей и включает в себя такие фазы, как:

• определение приблизительных бюджетов радиоканалов;

• детальное моделирование распространения радиоволн;

• оптимизация и точная настройка для каждой вышки (БС);

• тестовые испытания и корректировка.

Если сравнивать бюджет радиоканала HSPA (3G), то LTE имеет преимущество порядка 2 дБ за счет меньших значений интерференции. Более высокие частоты 2600 МГц предпочтительны для плотной городской застройки, поскольку позволяют организовать больше сот на одной и той же площади, что предпочтительно для больших скоростей передачи при большом количестве абонентов. Частоты 800 МГц можно использовать в загородной местности, так как они обеспечивают большее покрытие при меньшей емкости на единицу площади и за городом обычно не требуются такие скорости, как в городе, так как плотность абонентов значительно меньше.

Модернизация транспортной сети Mobile Backhaul

После того как оператор получит частоты и пройдет все необходимые процедуры согласования, наиболее важным является вопрос транспортной инфраструктуры. Хорошо, если у оператора уже есть транспортная IP/MPLS-сеть достаточной емкости. Этот вопрос важен, поскольку базовая станция LTE на текущий момент может генерировать порядка 100-200 Мбит/с трафика. При этом БС 2G в основном используются для передачи голосовой информации с минимальным объемом. Базовые станции 3G способны генерировать гораздо больший объем трафика (по сравнению с БС 2G), но обычно это все равно значительно меньше трафика БС LTE. Сети 2G/3G часто в качестве транспорта используют SDH (TDM) сети (рис. 2).

Емкость этих сетей рассчитана в основном на передачу небольших объемов трафика и голоса. Модернизация таких сетей зачастую связана с дополнительными большими инвестициями и не всегда приносит ожидаемую гибкость и масштабируемость при увеличении емкости. Это связано с характером передачи данных - коммутация каналов в отличие от пакетной коммутации IP-сетей. Большинство операторов уже при миграции к сетям 3G построило серьезную транспортную сеть IP/MPLS. Современные технологии позволяют подключать к такой сети традиционные базовые TDM-станции Е1-интерфейсами. Для передачи TDM-трафика через IP-сеть используются методы эмуляции трафика Circuit Emulation over Packet Switched Network (CEoPSN) и Structure-Agnostic TDM over Packet (SAToP).

Основные вопросы, на которые необходимо ответить при проектировании сетей Mobile Backhaul для LTE, следующие:

• предполагаемые точки подключения БС и емкости каналов (определяется на этапе радиопланирования);

• интерфейсы, подключаемые БС к маршрутизатору Cell-Site-Router;

• тип LTE-стандарта, предполагаемого к внедрению на сети;

• каким образом будет осуществляться синхронизация БС;

• сервисная составляющая.

По первому вопросу имеет значение расположение будущих или существующих точек сети Mobile Backhaul. От этого зависит, какие каналы, какой емкости и в какие места необходимо протягивать. В связи с серьезным увеличением емкости сети чаще всего до базовых станций имеет смысл тянуть оптические каналы. К сожалению, это не всегда возможно, поэтому альтернативой является подключение пролетов пакетными радиорелейными линиями (РРЛ) "точка-точка", современные решения которых предлагают радиоканалы до 1 Гбит/с и более. Поскольку обычно РРЛ работают на гораздо более высоких частотах (десятки ГГц), чем LTE, то радиопомехи от РРЛ не влияют на работу БС LTE. БС LTE подключаются интерфейсом Giga-bitEthernet к маршрутизатору доступа Cell-Site-Router, в контексте этого имеет значение только тип интерфейса (оптический или медный). Если маршрутизатор находится в том же контейнере, что и БС, то логичнее будет подключить БС медным интерфейсом, при удалении - оптическим.

В настоящий момент существуют следующие разновидности LTE: LTE FDD (Frequency Division Duplex), LTE TDD (Time Division Duplex). И дальнейшее развитие стандарта - LTE Advanced, соответствующее требованиям к сетям четвертого поколения. Актуальными являются версии LTE FDD и LTE TDD. Основное отличие между ними - способ разделения каналов на прием/передачу. LTE FDD подразумевает две несущие частоты для приемопередачи, a LTE TDD - одну несущую частоту, но разделение по времени. Это имеет принципиальное значение с точки зрения синхронизации между БС. Технология LTE FDD подразумевает достаточность частотной синхронизации, a LTE TDD обязательно требует фазовую синхронизацию. В России используются оба типа технологий, поэтому выбор синхронизации может быть различен. Однако не стоит забывать, что технология LTE Advanced изначально подразумевает использование фазовой синхронизации, поэтому целесообразнее сразу рассматривать фазовую синхронизацию с прицелом на будущее.

Виды синхронизации

Существуют следующие наиболее распространенные варианты синхронизации:

• спутниковая - GPS/ГЛОНАСС;

• от существующей TDM-сети;

• с помощью пакетной сети IEEE 1588v2;

• с помощью пакетной сети SyncE.

Спутниковая синхронизация - проверенное временем рабочее решение, но необходимо учитывать зависимость точности от атмосферных и радиопомех. Из преимуществ синхронизации от TDM-сети следует отметить возможность использования существующей инфраструктуры без дополнительных вложений, однако не на всех планируемых узлах может быть возможность подключения от TDM-сети для синхронизации.

При использовании пакетных методов необходимо учитывать, что с помощью технологии SyncE можно восстановить только частоту, но при этом она обладает высокой точностью, так как передача происходит на физическом уровне. Стандарт IEEE1588v2 подразумевает передачу частотной и фазовой информации, поэтому может подойти для систем LTE TDD и LTE Advanced, но передача пакетов IEEE 1588v2 происходит не на физическом уровне и поэтому сильно зависима от текущей загрузки сети.

Изначально LTE - пакетная технология, поэтому традиционные голосовые услуги с помощью коммутации каналов здесь отсутствуют. Поэтому для передачи голоса была разработана технология VoLTE (Voice over LTE), обеспечивающая передачу голосовой информации в пакетном виде через сеть LTE и использующая инфраструктуру IMS (IP Multimedia Subsystem). На случай, если внедрение VoLTE по каким-либо причинам невозможно, консорциум 3GPP разработал технологию CSFB (Circuit Switch FallBack), суть которой заключается в использовании существующих сетей 2G/3G при голосовом вызове. Но этот метод имеет недостаток в виде задержки, доходящей иногда до десятков секунд при переключении из сети LTE в сеть 2G/3G.

Модернизация ядра мобильной пакетной сети Mobile Packet Core

При миграции от 2G/3G сетей в сторону сетей LTE многие элементы пакетного ядра LTE выполняют функции, схожие с 2С/ЗС-сетями. Так, например, Serving Gateway (SGW) обрабатывает и маршрутизирует пакетные данные, поступающие от базовых станций по аналогии с Serving GPRS Support Node (SGSN). Он взаимодействует с SGSN для передачи соединения при ухудшении покрытия или перегрузках (рис. 1), а также выполняет роль узла управления мобильностью для пользовательских данных при handover между базовыми станциями eNodeB. Mobility Management Entity (MME) отвечает за плоскость управления, а именно: мобильность, handover, слежение за абонентским терминалом, а также выбор SGW и аутентификацию пользователя при взаимодействии с Home Subscriber Server (HSS).

Packet Data Network Gateway (PDN GW) обеспечивает соединение от абонентского терминала к внешним пакетным сетям. Также он может являться шлюзом для не ЗСРР-технологий, таких как Wi-Fi или WiMAX. Сервер Policy Charges and Rules Function (PCRF) управляет сервисными политиками и устанавливает политики QoS для абонентских сессий.

HSS - сервер, хранящий абонентские данные. Является объединением Home Location Register (HLR) и Authentication Center (AuC), уже присутствующих в сетях 2G/3G HLR хранит информацию об идентификации абонента и адресации (например, номер телефона), а также информацию по абонентскому профилю.

Если говорить об аппаратной составляющей этих элементов, то зачастую функции элементов SGSN, GGSN, MME, SGW и PDN GW могут выполняться одним или двумя маршрутизаторами (без учета резервирования и нагрузки на устройства).

Вывод

В целом процесс миграции от сетей 3G к LTE менее затратен, так как многие операторы уже построили серьезные транспортные сети IP/MPLS с соответствующей оптической инфраструктурой при переходе от 2G к 3G 1 Э.ЮК6 современные базовые станции 3G модернизируются в БС LTE, необходимо добавить лишь соответствующие антенны Multiple Input Multiple Output (MIMO) и обновить ПО. Что касается аппаратной части ядра, то зачастую маршрутизаторы, выполнявшие роль SGSN/GGSN до этого, могут также выполнять функции элементов пакетного ядра LTE. Здесь больше стоит вопрос о производительности этих элементов, так как с внедрением LTE ожидается существенный рост мобильного трафика и соответственно нагрузки на эти элементы. Другая сложность для оператора заключается в передаче голосовых вызовов через сеть LTE: это и необходимость разворачивания соответствующей инфраструктуры IMS, и повышенный расход аккумуляторов мобильных телефонов при осуществлении VoLTE-звонков. Сильные задержки при осуществлении голосового вызова при переключении на 3G-сеть ставят под сомнение возможность использования технологии CSFB в коммерческой эксплуатации.

Код для цитирования: Скопировать