Evolved packet core что это
Структура сети LTE
P-GW (PDN Gateway)
Функции данного устройства заключаются в выделении IP адреса для UE, соблюдении параметров QoS и осуществлении списаний по счету на основе набора правил, полученных из PCRF (Policy Control and Charging Rules Function). Также P-GW осуществляет фильтрацию поступающих IP пакетов в различные клиентские потоки с конкретным набором параметров QoS при этом используются TFT (Traffic Flow Templates).
На рисунке ниже приводится стек протоколов, используемый в пользовательской плоскости. 
IP пакеты, адресованные UE, туннелируются (GTP-U/UDP/IP) на участке между P-GW и eNodeB (интерфейсы S1 и S5/S8) для последующей их передачи на UE. Стек протоколов на участке между UE и eNodeB состоит из: PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control) и MAC (Medium Access Control) подуровней.
На рисунке ниже приводится стек протоколов, используемый в контрольной плоскости. 
Протоколы, которые используются между UE и eNodeB носят название Access Stratum (AS) протоколы. В контрольной плоскости все протоколы ниже RRC выполняют те же самые функции, что и в пользовательской плоскости. За исключением того, что в контрольной плоскости нет сжатия заголовков.
Протокол RRC (см. описание протокола тут) выполняет главные контролирующие функци, к которым относятся создание потоков, используемых при радио передаче, и конфигурация всех нижележащих уровней.
Взаимодействие между соседними eNodeB осуществляется через интерфейс X2. Описание которого будет добавлено чуть позже.
Портал о современных технологиях мобильной и беспроводной связи
Принципы построения и функционирования сетей LTE
Принципы построения и функционирования сетей LTE
LTE включает в себя сеть радиодоступа (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN) и усовершенствованное пакетное ядро (Evolved Packet Core, EPC).
Упрощенная архитектура сети LTE
Сеть LTE построена как совокупность новых базовых станций eNB (Evolved NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1. На рис.1 показано взаимодействие новых элементов в архитектуре сети: S-GW (Serving Gateway) – обслуживающих шлюзов, содержащих ПО управления по протоколу MM (MME – Mobility Management Entity).
Рис. 1. Упрощенная архитектура сети LTE
В сети радиодоступа радиоинтерфейс между UE и eNB осуществлен на основе технологии ортогонального частотного разнесения (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDMA). Работа EPC основана на технологии IP. Такую структуру относят к All-IP Network (AIPN).
Структура сети LTE
Структура сети LTE приведена на рис. 2. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети P-GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами.
Рис. 2. Структура сети LTE
Функции eNodeB ( Evolved NodeB )
eNodeB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения:
— обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу,
— управляет распределением радиоресурсов,
— обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,
— поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,
— обеспечивает шифрацию и целостность передачи по радиоканалу,
— выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,
— производит сжатие заголовков IP-пакетов,
— поддерживает услуги мультимедийного вещания,
— при использовании структуры с усилителями мощности на антенной мачте организует управление антеннами по специальному интерфейсу Iuant.
Интерфейс S1, как показано на рис.2, поддерживает передачу данных с S-GW и сигнализации через ММЕ. Отметим, что eNB может иметь соединения с несколькими S-GW.
Интерфейсы X2 используют для организации хэндоверов между соседними базовыми станциями, в том числе и при балансировке нагрузки между ними. При этом интерфейсы Х2 могут быть логическими, т.е. для их организации не обязательно реальное физическое соединение между eNB.
Функции обслуживающего шлюза S—GW:
— маршрутизация передаваемых пакетов данных,
— установка качественных показателей ( Quality of Service, QoS) предоставляемых услуг,
— буферизация пакетов для UE, пребывающих в состоянии Idle Mode,
— предоставление учетных данных для тарификации и оплаты выполненных услуг.
S-GW является якорной структурой, обеспечивающей мобильность абонентов. Каждую работающую UE обслуживает определенный S-GW. Теоретически UE может быть связана с несколькими пакетными сетями; тогда ее будут обслуживать несколько серверов S-GW.
Функции P-GW ( Packet Data Network Gateway )
Шлюз для выхода на пакетные сети P—GW организует точку доступа к внешним IP-сетям. Соответственно P-GW является якорным шлюзом для обеспечения трафика. Если абонент имеет статический IP-адрес, то P-GW его активизирует. В случае, если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, P-GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту. В состав P-GW входит PCEF (Policy and Charging Enforcement Function), который входит обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс Sgi и фильтрацию пакетов данных. При обслуживании абонента в домашней сети функции P-GW и S-GW могут выполнять как два разных, так и одно устройство. Интерфейс S5 представляет собой туннельное соединение GPRS или Proxy Mobile Ipv6. Если P-GW и S-GW находятся в разных сетях (например, при обслуживании абонента в роуминге), то интерфейс S5 заменяют интерфейсом S8.
Функции MME ( Mobility Management Entity )
Управляющий блок ММЕ прежде всего поддерживает выполнение процедур протокола Mobility Management: обеспечение безопасности работы в сети при подключении UE и выбор S-GW, P-GW. ММЕ связан с HSS своей сети посредством интерфейса S6a. Интерфейс S10, соединяющий различные ММЕ, позволяет обслуживать UE при перемещениях абонента, а также при его нахождении в роуминге.
Функции PCRF
Policy and Charging Resource Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF шлюза P-GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации.
Читайте также:
Видео о 5G простым языком. Лекции по мобильной связи пятого поколения (5G)
Интервью первого генерального директора Северо-Западного GSM (Мегафон)
LTE и WiFi
Содержание
LTE [ править ]
LTE (Long-Term Evolution — долговременное развитие, часто обозначается как 4G LTE) — стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными. Он основан на GSM/EDGE и UMTS/HSPA сетевых технологиях, увеличивая пропускную способность и скорость за счёт использования другого радиоинтерфейса вместе с улучшением ядра сети.
Мотивация к созданию [ править ]
LTE является стандартом беспроводной передачи данных и развитием стандартов GSM/UMTS. Целью LTE было увеличение пропускной способности и скорости с использованием нового метода цифровой обработки сигналов и модуляции. Ещё одной целью было реконструировать и упростить архитектуру сетей, основанных на IP, значительно уменьшив задержки при передаче данных по сравнению с архитектурой 3G сетей. Беспроводной интерфейс LTE является несовместимым с 2G и 3G, поэтому он должен работать на отдельной частоте.
Спецификация LTE позволяет обеспечить скорость загрузки до 326,4 Мбит/с, скорость отдачи до 172,8 Мбит/с, а задержка в передаче данных может быть снижена до 5 миллисекунд.
Основные компоненты LTE [ править ]
Схематично работу LTE можно изобразить следующим образом.
UE — устройство пользователя
eNodeB (Evolved Node B) — базовая станция LTE, устанавливается рядом с вышкой и соединяется с ней.
ММЕ (Mobility Management Entity) — узел управления мобильностью. Предназначен для обработки сигнализации, преимущественно связанной с управлением мобильностью абонентов в сети.
HSS (Home Subscriber Server) — сервер абонентских данных сети. Представляет собой большую базу данных и предназначен для хранения данных об абонентах. Кроме того, HSS генерирует данные, необходимые для осуществления процедур шифрования, аутентификации и т.п.
SGW (Serving Gateway) — обслуживающий шлюз сети. Обрабатывает все, что связано с доступом абонента к сети. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. SGW по существу действует как гигантский маршрутизатор для абонентов, передавая данные от абонента и обратно к сети.
PGW (Public Data Network Gateway) — шлюз к сетям передачи данных других операторов для сети LTE Основная задача PGW заключается в маршрутизации трафика сети LTE к другим сетям передачи данных, таких как Интернет, а также сетям GSM, UMTS.
Другие компоненты на этой схеме не так важны для нас в рамках данного конспекта.
EUTRAN и EPC [ править ]
LTE состоит из двух частей: EUTRAN и EPC Схема их взаимодействия показана на рисунке ниже.
Разберемся более подробно, что из себя представляет каждая из этих частей.
EUTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) — усовершенствованный беспроводной интерфейс 3GPP (LTE). Это сеть радиодоступа, являющаяся заменой UMTS и HSDPA/HSUPA (сетей 3-го поколения, т.е 3G).
EUTRAN состоит только из eNodeB. Что является упрощением UTRAN, использующемся в UMTS и HSDPA/HSUPA. Узлы eNodeB взаимодействуют между собой через протокол Х2.
Сеть EUTRAN обеспечивает более высокую скорость передачи данных, малую задержку на обеих плоскостях управления и пользователя, бесшовное переключение и большее покрытие ячейки.
EPC (Evolved Packet Core) — усовершенствованное пакетное ядро. В него входят следующие компоненты: ММЕ, HSS, SGW и PGW.
Для связи EUTRAN с EPC используется протокол S1.
Стек протоколов EUTRAN [ править ]
EUTRAN как и другие высокоуровневые протоколы, представляет собой стек низкоуровневых протоколов.
Стек протоколов EUTRAN приведен ниже.
Мы не будем вдаваться в подробности устройства каждого протокола стека. Данная информация приведена лишь для лучшего понимания следующего раздела.
Протоколы LTE [ править ]
Протоколы LTE делятся на две группы: плоскости управления (control plane), и отвечают за управление транспортным каналом, и плоскости пользователя (user plane), и отвечают за передачу пользовательских данных.
Стек протоколов плоскости пользователя показан на изображении ниже.
В плоскости пользователя, пакеты в EPC инкапсулируются в определенный EPC протокол и туннелируются между PGW и eNodeB.
То есть, когда мы смотрим видео на наших смартфонах по мобильному интернету через LTE или серфим интернет, используетсе именно протокол плоскости пользователя. От EU IP-пакеты проходя через стек протоколов EUTRAN, который, в свою очередь, перенаправляет IP-пакеты в EPC (сначала в SGW, а он в свою очеред в PGW). Входящие пакеты из EPC проходят такой же путь, но в обратном направлении.
Стек протоколов плоскости управления показан на изображении ниже.
Как мы видим, в стек потокола плоскость управления добавляется протокол RRC (Radio Resource Control).
Плоскость управления отвечает, например, за широковещательные рассылки системной информации, handover, процессом проведения измерений для каждого конкретного UE, а также за предоставление результатов измерений.
Схематическое изображение стека обоих плоскостей приведено ниже.
Wi-Fi [ править ]
Напомним, как работает технология Wi-Fi.
Данная технология предполагает наличие точки доступа/маршрутизатора Wi-Fi (стандарты 802.11a/b/g/n). В памяти у него хранится таблица маршрутизации, которая описывает соответствие между адресами назначения и интерфейсами, через которые следует отправить пакет данных до следующего маршрутизатора, а так же шлюзами, на которые нужно отправлять пакеты, отправляемые на некоторый адрес.
То есть, роутер пересылает пакеты на следующий маршрутизатор. В случае, когда роутер подключен через Ethernet к провайдеру интернета, роутер пересылает присланные ему пакеты провайдеру, провайдер в свою очередь дает доступ в Интернет.
Различия и сходства между LTE и Wi-Fi [ править ]
Как можно заметить, у LTE и Wi-Fi есть некоторые сходства.
И у LTE и Wi-Fi данные сначала отправляются на сотовую вышку и на роутер, соотвественно, с них попадают оператору сотовой связи и провайдеру, соотвественно, а они уже в свою очередь предоставляют доступ в Интернет.
С другой стороны, способ организации сети у них разный: в случае с LTE сотовые вышки, а вернее eNodeB посредством сотовых вышек, общаются между собой, и также общаются с SGW. SGW по сути сам является большим маршрутизатором, то есть сотовые вышки, если можно так выразиться, образуют локальную сеть, которая соединена с SGW.
EPC evolved packet core
Сеть четвёртого поколения LTE, как и другие беспроводные сети, состоит из нескольких элементов, программных и аппаратных. Для большинства этих элементов нет привычного слуху неподготовленного человека названия: «технари» предпочитают аббревиатуры, к тому же, по большей части, английские. Так, если в малопонятном предложении из пяти слов одновременно присутствуют термины MME, eNodeB и PLMN ID, то такая фраза точно связна с LTE-сетью. Часть таких фраз можно научиться воспринимать уже к концу текста.
Ядро любой сотовой сети — набор ключевых технических элементов, систем и управляющих ими программных решений. К ядру подсоединены внешние элементы сети, такие, например, как сеть радиодоступа (сеть базовых станций, RAN) или магистральные каналы связи. Аббревиатура, которая заменяет специалистам понятие «архитектура ядра сети LTE», — SAE (System Architecture Evolution).
Ядро сети 4G LTE по сравнению с сетями предыдущих поколений претерпело существенные изменения, и вот лишь некоторые их них. Организация ядра упростилась: из него исчезли некоторые элементы, негативно влиявшие на производительность совместной работы всех сетевых систем. Как следствие, у сети LTE более высокая пропускная способность, и ей присущи меньшие задержки, то есть, она быстрее реагирует на запросы пользовательских устройств. Структура ядра сети LTE обеспечивает доступность сетей предыдущих поколений связи для пользователя. Например, пока сети LTE не вытеснили GSM полностью, загрузку интернет-страницы в браузере смартфона может обеспечивать сеть LTE, а звонок другому абоненту — сеть GSM. В стандарте LTE предусмотрены два варианта реализации такого взаимодействия, но в обоих случаях все переключения между сетями остаются незаметными для пользователя. Для того, чтобы всё работало как часы, существует несколько контролирующих узлов и систем.
В основе SAE лежит Evolved Packet Core (EPC), или улучшенное (по сравнению с ядрами сетей предыдущих поколений) пакетное ядро. Под пакетом нужно понимать пакет данных — мельчайший фрагмент информации, передающейся в цифровых сетях, включая LTE. Пакеты данных передаются по строгим правилам, свод которых называется протоколом. В LTE-сети на вооружение взят традиционный IP-протокол, на основе которого взаимодействуют совершенно разные сети связи по всему миру. Универсальность IP-протокола позволяет операторам LTE, опираясь на сервис передачи данных, оказывать одному и тому же клиенту весь спектр услуг связи. Обеспечивается это технологией MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service), которая поддерживает многоадресные и широковещательные услуги на скоростях до 256 кбит/с. Ядро EPC является составной системой, в которую входят четыре компонента:
Нередко под сетью любого мобильного оператора понимается совокупность расставленных на местности базовых станций (БС). Действительность, как ясно из вышесказанного, чуть сложнее. БС сети LTE стали сложнее, функциональнее и тоже обзавелись сокращенным английским названием — eNodeB или eNB. Теперь нетрудно в единственной фразе с множеством технических терминов, как это любят специалисты, дать упрощенное описание того, как именно работает LTE-сеть. eNB взаимодействуют друг с другом, с UE, а также с узлами SGW и MME, входящими в EPC.
Одно из требований стандарта к сетям LTE — уменьшение задержек соединения: они ниже в 4–6 раз по сравнению с сетями 3G. Каждая подсистема сети, каждый узел ядра при обработке информации и обмене ею с другими узлами увеличивает задержки. Следовательно, требования к скорости обработки информации и взаимодействию элементов ядра LTE по сравнению с 3G — повышенные.
Все технические новшества сетей LTE, большинство из которых приходятся как раз на архитектуру ядра, позволяют операторам предоставлять наиболее качественные на сегодня услуги мобильной передачи данных на скоростях в десятки Мбит в секунду.
Развитая пакетная система
Содержание
Базовая сеть: Evolved Packet Core
Структура и компоненты
Шлюз SAE
Каждый обслуживающий шлюз отвечает за определенную зону и направляет все пакетные соединения в зоне влияния. Пространственная протяженность области зависит от ожидаемой максимальной вместимости.
ПДН шлюз (PGW / П) позволяет внешние пакеты данных для доступа к сотовой сети. Он служит шлюзом для сервисов, которые изначально не использовались для мобильной связи (например, веб-сервер). Для этого он назначает конечным устройствам IP-адреса. Он также следит за соблюдением технических рекомендаций во время связи, подготавливает платежную информацию для любых затрат, понесенных внешней службой, а также проверяет или фильтрует пакеты данных.
P-GW также предоставляет интерфейс, который позволяет властям штата прослушивать или прослушивать потоки данных.
Политика и правила тарификации Функция
Функция правил политики и тарификации ( PCRF ) управляет различными компонентами, такими как GGSN / P-GW, как интеллектом в сотовой сети передачи данных. Это чистая система сигнализации, которая не передает трафик плана пользователя. Ключевой функцией PCRF является
Правила, зависящие от поставщика сети, хранятся в PCRF, которые определяют правила из различных входных критериев, выходное значение которых контролирует использование данных.