Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. Autoři textu: Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. BRNO * 2014 Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

2 2 FEKT Vysokého učení technického v Brně Autor Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. Název Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Vydavatel Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Technická 12, Brno Vydání první Rok vydání 2014 Náklad elektronicky ISBN Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.

3 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 3 OBSAH ÚVOD VÝVOJ MOBILNÍCH SÍTÍ MOBILNÍ SYSTÉMY LTE (EPS) EVOLUČNÍ TLAKY NA ROZVOJ MOBILNÍCH SÍTÍ STANDARDIZACE ARCHITEKTUR, ROZHRANÍ, PROTOKOLŮ A SLUŽEB SÍTÍ EPS ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA MOBILNÍCH SÍTÍ LTE (EPS) ARCHITEKTURA SÍTÍ EPS (LTE) Základní součásti sítě EPS Přístup typu non-3gpp do EPC Roaming v mobilních sítích Architektura koncových zařízení EPS Základnová stanice enodeb Subsystém EPC Transportní systém EPS Buňkový subsystém a jeho organizace Identifikátory v síti EPS ÚROVNĚ KOMUNIKACE V SÍTÍCH EPS Access stratum procedury Non-Access stratum procedury SPRÁVA RÁDIOVÝCH ZDROJŮ PODPORA KVALITATIVNÍCH POŽADAVKŮ SLUŽEB QOS Rádiové nosiče Aktivace kontextu implicitního EPS nosiče Správa stavů koncového zařízení UE v síti EPS - EMM a ECM ROZDĚLENÍ ZÁKLADNÍCH FUNKCÍ MEZI PRVKY EPS PRO ŘÍZENÍ ČINNOSTÍ UE V SÍTI EPS PŘÍSTUPOVÁ SÍŤ E-UTRAN RÁDIOVÉ ROZHRANÍ SÍTĚ EPS KANÁLOVÁ ARCHITEKTURA RÁDIOVÉHO ROZHRANÍ Logické kanály rádiového rozhraní Transportní kanály rádiového rozhraní... 57

4 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Fyzické kanály rádiového rozhraní Mapování mezi jednotlivými typy kanálů SYSTÉMOVÉ INFORMACE FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO ROZHRANÍ MOBILNÍCH SÍTÍ EPS Funkce fyzické vrstvy rádiového rozhraní Alokace kmitočtových pásem pro EPS Nosné kmitočty a EARFCN Základní charakteristika fyzické vrstvy rádiového rozhraní Fyzické signály Rámcová struktura fyzické vrstvy rádiového rozhraní Řízení doby předstihu vysílání Funkční bloky fyzické vrstvy rádiového rozhraní Mapování fyzických kanálů a pomocných signálů na fyzické rádiové zdroje PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA EPS PROTOKOLOVÉ SADY V PŘÍSTUPOVÉ SÍTI E-UTRAN Protokolová architektura rádiového rozhraní Uu Protokolová architektura S1 rozhraní Protokolová architektura X2 rozhraní Protokol SCTP PROTOKOLOVÉ SADY V PÁTEŘNÍ SÍTI EPC ŘÍDICÍ PROCEDURY V SÍTÍCH EPS AS PROCEDURY Správa rádiových zdrojů RRM NAS PROCEDURY Počáteční přístup k síti Procedura Tracking Area Update Žádost o službu - procedura Service Request Odpojení terminálu od sítě - procedura Detach SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

5 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 5 Úvod Mobilní síťové technologie jsou technologickým fenoménem po celém světě již více než 20 let a jejich bouřlivý rozvoj se stále se zvyšujícím tempem poukazuje na jejich perspektivu i do budoucnosti. Mobilní technologie lidem poskytly svobodu v oblasti potřeby výměny informací, kdy daly uživatelům možnost realizovat komunikaci na dálku kdykoli a téměř odkudkoli na Zemi. S nástupem druhé dekády tohoto tisíciletí jsme svědky postupné transformace dříve odděleně řešených přenosových technologií pro standardní telekomunikační služby, kam patří původně hlasové, dnes i videokonverzační služby, a pro datové telekomunikační služby do jednotného transportního formátu založeného na přepojování datových jednotek (paketů). Tato transformace odráží stejný trend vývoje v oblasti pevných telekomunikačních sítí, který již začal o více než deset let dříve. Tato přeměna je vedena snahou o maximální zefektivnění způsobu transportu informace, pokud možno libovolného charakteru. Již mnoho let je zřejmé, že původní síťové architektury založené na principu přepojování okruhů, které zdárně a spolehlivě sloužily a dodnes ještě i slouží především pro přenos hlasové informace, již v současnosti nemohou dobře vyhovět stále narůstající potřebě realizovat více a více se rozrůstající nabídku datových služeb rozmanitého charakteru, od přenosů malých objemů řádově desítek či stovek bajtů či vyžadujících kapacitu desítek bitů za sekundu až po služby, kdy je třeba přenést mnohagigabajtové objemy dat či vyžadující přenosovou kapacitu o jednotkách či desítkách megabajtů za sekundu. Mnoho ze současných telekomunikačních služeb je realizováno buď formou nespojitého charakteru přenosu dat, kam patří především tzv. interaktivní služby (www, , aj.) či služby vzdáleného dohledu, nebo se jedná o služby se spojitým avšak objemově výrazně proměnlivým tokem dat (současné kodeky pro přenos hlasu a videa). Původní architektury sítí se spojování fyzických okruhů ani neposkytují dostatečně širokou škálu komunikačních kanálů s potřebnou kapacitou pro tak rozmanitou škálu služeb, ani se neumí efektivně adaptovat službám nespojitého charakteru přenosu dat, a tak neumožňují dosáhnout požadované efektivity, která by poskytovatelům telekomunikačních služeb umožnila optimalizovat náklady na provoz sítí a služeb. Naproti tomu paketové sítě nabízejí mnohem větší efektivitu přenosu informace, síťovou robustnost i flexibilitu ohledně rozšiřování přenosových kapacit i nabídky telekomunikačních služeb. Přechod k sítím založeným na technologii přepojování paketů je tak nevyhnutelným krokem dalšího rozvoje telekomunikačních sítí a služeb, a to napříč všemi

6 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně technologiemi realizujícími fyzický přenos dat, tedy jak v oblasti kabelových sítí, tak i sítí bezdrátových statických i mobilních, a to v pozemním či satelitním provedení. Učební text poskytuje základní objem informací o současném rozvoji v oblasti pozemních mobilních sítí a služeb.

7 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 7 1 Vývoj mobilních sítí Jak již bylo prezentováno v Úvodu, mobilní sítě, tak jak je zná většina současníků, jsou dostupné široké veřejnosti již více než dvě desítky let. Nicméně jejich historie sahá mnohem hlouběji do minulosti a je samozřejmě úzce spojena s rozvojem rádiového (bezdrátového) způsobu komunikace, který se již intenzivně rozvíjel po celé dvacáté století. Samozřejmě první pokusy s rádiovou komunikací za pohybu i první typy mobilních sítí, dříve určené pro využití v neveřejných oblastech (vojenství, policie, apod.) byly analogového charakteru. Koncová zařízení byla rozměrná, těžká a energeticky náročná, takže byla pevně zabudována ve vozidlech. Rozvoj prvních mobilních sítí však neprobíhal na základě celosvětových úmluv a standardů, ale byl relativně živelný. V druhé polovině dvacátého století se začaly objevovat první veřejné mobilní sítě, např. A-Netz, později B-Netz a C-Netz v Německu, které již poskytovaly základní hovorovou službu postupně i několika desítkám tisíc účastníků. Ve skandinávských zemích byl ke konci sedmdesátých let vyvinut nám již známý systém NMT (Nordic Mobile Telephone), který se ke konci osmdesátých let dostal i k nám a byl provozován společností Eurotel. I jinde ve světě probíhal vývoj mobilních technologií, příkladem může být americký standard AMPS (Advanced Mobile Phone System) či japonský standard JTACS (Japanese Total Access Communication System). Analogové mobilní technologie se označují jako mobilní sítě první generace (1G). V té době se však již dostávaly ke slovu digitální komunikační technologie, a to nejenom v oblasti kabelových telefonních sítí, ale vznikaly i první počítačové sítě. Bylo zřejmé, že digitální technologie skrývají ohromný potenciál, a že mobilní síťové technologie nesmí zůstat pozadu. V průběhu osmdesátých let probíhal vývoj prvních digitálních technologií, v Evropě to byl systém GSM (Groupe Spécial Mobile, později Global System for Mobile communication), v Americe systémy D-AMPS (Digital - Advanced Mobile Phone System) a IS-95 (Interim Standard, nejdříve rev.1, později rev. 2: IS-95A později pak rev.4: IS-95B), v Japonsku systém PDC (Pacific Digital Cellular). Objevily se tak digitální mobilní sítě označované jako mobilní sítě druhé generace (2G).

8 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 1.1: Vývoj digitálních mobilních sítí První digitální sítě se začaly uvádět do komerčního provozu od počátku devadesátých let. Ve většině případů se jedná o technologie založené na multiplexních technikách FDMA/TDMA (Frequency Division Multiple Access/ Time Division Multiple Access) a využívající princip spojování fyzických okruhů. Na konci druhého tisíciletí také došlo k mohutnému rozmachu datových služeb, především v rámci počítačových sítí založených na principu přepojování paketů, a ukázaly se nesporné výhody paketových sítí i zářná budoucnost Internetu, což podnítilo vývoj technologie pro paketovou komunikaci i v rámci digitálních mobilních sítí. Výsledkem bylo rozšíření systému GSM o technologii GPRS (General Packet Radio Service) s možností datové komunikace s rychlostmi jednotek až desítek kb/s v závislosti na kvalitě rádiového spoje, schopnosti mobilního terminálu podporovat různá kódovací schémata a přenos po více časových slotech (tzv. multislot třída), na podpoře ze strany mobilní sítě, a na množství dostupných rádiových zdrojů. Zvýšení přenosové kapacity až ke dvěma stům kb/s pak přinesla technologie EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) zavedením osmistavového fázového klíčování. Dalším vývojovým krokem byl návrh další generace mobilních technologií označovaných jako 3G, jejichž představiteli jsou technologie UMTS Universal Mobile Telecommunications System (především v Evropě) a CDMA2000 (převážně americký kontinent). Jedná se o technologie využívající v přístupové rádiové části techniku CDMA (Code Division Multiple Access) umožňující tak používat stejné kmitočtové pásmo v sousedících buňkách, čímž se spolu se zavedením třívrstvé architektury komunikačních kanálů i nasazením vícestavových modulačních technik podstatnou měrou zvýšila efektivita využití rádiových prostředků přístupové sítě. Celková architektura počátečních verzí však byla převzata ze sítí druhé generace, kdy přístupová síť měla dvouvrstvou architekturu (základnové stanice a kontroléry), a v páteřní části obsahovala tzv. CS (Circuit-Switched) doménu především pro hlasové a

9 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 9 videokonverzační služby a tzv. PS (Packet-Switched) doménu pro poskytování paketově orientovaných služeb (www, , apod.). Navýšení přenosových rychlostí oproti technologii EDGE však nebylo významné, jednalo se o několik málo stovek kb/s, to nastalo až s výraznými inovačními kroky v podobě HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) sdružené do označení HSPA (High Speed Packet Access), a HSPA+ zavádějící další výrazné inovace, především v podobě nasazení techniky MIMO (Multiple Input Multiple Output). V závislosti na technické vybavenosti mobilního terminálu a politice operátora mobilní sítě tak lze běžně dosáhnout rychlostí jednotky Mb/s, případně i jednotky desítek Mb/s. Kromě navyšování přenosové rychlosti dochází i ke snižování latence mobilní sítě, obzvláště v její přístupové části, a to prostřednictvím postupného přesunu funkcí kontroléru základnových stanic do samotných základnových stanic, a také modifikací trasy pro průchod uživatelských dat, kdy ta nemusí procházet všemi původními uzly, tj. přes základnovou stanici, kontrolér, uzel SGSN (Serving GPRS Support Node) a uzel GGSN (Gateway GPRS Support Node) do Internetu, ale ze základnové stanice přímo do uzlu GGSN. Dalším požadavkem, který do určité míry souvisí s nárůstem přenosových rychlostí, je zkracování doby přerušení spojení během procedury handover. Je to dáno tím, že s nárůstem rychlosti dochází k přenosu většího objemu dat za jednotku času, což při přepojování znamená, že musí být ukládáno, přesouváno či dokonce zahazováno (a pak opakováno) větší množství dat, což zvyšuje nároky na síťové prostředky. Také dochází ke změnám v oblasti architektury pro jednotný způsob poskytování telekomunikačních služeb (nehledě na typ přístupové sítě), způsobu podpory kvalitativních požadavků služeb i diferenciaci tarifikace za služby. Snížení latence spolu s navýšením rychlosti přenosu paketových dat tak umožňuje zahájit proces postupně úplné integrace telekomunikačních služeb do paketově spojované domény. Tento cíl již z větší části plní technologie označovaná jako all-ip, která je prezentována v současnosti nejmodernější technologií mobilních sítí technologie EPS (Evolved Packet System). U EPS je modifikována přístupová část sítě uvedením nové multiplexní techniky OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) a zjednodušením architektury rádiové přístupové sítě spočívající v odstranění kontroléru základnových stanic. Spolu s dalšími kroky, které umožňují další pokroky ve výrobních technologiích, se dosáhlo, že latence sítě tak dosahuje pouze několik desítek ms, což již nebrání nasazení i služeb běžících v reálném čase. V současnosti počátcích zavádění se však zatím bez svých předchůdců obsahujících okruhově spojovanou doménu neobejdou, a to z důvodu prozatímní neschopnosti spolehlivého poskytování základní hlasové služby, tj. bez integrace služby označované jako VoLTE (Voice over LTE). Finálně završit proces integrace služeb si kladou sítě nejnovější generace, označované jako 4G, které se taktéž vyznačují již čistě paketově orientovanou

10 10 FEKT Vysokého učení technického v Brně architekturou a dalším navýšením přenosové kapacity především pomocí zvětšení šířky kmitočtového pásma, rozšířením technologie MIMO o další paralelní kanály, zlepšení kvality pokrytí území, a využitím tzv. chytrých anténních systémů pro minimalizaci interference. Dosavadní architektury mobilních sítí byly stále navrhovány především pro koncové uzly obsluhované lidmi. Současný vývoj v oblasti služeb však naznačuje, že v blízké budoucnosti budou koncovými body služeb nikoli převážně lidé, ale hlavně rozmanitá zařízení - automaty stroje s vlastní inteligencí a různá čidla. A ta budou často do Internetu napojena přes mobilní síť. Tento fenomén se označuje jako M2M (Machine-to-Machine) či jako Internet of Things. Novým potřebám se tedy bude muset přizpůsobit i nová generace mobilních sítí, která bude muset modifikovat svou architekturu a způsob komunikace, aby očekávaný enormní nárůst objemu přenášených dat efektivně zvládala.

11 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 11 2 Mobilní systémy LTE (EPS) 2.1 Evoluční tlaky na rozvoj mobilních sítí Vzhledem k enormnímu rozvoji internetových služeb nejprve v prostředí kabelových datových sítí nemohl ani stav mobilních sítí ustrnout a nereagovat na něj, především z důvodu stále rostoucí a víceméně globální obliby mobilního způsobu realizace telekomunikačních služeb. Požadavky na další rozvoj, který se odrazil v návrhu technologie LTE (Long Term Evolution) lze shrnout do následujících bodů: vyšší přenosové rychlosti, zkrácení doby připojení k síti i sestavení relací, nízká latence sítě pro možnost nasazení služeb běžících v reálném čase, co nejjednodušší architektura sítě, jednotná transportní infrastruktura, větší kapacita sítě, vyšší efektivita využívání síťových prostředků, především kmitočtového spektra => spektrální efektivita, vysoká odolnost vůči vícecestnému šíření signálu, možnost pohybu vyššími rychlostmi ostatních prostředků sítě => paketový základ transportu dat, univerzálnost systému pro širokou škálu komunikačních služeb, kooperace s předchozími mobilními technologiemi a také s dalšími typy bezdrátových i pevných sítí, mobilita mezi různými typy mobilních i bezdrátových přístupových technologií, kontinuita služeb při přechodu mezi technologiemi, nižší náklady na síťové prvky, výstavbu, konfiguraci, optimalizaci a běžný provoz, akceptovatelné nároky na složitost terminálů a na spotřebu energie. Výsledkem nejnovějších výsledků výzkumu a porovnáním možných řešení byly stanoveny pilíře nové technologie pro mobilní sítě: vhodná technika pro vícenásobný přístup řešící: o vysoká efektivita využití kmitočtového pásma, o vysoká odolnost vůči vícecestnému šíření signálu, o možnost nasazení účinných adaptivních modulačních a kódovacích technik (AMC),

12 12 FEKT Vysokého učení technického v Brně o technologie OFDMA, která je spektrálně efektivní a zajistí odolnost proti vícecestnému šíření výrazným prodloužením doby trvání symbolu při zachování možnosti na další zvyšování přenosové rychlosti, zvětšení šířky pásma současné technologie již dokážou dosáhnout takové úrovně spektrální efektivity, že již není prostor pro její další ekonomicky odůvodnitelný nárůst, a tedy zvětšení šířky kmitočtového pásma a využití techniky OFDMA dává prostor pro relativně snadno řešitelný požadavek na zvyšování přenosové rychlosti, implementace vyšších řádů MIMO technologie zvýšení přenosové rychlosti pomocí prostorového multiplexu v SU-MIMO (Single-User MIMO) až s 8 paralelními toky (streamy) i MU-MIMO (Multi-User MIMO), zajištění co nejrovnoměrnějšího pokrytí oblasti vysoký počet přístupových bodů = enodeb (makro, mikro, piko buňky, vzdálené rádiové jednotky RRH- remote radio head) + reléové stanice + Home enodeb, jednovrstvá rádiová přístupová síť inteligentní základnové stanice, jednotná infrastruktura = all-ip řešení, podpora rozmanitých služeb = podpora QoS, a další. Když bychom chtěli kvantifikovat požadavky na síť další evoluční generace, vypadalo by to takto: all-ip architektura, flexibilní šířka kmitočtového pásma do 20 MHz, nejvyšší přenosové rychlosti - alespoň 100 Mb/s ve směru downlink a 50 Mb/s ve směru uplink, latence sítě - cca 5 ms na rádiu, do 50 ms napříč celou mobilní sítí, optimální návrh pro buňky do průměru 5 km, slušné parametry do velikosti 30 km a maximální velikost buňky s akceptovatelnými komunikačními parametry až 100 km, optimální návrh pro pohyb rychlostí do 15 km/h, dobré parametry pro pohyb rychlostí do 120 km/h, podpora pohybu terminálů rychlostí až 350 km/h, podpora duplexních technologií - jak FDD, tak i TDD, spolupráce s dalšími technologiemi a zajištění mobility mezi nimi.

13 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Standardizace architektur, rozhraní, protokolů a služeb sítí EPS Standardizací většiny architektur mobilních sítí se zabývá společenství 3GPP (3rd Generation Partnership Project), který sjednocuje standardizační organizace ARIB, ATIS, CCSA, ETSI, TTA a TTC ( Za účelem tvorby specifikací se zástupci organizací sdružují do pracovních skupin (Working Group) na následujících úrovních Technických specifikačních skupin (Technical Specification Group): Radio Access Networks (RAN), Service & Systems Aspects (SA), Core Network & Terminals (CT) a GSM EDGE Radio Access Networks (GERAN). Specifikace se dělí do 3 oblastí pouze GSM (do Rel-4){GSM only (before Rel-4)}, řady 00 11, pouze GSM (Rel-4 a pozdější){gsm only (Rel-4 and later)}, řady 41 55, 3G a pozdější / GSM (R99 a pozdější) {3G and beyond / GSM (R99 and later)}, řady 21 37, viz Tab Tab. 2.1: Nejvýznamnější řady 3gpp specifikací pro sítě UMTS a LTE Řada Zaměření 21 High level requirements 22 Stage 1 service specifications 23 Stage 2 service and architecture specifications 24 Non access stratum protocols 25 WCDMA and TD-SCDMA air interfaces and radio access network 26 Codecs 27 Data terminal equipment 28 Tandem free operation of speech codecs 29 Core network protocols 30 Programme management 31 UICC and USIM 32 Operations, administration, maintenance, provisioning and charging 33 Security 34 UE test specifications 35 Security algorithms 36 LTE air interface and radio access network 37 Multiple radio access technologies

14 14 FEKT Vysokého učení technického v Brně 2.3 Základní charakteristika mobilních sítí LTE (EPS) Mobilní síť LTE (Long Term Evolution), správněji označovaná jako EPS (Evolved Packet System) se začala formovat na poli organizace 3gpp v roce První specifikace systému EPS nese označení Rel.8, která byla dokončena v březnu EPS je síť založená na čistě paketovém základě (all-ip), která se výrazně odlišuje od předchozích architektur zařazovaných do sítí třetí generace (3G), a proto se dnes (2014) řadí mezi sítě čtvrté generace (4G), ačkoli podmínky pro čtvrtou generaci mobilních sítí stanovené ITU v dokumentu IMT- Advanced standard LTE definovaný v počáteční verzi dokumenty 3gpp Rel.8 nesplňuje. Ty plní až teprve jeho nástupce standard s označením LTE-Advanced, poprvé specifikovaný v dokumentech Rel.10. Síť LTE lze charakterizovat následujícími základními parametry: architektura systému EPS byla poprvé specifikována v 3GPP Rel.8, all-ip architektura jednotný typ transportu řídicích i aplikačních dat v podobě paketů, a to napříč celou mobilní sítí, tj. od mobilního terminálu až po bránu do Internetu, jednodušší architektura nižší počet síťových uzlů, enodeb je jediným uzlem v e-utran, menší počet rozhraní v RAN; S1: enodeb - MME/SAE-Gateway, X2: enodeb - enodeb, flexibilní architektura enodeb může komunikovat dle podmínek s více prvky MME, či SGW pro zajištění robustnosti a rozkládání zátěže, aj. vysoká spektrální účinnost - 3x-4x vyšší než v Rel.6 pro DL a 2x-3x vyšší pro UL o až 100 Mb/s v pásmu šířky 20 MHz pro downlink (5 b/s/hz), až 150 Mb/s pro MIMO 2x2, teoreticky až 300 Mb/s pro MIMO 4x4, o až 50 Mb/s v pásmu šířky 20 MHz pro uplink (2,5 b/s/hz), o jednokmitočtová síť založená na OFDM, o OFDM pro DL, podpora MIMO až 4 toky pro DL, 1 tok pro UL, o DFTS-OFDMA ( Single-Carrier FDMA ) pro UL, nízký PAPR (Peak-to- Average Power Ratio), o MIMO - využití víceanténních systémů. velmi nízká latence o do 5 ms pro uživatelskou rovinu, o krátká doba sestavení relace, krátká doba přenosu dat,

15 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 15 o krátká HO latence a doba přerušení přenosu; krátký TTI, krátké RRC procedury, jednoduché RRC stavy, o přechody mezi stavy idle a active do 100 ms a mezi stavem spánku a aktivním stavem do 50 ms, flexibilní šířka pásma - 1,4; 3; 5; 10; 15 a 20 MHz, základní parametry sítě zaručeny pro buňky o velikosti do 5 km, do 30 km dojde ke zhoršení parametrů, možná velikost buňky až do 100 km, nízká latence cca 5 ms na rádiu, do 50 ms napříč celou mobilní sítí, minimální TTI (Transmission Time Interval) je 1 ms, adaptivní modulační schémata QPSK až 64QAM, jednoduchá protokolová architektura, sdílení síťových prostředků v plném rozsahu, tj. i na rádiovém rozhraní, vzájemná spolupráce s technologiemi dle dřívějších 3GPP specifikací, vzájemná spolupráce s jinými systémy, např. CDMA2000, FDD a TDD podpora v rámci jednotné technologie rádiového přístupu, efektivní multicast/broadcast (MBMS), podpora technologie SON (podpora Self-Organizing Network), možnost sdílení přístupové sítě mezi více operátory (základnové stanice prezentují dostupnost více sítí PLMN při přístupu k síti UE zašle identifikátor vybraného operátora a enodeb pak vybere příslušný uzel MME patřící do páteřní síti CN daného operátora) 2.4 Architektura sítí EPS (LTE) Základní součásti sítě EPS Základní podoba struktury sítě EPS je shodná s ostatními mobilními sítěmi, viz Obr. 2.1, tj. obsahuje přístupovou rádiovou síť označovanou jako eutran (evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network), přes kterou se připojují LTE terminály UE, a páteřní síť označovanou jako EPC (Evolved Packet Core).

16 16 FEKT Vysokého učení technického v Brně SIM SIM SIM Obr. 2.1: Základní podoba architektury sítě EPS Jediným prvkem eutran je základnová stanice označovaná jako enodeb, či zkráceně enb. Základními funkčními prvky páteřní části sítě, tj. EPC jsou HSS (Home Subscriber Server), MME (Mobility Management Entity), S-GW (Serving Gateway) a P-GW (Packet data network Gateway, často také PDN-GW). Pro pokročilé zavádění mechanizmů politiky k poskytování služeb a implementaci pravidel pro účtování je do architektury zařazen prvek PCRF (Policy control and Charging Rules Function). Základní podoba referenčního modelu EPS je zobrazena na Obr. 2.2.

17 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 17 Obr. 2.2: Referenční model EPS a jeho základní rozhraní dle 3gpp Z obrázku jsou také patrná základní rozhraní systému EPS, jako je rozhraní rádiového přístupu Uu, rozhraní S1 pro napojení e-utran k EPC ve dvou formách, jednak pro přenos uživatelských dat S1-U, a jednak pro přenos řídicích zpráv S1-MME. Dalšími rozhraními jsou S5 mezi uzly S-GW a P-GW a SGi pro napojení do externí IP sítě (Internetu), S6a pro řídicí komunikaci mezi prvkem MME a domovským serverem HSS, S10 pro přenos řídicích zpráv mezi dvěma prvky MME, a S11 pro přenos řídicích zpráv mezi prvky MME a S-GW. Pro implementaci politik pro zacházení s toky jednotlivých uživatelů a služeb byla definována rozhraní S7 (PCRF P-GW), Gx (PCRF PCEF) a Rx (PCRF AF). Jednou ze základních služeb je zjištění konektivity k vnějším sítím a systémům, které dále rozšiřují škálu služeb realizovatelných přes mobilní sítě. Patří sem především napojení do Internetu, dále do privátních sítí a v neposlední řadě napojení na IMS (IP Multimedia Subsystem). To je realizováno přes rozhraní SGi. Systém EPS byl navržen i pro začlenění stávajících přístupových subsystémů mobilních sítí 2G (GERAN) a 3G (UTRAN), viz Obr Jedná se o rozhraní S3 (SGSN MME), S4 (SGSN S-GW) a S12 (RNC S-GW). Pro počáteční implementace systémů EPS bez podpory technologie přenosu hlasu po síti LTE VoLTE, bylo navrženo řešení označované jako CS Fallback (CSFB), jenž spočívá v přepojení terminálu do okruhově spojovaných domén sítí 2G/3G pro možnost realizace hlasové služby, a to vyžaduje propojení mezi prvkem MME a MSC, což obnáší specifikaci dalšího rozhraní SGs.

18 18 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 2.3: Začlenění přístupových subsystémů sítí 2G a 3G do systému EPS Jednou z významných, i když ne přímo nezbytných služeb mobilních sítí, je možnost kontroly identity používaného terminálu, tzv. IMEI (International Mobile Equipment Identity), a tak nabídka služby v podobě možnosti zablokování, případně i sledování, ztraceného či odcizeného terminálu. Informace v podobě IMEI (International Mobile Equipment Identity) jsou sdružovány v speciálním registru/ databázi označované jako EIR (Equipment Identity Register) a přístup k němu je řešen přes prvek MME a rozhraní S Přístup typu non-3gpp do EPC Specifikace systému EPS počítá i s možností tzv. non-3gpp přístupu do páteřní sítě EPC, tedy přístupu přes technologie nespecifikované organizací 3gpp, jako je např. WiFi, a to ve dvou verzích, tzv. trusted (důvěryhodný) a untrusted (nedůvěryhodný). Tímto se zabývá technická specifikace TS , viz Obr Pro tyto případy byly definovány další funkční prvky, jako jsou brána epdg a autentizační server 3GPP AAA server. Také byla definována rozhraní S2a, S2b, a S2c mezi P-GW a dalšími prvky pro transport uživatelských dat. Dále byla doplněna rozhraní SWa, STa, SWm, SWn, SWx a S6b pro ověření identity účastníka (autentizace) požadujícího přístup do EPC a dále do vnějších telekomunikačních sítí.

19 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 19 HSS SWx S6a PCRF Gxc Gx Rx HPLMN 3GPP Access Serving Gateway S5 S2a PDN Gateway S2b epdg Gxb SWn SGi IP služby operátora (např. IMS, PSS aj.) S6b SWm 3GPP AAA Server Non -3GPP sítě Trusted Non- 3GPP IP Access Gxa SWu Untrusted Non-3GPP IP Access UE SWa STa Obr. 2.4: Architektura pro přístup k EPC z přístupových technologií nespecifikovaných organizací 3gpp Roaming v mobilních sítích Samozřejmostí je vzájemné propojení sítí EPS i ostatních mobilních i pevných sítí po celém světě a nabídka možnosti realizovat telekomunikační služby i přes sítě cizích operátorů, tzv. roaming. Za tímto účelem byly vytvořeny koncepce několika způsobů přístupu uživatelů ke službám: home routed standardní přístup do Internetu přes bránu sítě domovského operátora, local break-out přístup do Internetu přes bránu sítě roamingového partnera (operátora). Pro případ home routed, viz Obr. 2.5 bylo definováno rozhraní S8 propojující prvek S-GW navštívené mobilní sítě (VPLMN Visited PLMN) a prvek P-GW domovské sítě (HPLMN Home PLMN).

20 20 FEKT Vysokého učení technického v Brně HSS PCRF Gx Rx S6a HPLMN PDN Gateway SGi IP služby operátora (např. IMS, PSS aj.) VPLMN UTRAN SGSN S8 GERAN S1 - MME S3 MME S4 S12 S11 UE LTE - Uu E - UTRAN S10 S 1 - U Serving Gateway Obr. 2.5: Architektura pro roaming s přenosem dat přes bránu domovské sítě home routed (3gpp TS ) V případě local breakout, viz Obr. 2.6, se uživatelská data směrují do Internetu přes místní P-GW (PDN-GW) sítě roamingového partnera, a aby operátor navštívené sítě VPLMN věděl, jakou politiku aplikovat na uživatelské datové toky účastníka-návštěvníka, potřebuje kontakt na prvek PCRF domovské sítě HPLMN, což je zajištěno přes rozhraní S9.

21 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 21 S6a HSS H-PCRF HPLMN S9 VPLMN UTRAN SGSN GERAN S1 - MME S3 MME S4 S12 V-PCRF S11 Gx Rx UE LTE - Uu E - UTRAN S10 S 1 - U Serving Gateway S5 PDN Gateway SGi IP služby operátora navštívené sítě Obr. 2.6: Architektura pro roaming s přenosem dat přes bránu návštěvnické sítě local breakout (3gpp TS ) Bezpečnost v oblasti mobilních sítí je vzhledem k bezdrátovému způsobu komunikace a široké dostupnosti jednou z hlavních priorit. Bezpečnost v mobilních sítí především zahrnuje: autentizaci uživatele, šifrování přenášené informace, zajištění integrity dat. Autentizace uživatele zajišťuje, že pouze oprávnění uživatelé mohou žádat o služby dané mobilní sítě. Jedná se buď o uživatele domovského operátora a nebo uživatele roamingového partnera. Informace potřebné pro autentizaci jsou jednak uložené na identifikační kartě účastníka USIM a jednak v autentizačním centru či domovském serveru, který generuje potřebná data a zasílá je do entity obsluhující relaci uživatel mobilní síť, např. registr návštěvníků VLR u 2G/3G či MME u sítí LTE (EPS). Tato entita pak zasílá část údajů do UE/USIM, viz Obr. 2.7, kde proběhne jednak generování autentizační odezvy, co se zašle pro ověření zpět do entity mobility, a jednak klíče pro šifrování a dešifrování komunikace se sítí, viz Obr. 2.8.

22 22 FEKT Vysokého učení technického v Brně USIM User authentication request RAND AUTN VLR/SGSN User authentication response RES Obr. 2.7: NAS zprávy přenášené mezi páteřní sítí a UE při autentizaci uživatele žádajícího o přístup (3gpp TS ) RAND AUTN f5 SQN AK AMF MAC AK K SQN f1 f2 f3 f4 XMAC RES CK IK Ověření MAC = XMAC Ověření, že SQN je ve správném rozsahu Obr. 2.8: Autentizační funkce na USIM (3gpp TS ) V síti EPS existuje hierarchie klíčů, nejvýše je společný klíč K ASME, jenž je uložen pouze v HSS a v zabezpečené sekci na kartě USIM, viz Obr. 2.9.

23 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 23 Obr. 2.9: Bezpečnost v síti EPS klíče, šifrování, integrita RRC zprávy přenášené po kanálu DCCH jsou zabezpečené pomocí ARQ na RLC, a jsou šifrované i chráněné proti změně (integrita) na vrstvě PDCP. Funkce šifrování a kontrola integrity jsou zajištěny i pro NAS zprávy. RRC zprávy přenášené po kanálu CCCH však nejsou zabezpečené pomocí ARQ na RLC, a ani nejsou šifrované a chráněné proti změně, protože musí být dostupné k přečtení všem terminálům v buňce. Uživatelská data jsou pouze šifrována, problém integrity není na úrovni sítě řešen, což je zřejmé z hierarchie klíčů prezentované na Obr

24 24 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 2.10: Bezpečnost v síti EPS odvozování klíčů pro šifrování a zajištění integrity dat, a to jak na úrovni AS, tak i NAS V síti EPS se šifrování a integrita může řešit nezávisle na úrovních NAS i AS, viz Obr. Obr. 2.11: Oddělené řešení bezpečnosti na úrovni AS a NAS Pro operátora, jakožto podnikatele v oblasti telekomunikací, je základním požadavkem kromě spolehlivé sítě a bezproblémového poskytování telekomunikačních služeb i tzv. billingový systém s širokou nabídkou možností účtování služeb a systém implementace politiky s možností rozlišovat a různě podporovat datové toky dle libovolných kritérií. Řešení této problematiky zajišťuje subsystém PCC (Policy & Charging Control). Jedna z jeho možných architektur je zachycena na Obr

25 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 25 Fixed Broadband Access NW Subscription Profile Repository (SPR) S9a Sp Np RCAF Rx AF Online Charging System (OCS) BPCF S15 Policy and Charging Rules Function (PCRF) Sy HNB -GW Gxx Gx Sd Gy BBERF PCEF PDN GW PCEF TDF Gz Gzn Gyn Offline Charging System (OFCS) Obr. 2.12: Architektura subsystému pro podporu účtování a zavádění politiky vůči datovým tokům Ústředními prvky je repozitář s pravidly pro poskytování podpory služeb i ceníkem za služby daných uživatelů, dále uzel PCRF (Policy and Charging Rules Function) poskytující potřebná data pro další součásti. Danou politiku zacházení uplatňuje pak prvek PCEF (Policy Control Enforcement Function), který je součástí výstupní brány mobilní sítě EPS P-GW. Data o službách realizovaných účastníkem jsou zasílána do účtovacího centra dle typu vztahu mezi účastníkem a operátorem, a to buď do Offline Charging System (OFCS) pro smlouvy či do Online Charging System (OCS) pro účastníka s předplacenou kartou Architektura koncových zařízení EPS Koncové zařízení sítí EPS umožňuje rádiový přístup k hlavním částem sítě a slouží k aktivaci telekomunikačních služeb. V sítích EPS se označuje jako UE (User Equipment). Koncové zařízení UE však nemusí být, a také často není pouze jedno zařízení se všemi potřebnými funkcemi, ale obecně může být tvořeno i několika samostatnými či částečně integrovanými moduly, mezi nimiž jsou specifikována rozhraní. Obecné schéma UE je zobrazeno na Obr

26 26 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 2.13: Architektura LTE terminálu a značení jeho součástí dle ETSI Blok RT (Radio Termination) řeší problematiku rádiové komunikace se sítí, tzn. zahrnuje tzv. AS (Access Stratum) funkcionalitu, tedy protokoly spojené s fyzickou a linkovou vrstvou. Blok NT (Network Termination) řeší vyšší vrstvy komunikace, tj. komunikace mezi UE a páteřními prvky sítě, tedy komunikaci označovanou jako NAS (Non- Access Stratum). Patří sem především činnosti typu EMM (Evolved Mobility Management), ESM (Evolved Session Management) a samozřejmě příprava uživatelských dat k vysílání či předání aplikaci. Prvky RT a NT dohromady tvoří část UE označovanou jako MT (Mobile Termination). Blok TA (Terminal Adapter) adaptuje síťově závislou formu komunikace, tj. komunikaci v EPS, na jinou formu komunikace, např. USB, Bluetooth, NFC, aj. Část MT spolu s TE tvoří součást ME (Mobile Equipment). Blok TE (Terminal Equipment) pak z pohledu komunikace end-to-end implementuje vrstvy a protokoly komunikace realizované nad vrstvami přístupové technologie (v našem případě EPS), tj. protokoly síťové vrstvy (IP a další) a transportní vrstvy (UDP, TCP, SCTP, aj.). V souvislosti s výkonností terminálů UE v síti EPS byly definovány tzv. kategorie UE. Kategorie definují kombinovanou schopnost jak pro downlink, tak i uplink. Pro některé vyšší kategorie může platit, že současně v sobě zahrnují i schopnost fungovat dle některých nižších kategorií, např. kat. 6 či 7 zahrnují schopnost kategorie 4 a např. kategorie 10 v sobě zahrnuje kategorie 7 a 4 (3gpp TS ). Odpovídající schopnosti pro jednotlivé kategorie jsou uvedeny v Tab. 2.2 a v Tab. 2.3.

27 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 27 Tab. 2.2: Parametry fyzické vrstvy UE pro směr downlink v kontextu kategorie UE UE kategorie Kategorie 0 (Pozn. 2) Maximální počet bitů transportních bloků po DL- SCH přijatých během TTI (Pozn. 1) Maximální počet bitů jednoho transportního bloku po DL- SCH přijatých během TTI Celkový počet soft bitů kanálu (Total number of soft channel bits) Kategorie Kategorie Kategorie Kategorie Kategorie Kategorie Kategorie (4 vrstvy) (2 vrstvy) (4 vrstvy) (2 vrstvy) Maximální počet podporovaných vrstev pro prostorový multiplex ve směru DL nebo nebo 4 Kategorie Kategorie Kategorie (4 vrstvy) (2 vrstvy) (4 vrstvy) (2 vrstvy) nebo nebo 4 Pozn. 1: Při činnosti využívající agregaci pásem DL-SCH výkonnostní schopnost může být sdílena s příjmem Pozn 2: dat po multicast kanálu MCH od obsluhující buňky. Pokud celkové množství zdrojů přidělených enb pro UE po obou typech kanálů překročí schopnost UE dané kategorie, je ponecháno na UE, čemu přidělí vyšší prioritu. V rámci jedné periody TTI UE kategorie 0 musí být schopno přijmout až 1000 bitů pro transportní bloky spojené s C-RNTI/P-RNTI/SI-RNTI/RA-RNTI a až 2216 bitů pro další transportní bloky spojené s P-RNTI/SI-RNTI/RA-RNTI Parametr Total number of soft channel bits představuje maximální počet bitů napříč všemi HARQ procesy, jenž určuje požadavky na minimální dostupnou paměťovou kapacitu terminálu pro všechny HARQ procesy.

28 28 FEKT Vysokého učení technického v Brně Tab. 2.3: Parametry fyzické vrstvy UE pro směr uplink v kontextu kategorie UE UE kategorie Maximální počet bitů transportních bloků po DL-SCH vyslaných během TTI (Pozn. 1) Maximální počet bitů jednoho transportního bloku po DL- SCH vyslaných během TTI Kategorie Ne Kategorie Ne Kategorie Ne Kategorie Ne Kategorie Ne Kategorie Ano Kategorie Ne Kategorie Ne Kategorie Ano Kategorie Ne Kategorie Ne Podpora 64QAM ve směru UL Současné moderní terminály jsou víceúčelová výpočetní zařízení s řadou komunikačních rozhraní - 2G/3G/4G, WiFi, Bluetooth, NFC aj., jak je to zachyceno na Obr

29 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 29 Obr. 2.14: HW blokové schéma moderních mobilních smart telefonů Aby mohl mobilní terminál využívat naplno služeb mobilní sítě, musí být terminál do sítě přihlášen, k čemuž je zapotřebí, aby do něj byla vložena identifikační karta známá pod označením SIM (Subscriber Identity Module). Karta SIM je čipová typu Smart Card, která je také označována jako UICC (Universal Integrated Circuit Card) a která se v současnosti vyskytuje ve dvou verzích: SIM pouze pro připojení do sítí GSM a UMTS, USIM od Rel.99, pro připojení do sítí UMTS a LTE Základnová stanice enodeb Prvek enb označovaný také jako enodeb je základnová stanice zajišťující terminálům přístup k síti a službám, a je jediným prvkem rádiové přístupové sítě e-utran. Uzel enodeb zajišťuje funkce: rádiové pokrytí oblasti pomocí jednoho či více sektorů (buněk), vysílání referenčního signálu a systémových informací o mobilní síti jako celku, o blízkém rádiovém okolí a o podmínkách chování účastnických koncových zařízení v dané buňce,

30 30 FEKT Vysokého učení technického v Brně správa rádiových zdrojů (RRM - Radio Resource Management), výměna informací o interferenci a zátěži se sousedními enb, rozhodování o žádosti o jejich sestavení (Radio Admission Control), správa rádiových nosičů (Radio Bearer Control), řešení mobility (Connection Mobility Control) o selekce a reselekce buňky - poskytování přístupových informací sítí, o handover realizace měření, zpracování měření od UE a rozhodování o handoveru, přidělování rádiových zdrojů terminálům UE ve směru DL i UL dle dohodnuté podpory QoS (Dynamic Resource Allocation - Scheduling), adaptace kódových a modulačních schémat dle konkrétních rádiových podmínek, řízení výkonu, řešení bezpečnosti a integrity komunikace, výběr vhodné MME pro řízení dané relace, výměna řídicích informací s MME, výměna aplikačních (uživatelských) dat s S-GW, aj. Z pohledu přenosového řetězce základnová stanice sestává ze dvou částí, a to z modulu řešícího zpracování signálu v základním pásmu a označovaného jako BBU (Base-Band Unit), a z části zabývající se převodem, vysíláním a příjmem signálu v rádiové oblasti, označované jako RU (Radio Unit) či RH (Radio Head), přičemž je specifikováno rozhraní mezi těmito částmi, což umožňuje vzájemné oddělení obou modulů, tj. BBU a RU i na kilometry daleko a jejich propojení přes optické vlákno. Pak se rádiový modul označuje jako RRU (Remote RU) či RRH Subsystém EPC Subsystém EPC (Evolved Packet Core) tvoří páteřní část EPS, která zahrnuje: uzel MME (Mobility Management Entity) řídicí uzel, spravuje signalizaci mezi UE a sítí, řeší správu (vytvoření, modifikace, uvolnění) nosičů RAB (Radio Access Bearer), správu mobility (EMM-EPS Mobility Management) a správu spojení (ECM-EPS Connection Management), uzel S-GW (Serving Gateway) obslužný uzel pro uživatelské (aplikační) datové toky, realizuje směrování paketů, funguje jako kotevní bod v EPC při přechodu UE mezi různými enb, v návštěvnické síti při roamingu realizuje měření objemu

31 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 31 přenášených dat pro účtování, je spojovacím uzlem při připojení přístupových sítí GERAN a UTRAN, uzel P-GW (Packet Data Network Gateway) obdoba GGSN v GPRS síti, tj. napojuje mobilní síť na vnější datové sítě (Internet, privátní sítě), přiděluje IP adresy, filtruje provoz, uzel HSS (Home Subscriber Server) + AuC (Authentication Centre) databáze informací o účastnících, aktivovaných službách, aktuální poloze, QoS profilu, případná omezení, a také data i výpočetní systém pro zajištění bezpečnosti komunikace UE v mobilní síti (především na rádiovém rozhraní), viz Obr. 2.15, uzel PCRF (Policy Control and Charging Rules Function) uzel pro autorizaci přidělení určité třídy QoS a vůbec použití určité politiky přístupu k danému účastníkovi a jím provozované službě, způsobu a výši účtování za službu, apod. Vlastní vykonávání pak řeší funkční entita PECF (Policy Control Enforcement Function), jenž sídlí typicky v uzlu P-GW. uzel epdg (evolved Packet Data Gateway) uzel pro řešení přístupu UE k páteřní síti EPC přes nedůvěryhodnou non-3gpp síť, např. WiFi či WiMAX, V subsystému EPC se sdružují prvky MME a SGW do skupin, ze kterých se vybírá příslušný obslužný prvek pro zajištění obsluhy řídicích či uživatelských datových toků: MME-Pool prvek MME je vybírán uzlem enb, S-GW-Pool prvek S-GW je vybírán dle konfigurace pro dohled a management (O&M), pokud však byl na základě komunikace s HSS vybrán určitý P-GW a ten je integrován s S-GW, tak MME vybere tento S-GW kombinovaného uzlu, P-GW je vybrán dle cíle budované relace (Internet či privátní síť) na základě konzultace MME s HSS. Při roamingu může MME vybrat lokální P-GW pro optimalizaci směrování dat (tzv. Local Breakout )

32 32 FEKT Vysokého učení technického v Brně HSS Mobility Management User security info. generation User security support Identification handling Service authorization support Access authorization Service Provisioning support Application Services Support Call / Session establishment support CAMEL Services Support GUP Data Repository SWx GMSC C GSM CS Domain EPC GPRS MSC / VLR D Gr Gc gsmscf Rp Sh S6d S6a SGSN GGSN GPRS SIP Application Server OSA SCS Si Cx CSCF IM-SSF EPC SGSN MME IM CN subsystem 3GPP AAA Server Applications GUP Server Obr. 2.15: Logické funkce HSS a rozhraní na ostatní řídicí prvky (3GPP TS ) Transportní systém EPS Transportním systémem EPS se rozumí síťová infrastruktura, která zajišťuje vzájemné propojení funkčních prvků sítě EPS a tak transport jak řídicích, tak i aplikačních (uživatelských) dat. Transportní systém je založen na flat-ip architektuře a sestává z výkonných přepínačů a směrovačů. Protože systém EPS nabízí různé možnosti sdílení určitých částí sítě mezi více operátory, jsou adresové prostory rozděleny minimálně na dvě samostatné oblasti, jak je to znázorněno na Obr

33 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 33 Obr. 2.16: Oddělené IP prostory pro transport Buňkový subsystém a jeho organizace Dostupnost sítě, a tedy telekomunikačních služeb je v síti EPS, stejně jako i v jiných mobilních sítích řešena pomocí systému buněk, které jsou různého typu, velikostí a případně i kmitočtů. Navíc z důvodu koexistence s ostatními mobilními či bezdrátovými technologiemi, a to jak typu 3gpp tak i non-3gpp, musí síť v závislosti na schopnostech terminálu počítat i s možností přechodu mezi buňkami různých technologií. Zajištění kontinuity spojení s páteří sítě pro dostupnost telekomunikačních služeb se pak řeší pomocí mechanizmů označovaných jako: - selekce / reselekce buňky či - handover. Buňky mají 3 typy identifikátorů: ECI (E-UTRAN Cell Identity) 28-bitové slovo identifikující buňku v rámci PLMN, ECGI (E-UTRAN Cell Global Identity) - globální identifikátor buňky, jenž sestává z PLMN-ID (MCC + MNC, 24 bitů) a ECI (28 bitů), kde MSB bity specifikují enb- ID, Physical Cell ID = 3* N (1) ID + N (2) (1) ID - identifikátor na fyzické vrstvě, kde N ID je identifikátor skupiny buněk (0-167) a N (1) ID je číslo buňky (0 2) ve skupině. Buňky jsou organizovány do sledovacích oblastí TA (Tracking Area), viz Obr Oblast sledování TA (Tracking Area) tvoří jedna či více buněk a je identifikovatelná v rámci

34 34 FEKT Vysokého učení technického v Brně operátora pomocí TAC (TA Code), a mezinárodně pomocí TAI (TA Identity), pro kterou platí: TAI = MCC + MNC + TAC. Jedná se o obdobu místních oblastí (Location Area - LA) v sítích GSM či směrovacích oblastí u sítí GPRS. Na rozdíl od předchozích řešení, kdy se přechod neaktivního mobilního terminálu mezi buňkami patřícími do různých oblastí musí nahlásit do sítě za pomocí procedur Location Area Update či Routing Area Update, tak v síti LTE existuje seznam sledovacích oblastí, tzv. Tracking Area List, který terminál obdrží ze sítě a který říká, že terminál nemusí hlásit přechod mezi buňkami oblastí, které jsou na seznamu. To umožňuje pružně měnit rozsah pokrytí, kde terminál při pohybu a reselekci buněk změnu nemusí hlásit, aniž se mění přiřazení buněk do sledovacích oblastí. Obr. 2.17: Koncepce sledovacích oblastí Identifikátory v síti EPS V jakékoli síti je zapotřebí jednoznačně identifikovat hardwarové či softwarové funkční jednotky, a to jak jednotlivě, tak i případně po organizačních skupinách. V kap bylo popsáno organizační dělení buněk do sledovacích oblastí a jejich identifikace pomocí parametru TAI (Tracking Area Identity). V oblasti buňkového systému se seskupují hlavní řídicí uzly MME do skupin vytvářející rezervoáry (Pool), ze kterých si mohou základnové stanice enodeb z přidělených sledovacích oblastí TA vybírat obslužný řídicí uzel MME. Pro identifikaci uzlů MME se globálně využívá parametr GUMMEI (Globally Unique MME Identifier), který má délku 48 bitů, a je tvořen

35 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 35 dvěma základními částmi PLMN-ID (24 bitů) a MMEI (24 bitů), kde PLMN-ID sestává z kódů MCC a MNC, a MMEI z MMEGI (MME Group Identity 16 bitů) a MMEC (MME Code 8 bitů). V rámci sítí EPS je definován globální dočasný identifikátor mobilního účastnického zařízení GUTI mající délku 80 bitů a sestávající z identifikátoru GUMMEI o délce 48 bitů a dočasného identifikátoru M-TMSI o délce 32 bitů, jak je to znázorněno na Obr Obr. 2.18: Struktura globálního dočasného identifikátoru účastnického zařízení UE v mobilní síti EPS V souvislosti s GUTI se používá parametr TIN (Temporary Identity used in Next update), což je GUTI připravené pro použití po provedení procedury TAU (Tracking Area Update). Pro jednoznačnou identifikaci UE v rámci buňky se používá parametr C-RNTI (Cell-Radio Network Temporary Identifier). Co se týče identifikátoru buňky sítě E-UTRAN, byly definovány tři identifikátory: 1. ECI (E-UTRAN Cell Identity) 28 bitů = , enb ID + Cell ID,

36 36 FEKT Vysokého učení technického v Brně 2. ECGI (E-UTRAN Cell Global Identifier) 52 bitů = , PLMN ID + ECI, viz Obr. 2.19, 3. Physical Cell ID číslo Obr. 2.19: Identifikátor buňky v E-UTRAN Pro identifikaci požadovaného přístupu k datové síti a službě se používá parametru APN (Access Point Name), což je znakové pole o délce do 100 oktetů, viz Obr. 2.20, jenž sestává ze dvou částí: - Network Identifier (NI) odlišení sítě a služby, - Operator Identifier (OI) identifikace operátora (často se vynechává), např. internet.operator.cz, zkráceně pouze internet. Obr. 2.20: Struktura APN Pro flexibilní napojení buňkového systému na páteřní síť EPC jsou přiřazovány základnovým stanicím rezervoáry MME tvořené skupinami řídicích prvků MME, a S-GW obslužné oblasti určující oblasti (skupiny sledovacích oblastí) obsluhovanou jedním uzlem S- GW.

37 Mobilní komunikační sítě a služby v all-ip prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 37 Obr. 2.21: Vazby mezi sledovacími oblastmi, MME rezervoáry a S-GW obslužnými oblastmi 2.5 Úrovně komunikace v sítích EPS Komunikace mezi terminálem a sítí EPS se dělí do dvou úrovní, viz Obr. 2.22, a to na: AS (Access Stratum) procedury závislé na typu přístupové technologie, jako správa rádiových nosičů (Radio Resource Control), přístup k síti, měření rádiového okolí, atd, NAS (Non-Access Stratum) procedury nezávislé na typu přístupové technologie, jako správa mobility (EPS Mobility Management - EMM) a správa relací (EPS Session Management - ESM). Obr. 2.22: Základní úrovně komunikace terminál EPS (3gpp TS ) Access stratum procedury AS procedury řeší problematiku správy rádiových zdrojů na rozhraní LTE-Uu. Cílem AS je zajistit přepravu NAS zpráv mezi páteřní části sítě EPS (EPC) a terminálem UE po rádiovém rozhraní. Procedury tak zahrnují činnosti realizované na: fyzické vrstvě rozhraní LTE-Uu,