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

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.1.07/2.2.00/28.0062 Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

2

Autor Název Vydavatel

Vydání Rok vydání Náklad ISBN

FEKT Vysokého učení technického v Brně

Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. Mobilní komunikační sítě a služby v all-IP prostředí pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Technická 12, 616 00 Brno první 2014 elektronicky 978-80-214-5129-2

Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.

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

3

OBSAH ÚVOD ........................................................................................................................................ 5 1

VÝVOJ MOBILNÍCH SÍTÍ ............................................................................................. 7

2

MOBILNÍ SYSTÉMY LTE (EPS) ................................................................................ 11 2.1 EVOLUČNÍ TLAKY NA ROZVOJ MOBILNÍCH SÍTÍ .............................................................. 11 2.2 STANDARDIZACE ARCHITEKTUR, ROZHRANÍ, PROTOKOLŮ A SLUŽEB SÍTÍ EPS ............... 13 2.3 ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKA MOBILNÍCH SÍTÍ LTE (EPS) ........................................... 14 2.4 ARCHITEKTURA SÍTÍ EPS (LTE) .................................................................................... 15 2.4.1

Základní součásti sítě EPS ......................................................................... 15

2.4.2

Přístup typu non-3gpp do EPC .................................................................. 18

2.4.3

Roaming v mobilních sítích........................................................................ 19

2.4.4

Architektura koncových zařízení EPS ........................................................ 25

2.4.5

Základnová stanice eNodeB....................................................................... 29

2.4.6

Subsystém EPC .......................................................................................... 30

2.4.7

Transportní systém EPS ............................................................................. 32

2.4.8

Buňkový subsystém a jeho organizace ....................................................... 33

2.4.9

Identifikátory v síti EPS ............................................................................. 34

2.5 ÚROVNĚ KOMUNIKACE V SÍTÍCH EPS ............................................................................ 37 2.5.1

Access stratum procedury .......................................................................... 37

2.5.2

Non-Access stratum procedury .................................................................. 41

2.6 SPRÁVA RÁDIOVÝCH ZDROJŮ ......................................................................................... 46 2.7 PODPORA KVALITATIVNÍCH POŽADAVKŮ SLUŽEB – QOS ............................................... 46 2.7.1

Rádiové nosiče ........................................................................................... 48

2.7.2

Aktivace kontextu implicitního EPS nosiče ................................................ 49

2.7.3

Správa stavů koncového zařízení UE v síti EPS - EMM a ECM ............... 49

2.8 ROZDĚLENÍ ZÁKLADNÍCH FUNKCÍ MEZI PRVKY EPS PRO ŘÍZENÍ ČINNOSTÍ UE V SÍTI EPS ...................................................................................................................................... 51 3

PŘÍSTUPOVÁ SÍŤ E-UTRAN ...................................................................................... 54 3.1 RÁDIOVÉ ROZHRANÍ SÍTĚ EPS ....................................................................................... 55 3.2 KANÁLOVÁ ARCHITEKTURA RÁDIOVÉHO ROZHRANÍ...................................................... 56 3.2.1

Logické kanály rádiového rozhraní ........................................................... 56

3.2.2

Transportní kanály rádiového rozhraní ..................................................... 57

4

FEKT Vysokého učení technického v Brně 3.2.3

Fyzické kanály rádiového rozhraní ........................................................... 58

3.2.4

Mapování mezi jednotlivými typy kanálů .................................................. 63

3.3 SYSTÉMOVÉ INFORMACE ............................................................................................... 64 3.4 FYZICKÁ VRSTVA RÁDIOVÉHO ROZHRANÍ MOBILNÍCH SÍTÍ EPS .................................... 65 3.4.1

Funkce fyzické vrstvy rádiového rozhraní ................................................. 66

3.4.2

Alokace kmitočtových pásem pro EPS ...................................................... 67

3.4.3

Nosné kmitočty a EARFCN ....................................................................... 69

3.4.4

Základní charakteristika fyzické vrstvy rádiového rozhraní ..................... 70

3.4.5

Fyzické signály .......................................................................................... 77

3.4.6

Rámcová struktura fyzické vrstvy rádiového rozhraní .............................. 79

3.4.7

Řízení doby předstihu vysílání................................................................... 81

3.4.8

Funkční bloky fyzické vrstvy rádiového rozhraní ...................................... 82

3.4.9

Mapování fyzických kanálů a pomocných signálů na fyzické rádiové zdroje ................................................................................................................... 85

4

PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA EPS .................................................................88 4.1 PROTOKOLOVÉ SADY V PŘÍSTUPOVÉ SÍTI E-UTRAN .................................................... 88 4.1.1

Protokolová architektura rádiového rozhraní Uu .................................... 88

4.1.2

Protokolová architektura S1 rozhraní....................................................... 89

4.1.3

Protokolová architektura X2 rozhraní ...................................................... 91

4.1.4

Protokol SCTP........................................................................................... 91

4.2 PROTOKOLOVÉ SADY V PÁTEŘNÍ SÍTI EPC .................................................................... 92 5

ŘÍDICÍ PROCEDURY V SÍTÍCH EPS ........................................................................94 5.1 AS PROCEDURY ............................................................................................................. 94 5.1.1

Správa rádiových zdrojů RRM .................................................................. 94

5.2 NAS PROCEDURY .......................................................................................................... 96 5.2.1

Počáteční přístup k síti .............................................................................. 96

5.2.2

Procedura Tracking Area Update ........................................................... 107

5.2.3

Žádost o službu - procedura Service Request ......................................... 108

5.2.4

Odpojení terminálu od sítě - procedura Detach ..................................... 109

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY .................................................................................111


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, e-mail, 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


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

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


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

videokonverzační služby a tzv. PS (Packet-Switched) doménu pro poskytování paketově orientovaných služeb (www, e-mail, 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


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

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

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

2.2 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 (http://www.3gpp.org/about-3gpp/about-3gpp). 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. 2.1.

Tab. 2.1: Nejvýznamnější řady 3gpp specifikací pro sítě UMTS a LTE

Řada 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

Zaměření High level requirements Stage 1 service specifications Stage 2 service and architecture specifications Non access stratum protocols WCDMA and TD-SCDMA air interfaces and radio access network Codecs Data terminal equipment Tandem free operation of speech codecs Core network protocols Programme management UICC and USIM Operations, administration, maintenance, provisioning and charging Security UE test specifications Security algorithms LTE air interface and radio access network Multiple radio access technologies

14


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 2004. První specifikace systému EPS nese označení Rel.8, která byla dokončena v březnu 2009. 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 IMTAdvanced 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-toAverage 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

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) 2.4.1

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).

SIM

SIM


SIM

16

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

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. 2.3. 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


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 S13. 2.4.2

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 23.402, viz Obr. 2.4. 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

HSS SWx S6a

PCRF Gxc

Rx Gx SGi

3GPP Access

Serving Gateway

PDN Gateway

IP služby operátora (např. IMS, PSS aj.)

S5 S6b

S2b Gxb S2a

SWm 3GPP AAA Server

ePDG SWn

HPLMN Gxa

Non -3GPP sítě Trusted Non -3GPP IP Access

SWu

Untrusted Non -3GPP IP Access

SWa

STa

UE

Obr. 2.4: Architektura pro přístup k EPC z přístupových technologií nespecifikovaných organizací 3gpp

2.4.3

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


HSS

PCRF Gx

Rx

S6a PDN Gateway

SGi

IP služby operátora (např. IMS, PSS aj.)

HPLMN

VPLMN

S8

UTRAN SGSN GERAN

S12 S3 S1-MME

S4 MME

S11 S10

“ LTE - Uu ” UE

Serving Gateway

E-UTRAN S1-U

Obr. 2.5: Architektura pro roaming s přenosem dat přes bránu domovské sítě – home routed (3gpp TS 23.401)

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


HSS H-PCRF S6a

S9 HPLMN

VPLMN

UTRAN SGSN GERAN

S12 S3 S1-MME

S4 MME

V-PCRF

S10

“ LTE - Uu ” UE

Rx

Gx

S11

E-UTRAN S1-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 23.401)

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


USIM

VLR/SGSN User authentication request RAND || AUTN

User authentication response RES

Obr. 2.7: NAS zprávy přenášené mezi páteřní sítí a UE při autentizaci uživatele žádajícího o přístup (3gpp TS 33.102) RAND

AUTN

f5

SQN ⊕ AK

AK

⊕

AMF

MAC

SQN K

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 33.102)

V síti EPS existuje hierarchie klíčů, nejvýše je společný klíč KASME, jenž je uložen pouze v HSS a v zabezpečené sekci na kartě USIM, viz Obr. 2.9.


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. 2.10.

24


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. 2.11.

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. 2.12.

25


Subscription Profile Repository (SPR)

Sp

RCAF

Np Fixed Broadband Access NW

AF Online Charging System (OCS)

Rx

S9a

BPCF S15

Policy and Charging Rules Function (PCRF) Sy

HNB -GW Gxx

BBERF

Gx

PCEF

Sd

Gy

PCEF TDF

Gyn Gzn

PDN GW

Offline Charging System (OFCS)

Gz

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. 2.4.4

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. 2.13.

26


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 (NonAccess 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 36.306). Odpovídající schopnosti pro jednotlivé kategorie jsou uvedeny v Tab. 2.2 a v Tab. 2.3.


27

Tab. 2.2: Parametry fyzické vrstvy UE pro směr downlink v kontextu kategorie UE

UE kategorie

Maximální počet bitů transportních bloků po DLSCH přijatých během TTI (Pozn. 1)

Maximální počet bitů jednoho transportního bloku po DLSCH přijatých během TTI

Celkový počet „soft“ bitů kanálu (Total number of soft channel bits)

Maximální počet podporovaných vrstev pro prostorový multiplex ve směru DL

Kategorie 0 (Pozn. 2)

1000

1000

25344

1

Kategorie 1

10296

10296

250368

1

Kategorie 2

51024

51024

1237248

2

Kategorie 3

102048

75376

1237248

2

Kategorie 4

150752

75376

1827072

2

Kategorie 5

299552

149776

3667200

4

Kategorie 6

301504

149776 (4 vrstvy) 75376 (2 vrstvy)

3654144

2 nebo 4

Kategorie 7

301504

149776 (4 vrstvy) 75376 (2 vrstvy)

3654144

2 nebo 4

Kategorie 8

2998560

299856

35982720

8

Kategorie 9

452256

149776 (4 vrstvy) 75376 (2 vrstvy)

5481216

2 nebo 4

Kategorie 10

452256

149776 (4 vrstvy) 75376 (2 vrstvy)

5481216

2 nebo 4

Pozn. 1: Při činnosti využívající agregaci pásem DL-SCH výkonnostní schopnost může být sdílena s příjmem 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. Pozn 2:

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


Tab. 2.3: Parametry fyzické vrstvy UE pro směr uplink v kontextu kategorie UE

UE kategorie

Kategorie 0

1000

Maximální počet bitů jednoho transportního bloku po DLSCH vyslaných během TTI 1000

Kategorie 1

5160

5160

Ne

Kategorie 2

25456

25456

Ne

Kategorie 3

51024

51024

Ne

Kategorie 4

51024

51024

Ne

Kategorie 5

75376

75376

Ano

Kategorie 6

51024

51024

Ne

Kategorie 7

102048

51024

Ne

Kategorie 8

1497760

149776

Ano

Kategorie 9

51024

51024

Ne

Kategorie 10

102048

51024

Ne

Současné

moderní

Maximální počet bitů transportních bloků po DL-SCH vyslaných během TTI (Pozn. 1)

terminály

jsou

víceúčelová

Podpora 64QAM ve směru UL

Ne

výpočetní

zařízení

s řadou

komunikačních rozhraní - 2G/3G/4G, WiFi, Bluetooth, NFC aj., jak je to zachyceno na Obr. 2.14.


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.

2.4.5

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

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. 2.4.6

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

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


HSS Mobility Management

Identification handling

User security info. generation

Service authorization support

User security support

Access authorization

Service Provisioning support

Application Services Support

Call / Session establishment support

CAMEL Services Support

GUP Data Repository

SWx

C GSM

D

gsmSCF

Gc

Gr

CS Domain GPRS EPC

GGSN

MSC / VLR

GMSC

Rp

S6d

SGSN

GPRS

S6a EPC

SGSN

Si

SIP Application Server

OSA SCS

MME

3GPP AAA Server

Sh

Cx

CSCF IM-SSF

IM CN subsystem Applications

GUP Server

Obr. 2.15: Logické funkce HSS a rozhraní na ostatní řídicí prvky (3GPP TS 23.002)

2.4.7

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. 2.16.


33

Obr. 2.16: Oddělené IP prostory pro transport

2.4.8

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 eNBID,

•

Physical Cell ID = 3* NID(1) + NID(2) - identifikátor na fyzické vrstvě, kde NID(1) je identifikátor skupiny buněk (0-167) a NID(1) je číslo buňky (0–2) ve skupině.

Buňky jsou organizovány do sledovacích oblastí TA (Tracking Area), viz Obr. 2.17. Oblast sledování TA (Tracking Area) tvoří jedna či více buněk a je identifikovatelná v rámci

34


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

2.4.9

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. 2.4.8 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

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. 2.18.

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 = 20 + 8, eNB ID + Cell ID,

36

FEKT Vysokého učení technického v Brně 2. ECGI (E-UTRAN Cell Global Identifier) – 52 bitů = 24 + 28, PLMN ID + ECI, viz Obr. 2.19, 3. Physical Cell ID – číslo 0-503.

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 SGW.


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 36.300)

2.5.1

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,

38

FEKT Vysokého učení technického v Brně MAC (Medium Access Control) podvrstvě linkové vrstvy rozhraní LTE-Uu, RLC (Radio Link Control) podvrstvě rozhraní LTE-Uu, PDCP (Packet Data Convergence Protocol) podvrstvě rozhraní LTE-Uu – zodpovědná za přenos signalizace, a to jak pro AS, tak i NAS, RRC (Radio Resource Control) podvrstvě rozhraní LTE-Uu – správa přidělování rádiových zdrojů

Procedury na fyzické vrstvě LTE-Uu zahrnují: detekce sítě LTE, synchronizace, přístup k síti, řízení výkonu, kódování a oprava chyb měření rádiového okolí, adaptace modulačních a kódových schémat, způsob používání MIMO technologie. Procedury na MAC podvrstvě (3gpp TS 36.321) řeší: mapování mezi logickými a transportními kanály, multiplex a demultiplex MAC SDU jednotek logických kanálů vůči transportním blokům TB transportních kanálů, předávání informací o přidělených zdrojích, oprava chyb pomocí techniky HARQ, správa toků jednoho UE dle priorit jednotlivých toků, správa toků různých UE dle priorit pomocí dynamického plánování vysílání, výběr transportních formátů, identifikace služeb MBMS, vkládání datové výplně.

Procedury RLC podvrstvy (3gpp TS 36.322) spočívají v: přenos jednotek PDU z vyšší vrstvy, řešení způsobu přenosu AM (Acknowledged Mode) – potvrzovaný mód s opravou chyb pomocí ARQ, UM (Unacknowledged Mode) – nepotvrzovaný mód, TM (Transparent Mode) -


39

sdružování, dělení a opětovné skládání či rozdělování jednotek RLC SDU (pouze pro módy UM a AM), podpora opětovné segmentace (dělení) jednotek RLC PDU pro mód AM. seřazování RLC PDU (pouze pro módy UM a AM), detekce duplicit (pouze pro módy UM a AM), detekce chyb protokolu pro mód AM, odstraňování jednotek RLC SDU (pouze pro módy UM a AM), obnovení RLC spojení.

Obr. 2.23: Sdružování a dělení jednotek SDU a PDU na podvrstvě RLC

Procedury PDCP podvrstvy (3gpp TS 36.323) spočívají v: podpoře přenosu uživatelských (aplikačních) dat: o komprese a dekomprese záhlaví SDU – protokol ROHC (Robust OverHead Compression), o přenos aplikačních (uživatelských) dat, o zajištění doručení jednotek PDU vyšší vrstvy v pořadí při obnovení spojení pro mód RLC AM, o detekce duplicit jednotek SDU nižší vrstvy při obnovení spojení pro mód RLC AM, o znovuvyslání jednotek PDCP SDU při handoveru pro mód RLC AM, o šifrování a dešifrování, o časovačem specifikované odstranění jednotek SDU, podpoře přenosu řídicích dat o vlastní přenos signalizace, o šifrování a dešifrování.

40


Rádiové nosiče ROHC

...

ROHC

ROHC

Bezpečnost

RLC

...

ROHC

...

PDCP

Segm. ARQ, atd.

... Bezpečnost

...

Segm. ARQ, atd.

Bezpečnost ... Bezpečnost

...

Segm. ARQ, atd.

...

Segm. ARQ, atd.

Segm. CCCH BCCH PCCH MCCH

Logické kanály Unicast plánování / Zprostředkování priorit

MAC

Multiplex UE1

...

HARQ

Segm.

MBMS plánování

Multiplex

Multiplex UEn

HARQ Transportní kanály

DL-SCH

DL-SCH

BCH

PCH

MCH

Obr. 2.24: Struktura linkové vrstvy rádiového rozhraní E-UTRAN pro downlink, [51]

Obr. 2.25: Struktura linkové vrstvy rádiového rozhraní E-UTRAN pro uplink,[51]

Procedury RRC podvrstvy (3gpp TS 36.331) řeší: šíření systémových informací vztažených k úrovním komunikace AS a NAS, předávání vyvolávacích zpráv, sestavení RRC spoje mezi UE a E-UTRAN,

MTCH


41

zprostředkování bezpečnostních funkcí včetně správy klíčů, sestavení, konfigurace, udržení a ukončení dvoubodových rádiových nosičů RB (Radio Bearer), správa podpory QoS na rádiovém rozhraní, zprostředkování přenosů zpráv o měření od UE a řízení, co a jak často se má měřit, přímé předávání NAS zpráv mezi UE a EPC. GSM_Connected CELL_DCH

Handover

E-UTRA RRC_CONNECTED

Handover GPRS Packet transfer mode

CELL_FACH

CELL_PCH URA_PCH

CCO with optional NACC Reselection Connection establishment/release

Connection establishment/release UTRA_Idle

CCO, Reselection

Reselection

E-UTRA RRC IDLE

Connection establishment/release

Reselection

GSM_Idle/GPRS Packet_Idle

CCO, Reselection

Obr. 2.26: Stavy v E-UTRA a procedury umožňující 3gpp inter RAT mobilitu (3gpp TS 36.331)

2.5.2

Non-Access stratum procedury Non-Access Stratum procedury zahrnují činnosti se správou mobility – EMM (EPS

Mobility Management) a se správou relací – ESM (EPS Session Management).

2.5.2.1 EPS Mobility Management Protokol EMM zahrnuje procedury vztažené k mobilitě v prostředí E-UTRAN (3gpp TS 24.301), řeší přístup k síti (registrace), autentizace a zabezpečení komunikace. Jsou to činnosti ekvivalentní protokolu MM v síti GSM či GMM v síti GPRS.

42


EMM-TRACKINGAREA-UPDATINGINITIATED

- TAU rejected (other causes)

EMM-NULL

EMMDEREGISTEREDINITIATED

- enable S1 mode

- TAU accepted - TAU failed - TAU rejected

- enable S1 and S101 mode

(#13, #15, #25)

- disable S1 mode

- DETACH accepted - Lower layer failure - DETACH requested (not power off)

- disable S1 and S101 mode

- Network init. DETACH requested - local DETACH - intersystem change to cdma2000® HRPD completed

EMMDEREGISTERED

- ATTACH requested

DETACH requested (power off)

- TAU requested

EMMREGISTERED

- ATTACH rejected - SR initiated - Network init. DETACH requested - Lower layer failure - SR accepted - ATTACH - SR failed accepted and - SR rejected default EPS bearer (#13, #15, #18, context activated #25, #39)

Any state

Obr. 2.27: Stavy EMM v terminálu UE

EMMREGISTEREDINITIATED

EMM- SERVICEREQUEST-INITIATED


Obr. 2.28: Stavy EMM v uzlu MME

Procedury EMM se dělí na: -

EMM všeobecné procedury,

-

EMM specifické procedury,

-

ECM (EPS Connection Management) procedury.

EMM všeobecné procedury zahrnují: -

GUTI (Global Unique Temporary ID) přidělování a modifikaci,

-

autentizace (Authentication Procedure),

-

řízení módu zabezpečení komunikace (Security Mode Control),

-

identifikace (Identification Procedure),

-

poskytování EMM informací od MME pro UE (EMM information procedure),

EMM specifické procedury jsou iniciované z terminálu UE a jsou to především: -

EPC Attach (Obr. 2.29) / Detach (od UE, viz Obr. 2.30 / od sítě, viz Obr. 2.31),

UE Start T3410

MME ATTACH REQUEST

ATTACH ACCEPT

Start T3450

Stop T3410 ATTACH COMPLETE

Stop T3450 OR ATTACH REQUEST

Start T3410 ATTACH REJECT

Stop T3410 Obr. 2.29: Možné průběhy procedury EPC attach

43

44


Obr. 2.30: Možné průběhy procedury EPC detach iniciované od UE

Obr. 2.31: Procedura EPC detach iniciovaná ze sítě

-

TAU (Tracking Area Update) – změna oblasti sledování či mimo skupinu oblastí uvedenou na seznamu oblastí (Tracking Area List - TAL) nebo periodický update,

EPS Connection Management (ECM) procedury jsou určeny pro: -

vytvoření NAS signalizačního spojení s EPC = Service Request,

-

výzva volaného = Paging,

-

vlastní přenos NAS zpráv = např. SMS, CS Fallback,

-

všeobecný přenos NAS zpráv = pro další aplikace EPS, např. Location Services (LCS).

2.5.2.2 EPS Session Management EPS Session Management (ESM) protokol řeší problematiku sestavování a správy datových nosičů EPS (EPS bearers). V rámci EPS byly definovány dva koncepty: •

PDN (Packet Data Network) spoj,

•

EPS datový nosič.

Koncepce PDN spoje (PDN connection) představuje vytvoření / modifikaci či ukončení spoje do datové sítě či subsystému, tj. do Internetu, do privátní sítě nebo do IMS.


45

Terminál může mít současně více PDN spojů. Každý PDN spoj představuje jednu síťovou (IP) adresu. Jeden PDN spoj může mít jeden či více EPS nosičů (EPS bearer). Jeden z nich je tzv. „Default EPS bearer“ a další nosiče se označují jako „Dedicated EPS bearer“, a sestaví se, pokud služba vyžaduje jiné QoS parametry, než ty, co poskytuje Default EPS bearer.

Obr. 2.32: Koncepce PDN spojů a EPS nosičů

EPS nosič je virtuální spoj přes EPS, který je specifikován sadou QoS atributů: •

QCI (QoS Class Identifier) – příslušnost ke QoS třídě (8 bitů), specifikující, zda bude řešena garance určité rychlosti, či nikoli, jaký je povolená ztrátovost paketů a jaké zpoždění transportu přes mobilní síť bude dodrženo pro 98% paketů, a jaká priorita jim bude přidělena v plánovači paketů,

•

ARP (Allocation and Retention Priority) – významnost nosiče z pohledu přidělování zdrojů a udržení nosiče pro případy přetížení sítě,

•

GBR (Guaranted Bit Rate) – požadavek na zaručenou přenosovou rychlost,

•

MBR (Maximum Bit Rate) – informace o maximální přenosové rychlosti, která může být vyžadována

K tomu ještě může být přidán parametr AMBR (Aggregate Maximum Bit Rate), který je definován pro UE, v podobách jednak UE-AMBR definující celkovou maximální rychlost všech non-GBR nosičů generovaných z daného UE na všechny APN dohromady, a jednak pro

46


APN-AMBR definující celkovou maximální rychlost všech non-GBR nosičů generovaných z daného UE na konkrétní přístupový bod APN.

2.6 Správa rádiových zdrojů Správa rádiových zdrojů RRM (Radio Resource Management) je určena pro zajištění efektivního užívání rádiových prostředků tak, aby se dosáhlo co nejvyšší efektivity využívání, a tak co největší možné provozní kapacity, a ve výsledku zisku pro provozovatele. Správa rádiových zdrojů RRM zahrnuje následující dílčí činnosti: •

řízení rádiových nosičů (RBC – Radio Bearer Control) – sestavování, udržování a uvolňování rádiových nosičů v závislosti na dostupných zdrojích, požadavcích na QoS služeb, a na pohybu terminálů UE,

•

řízení žádostí o rádiové zdroje (RAC – Radio Admission Control) – příjem či odmítání žádostí o sestavení nových rádiových nosičů, posuzuje se aktuální stav dostupných zdrojů, QoS požadavky a priorita žádosti,

•

řešení správy rádiových zdrojů dle stavu spojení (CMC - Connection Mobility Control) – přidělování zdrojů dle stavu UE: idle / connected,

•

dynamické přidělování zdrojů / plánování vysílání paketů (DRA – Dynamic Resource Allocation nebo PS - Packet Scheduling) – přidělování a uvolňování zdrojů pro pakety řídicích a uživatelských toků, tj. správa zdrojových bloků, bufferů, výpočetního výkonu. Plánovač uvažuje QoS požadavky, kvalita kanálu (CQI) k/od UE, stav bufferu, úroveň interference, apod.

•

koordinace interference se sousedními buňkami (Inter-Cell Interference Coordination) – aby úroveň vzájemné interference byla na přijatelné úrovni,

•

vyvažování zátěže (LB – Load Balancing) – převádění určitých spojení na méně vytížené buňky, tak aby byly zdroje rovnoměrně využívány a nedošlo k přetížení jedné buňky a tak k násilnému ukončení některých relací,

•

Inter-RAT RRM – správa rádiových zdrojů mezi technologiemi za účelem bezproblémové realizace Inter-RAT handoverů.

2.7 Podpora kvalitativních požadavků služeb – QoS Vzhledem k čistě paketové podstatě sítě EPS pro provoz všech typů služeb je podpora kvalitativních parametrů služeb jednou z klíčových činností sítě.


47

Podpora požadavků na QoS je v EPS realizována přes tzv. nosiče datových toků. Nosič datového toku, zkráceně „nosič“, anglicky „bearer“, je charakterizován souborem vlastností a parametrů určující zacházení s daným typem datového toku na určité úrovni komunikace a na určitém rozhraní. To je názorně prezentováno na Obr. 2.33. Například rádiový nosič (Radio Bearer) je definován na rádiovém rozhraní mezi terminálem UE a základnovou stanicí eNB, kdežto EPS nosič již definuje datový tok napříč celou sítí EPS, tj. na úrovni UE a P-GW.

Obr. 2.33: Nosiče dat na různých úrovních komunikace se zaměřením na cestu přenosu uživatelských dat (3gpp TS 36.300)

Při přechodu mezi jednotlivými úrovněmi nosičů musí existovat vzájemně jednoznačné mapování jejich identifikátorů, jak je to naznačeno pro příklad tří aplikačních toků, které jsou zařazeny z hlediska úrovně podpory QoS do dvou datových uživatelských toků napříč sítí EPS. Mezi nosiči EPS Bearer, E-RAB a Radio Bearer na rádiovém rozhraní existuje mapování jedna k jedné, tj. pro jeden EPS Bearer je vytvořen jeden E-RAB a pro něj jeden Radio Bearer.

48


Applikační / Služební Vrstva UL Traffic Flow Aggregates UL-TFT UL-TFT → RB-ID RB-ID ↔S1-TEID

UE UE

eNodeB eNB Radio Bearer

DL Traffic Flow Aggregates

DL-TFT DL-TFT → S5/S8-TEID S1-TEID ↔S5/S8-TEID

Serving GW S1 Bearer

PDN PDN GW GW

S5/S8 Bearer

Obr. 2.34: Příklad realizace obousměrné komunikace pomocí dvou EPS nosičů

2.7.1

Rádiové nosiče

Rádiové nosiče (Radio Bearers - RB) jsou rozděleny do dvou skupin: datové rádiové nosiče (DRB) – pro přenos dat uživatelské roviny, signalizační rádiové nosiče (SRB) – pro přenos řídicích zpráv RRC a NAS SRB0 – přenos RRC zpráv po logickém kanálu CCCH, SRB1 – přenos RRC zpráv nesoucí i připojené NAS zprávy, či přenos pouze NAS zpráv než je sestaven SRB2, a to po DCCH logickém kanálu, SRB2 – přenos RRC zpráv s informacemi o měření i NAS zpráv, a to po DCCH kanálu, avšak až po nastavení zabezpečení přenosu (šifrování). SRB2 má nižší prioritu než SRB1. Terminál může mít současně aktivních více datových i signalizačních nosičů, viz Obr. 2.35.

Obr. 2.35: Typy rádiových nosičů pro přenos signalizace a uživatelských dat


2.7.2

49

Aktivace kontextu implicitního EPS nosiče Procedura aktivace kontextu implicitního nosiče je realizována prvkem MME na

základě příjmu zprávy Activate Default EPS Bearer Context Request, viz Obr. 2.36.

UE

EPS ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REQUEST

ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT ACCEPT

Start T3485 Stop T3485

nebo ACTIVATE DEFAULT EPS BEARER CONTEXT REJECT

Stop T3485

Obr. 2.36: Aktivace implicitního EPS nosiče (3gpp 24.301)

2.7.3

Správa stavů koncového zařízení UE v síti EPS - EMM a ECM V rámci činnosti koncového zařízení UE v mobilní síti EPS se řeší jednak problematika

mobility a jednak stav aktivity komunikace s mobilní sítí: •

EMM (EPS Mobility Management) – stavy EMM-Deregistred / EMM-Registred,

•

ECM (EPS Connection Management) – stavy ECM-Idle / ECM-Connected Detach, Attach Reject, TAU reject, E-UTRAN rozhraní vypnuto kvůli Non-3GPP handoveru, Všechny nosiče deaktivovány EMM-DEREGISTERED

EMM-REGISTERED Attach accept

Obr. 2.37: Stavy mobility (EMM) v koncovém zařízení UE

50

FEKT Vysokého učení technického v Brně Detach, Attach Reject, TAU reject, Všechny nosiče deaktivovány EMM-DEREGISTERED

EMM-REGISTERED Attach accept TAU accept pro UE přecházející do E-UTRAN z GERAN/UTRAN

Obr. 2.38: Stavy mobility (EMM) v řídicím uzlu MME

RRC spoj uvolněn ECM -IDLE

ECM-CONNECTED RRC spoj sestaven

Obr. 2.39: Stavy aktivity spojení se sítí EPS (ECM) v UE

S1 spoj uvolněn ECM-CONNECTED

ECM-IDLE S1 spoj sestaven

Obr. 2.40: Stavy aktivity spojení se sítí EPS (ECM) v řídicím uzlu MME

Obr. 2.41 znázorňuje stavy koncového zařízení UE pro různé úrovně komunikace a vzájemné kombinace stavů pro různé fáze spojení UE se systémem EPS.

1: Off

Průběh procedury 2: IDLE / Registered Fáze připojování se ATTACH k EPC DEREGISTERED REGISTERED

EMM

IDLE

ECM RRC

IDLE

CONNECTED

3:Active

CONNECTED IDLE

CONNECTED

Obr. 2.41: Stavy terminálu UE v různých fázích činnosti a na různých úrovních komunikace

V aktivním režimu (3) je UE samozřejmě v síti registrované, má tedy vytvořený UE kontext, a protože se právě komunikuje, je sestaven E-RAB, tj. spojení mezi UE a EPC, a


51

tudíž i rádiový nosič či více rádiových nosičů typu DRB a SRB1/2, a tedy stav CONNECTED jako pro ECM, tak i pro RRC.

2.8 Rozdělení základních funkcí mezi prvky EPS pro řízení činností UE v síti EPS Funkce nezbytné pro zajištění pokud možno bezproblémového poskytování služeb uživatelům jsou distribuované v různých částech sítě EPS, jak je to zobrazeno na Obr. 2.42. eNB Inter Cell RRM RB Control Connection Mobility Control

MME

Radio Admission Control NAS Security eNB Measurement Configuration& Provision

Idle State Mobility Handling

Dynamic Resource Allocation (Scheduler)

EPS Bearer Control RRC PDCP S-GW

P-GW

RLC Mobility Anchoring

MAC

UE IP address allocation

S1 PHY

Packet Filtering

Internet E -UTRAN

EPC

Obr. 2.42: Rozdělení základních funkcí mobilní sítě mezi základní prvky sítě

Význam jednotlivých funkcí je následující: - Funkce eNodeB: •

Inter-Cell RRM – koordinace správy rádiových zdrojů jednak mezi sousedními buňkami navzájem, a také v rámci jedné buňky. Cílem je zajistit pokud možno optimální využití rádiových zdrojů. Koordinace je nezbytná především z důvodu používání shodného pásma sousedními buňkami, kdy tak užitečný signál jedné buňky je rušením pro buňky sousední. Úkolem je tedy minimalizace rušení při efektivním využívání kmitočtového pásma a s tím související řízení vysílacích výkonů jak základnových stanic eNB, tak i mobilních terminálů UE,

52


RB Control – správa rádiových nosičů RB (Radio Bearer). RB je soubor vlastností a parametrů definující daný typ datového toku na určité úrovni komunikace.

•

Connection Mobility Control – zajištění mobility pro UE, které se nachází v aktivním stavu, tj. v RRC_Connected, a které zasílá pravidelně zprávy o měření kvality rádiového spojení a o výkonových úrovních pilotních signálů aktuální a sousedních buněk, tedy zajišťuje provádění handoverů.

•

Radio Admission Control – řízení přijímání žádostí o nová rádiová spojení vzhledem na aktuální zatížení buňky. V případě přetížení buňky rozhoduje o řešení tohoto stavu, tj. o případném uvolnění RRC spoje či rádiového nosiče či o přepojení spoje na některou z méně vytížených sousedních buněk.

•

eNB Measurement configuration and provision – sběr statistických údajů o provozu, vytížení, chybách apod. a zasílání do centra OAM (Operation, Administration and Maintenance), kde dojde k vyhodnocení, k výpočtu tzv. klíčových výkonnostních indikátorů KPI (Key Performance Indicator) a k rozhodnutí o případné změně v oblasti, kde se vyskytují parametry mimo toleranci, či kde je indikován nebezpečný trend vývoje hodnoty parametrů, což může poukazovat na blížící se problémy.

•

Scheduler (Dynamic resource allocation) -

přidělování rádiových zdrojů dle

aktuálních potřeb aplikace uživatele, aktuálního množství volných zdrojů a aktuálního stavu rádiového spoje mezi UE a eNodeB - Funkce MME: •

NAS security – přídavné zabezpečení proti odposlechu u přenosu NAS zpráv přenášených mezi UE a MME.

•

Idle state mobility handling – správa pozice a stavu UE, když je v neaktivním stavu (RRC_IDLE) a kdy neexistuje v MME UE kontext. Pozice UE je známa pouze na úrovni sledovací oblasti TA „Tracking Area“.

•

EPS bearer control – realizace procedur sestavení, modifikace a uvolnění EPS nosiče v souladu s procesy změn rádiových nosičů.

- Funkce S-GW: •

Mobile anchoring – vytvoření pevného bodu v síti EPS, přes který jsou přenášena uživatelská data nehledě na změny buněk, ke kterým dochází při pohybu UE.

- Funkce P-GW: •

UE IP address allocation – pro dynamické přidělování IP adres koncovým zařízením UE.


•

53

Packet filtering – uplatnění politiky (pravidel zacházení) na datové toky - měření, tvarování, kontrola a značkování datových toků.

54


3 Přístupová síť E-UTRAN Přístupová síť E-UTRAN je tvořena soustavou základnových stanic eNodeB zajišťující prostřednictvím systému buněk přístup koncovým zařízením UE do EPC přes rádiové rozhraní LTE-Uu. Základnové stanice jsou napojeny na EPC přes rozhraní S1, a jsou případně vzájemně propojeny rozhraními X2. Základní protokolový model přístupové sítě EUTRAN rozděluje protokoly jednak podle typu přenášených dat do dvou rovin, a to do roviny řídicí a uživatelské, a jednak horizontálně do dvou úrovní, a to do spodní části označované jako transportní vrstva sítě (Transport Network Layer) a vrchní jako rádiová vrstva sítě (Radio Network Layer), viz Obr. 3.1. Zatímco vrchní část RNL zahrnuje funkce spojené s přístupem do páteřní části sítě a realizací služeb, spodní část TNL řeší vlastní přepravu ať už uživatelských, tak i řídicích dat konkrétní přístupovou technologií (v tomto případě LTE) mezi terminály UE a eNodeB, a dále mezi eNodeB a páteří EPC, včetně správy přidělování síťových prostředků a zajišťování mobility. Radio Network Layer

Control Plane

User Plane

Application Protocol

Transport Transport Network User Plane Network Layer

Transport Network User Plane

Signalling Bearer(s)

Data Bearer(s) Physical Layer

Obr. 3.1: Obecný protokolový model E-UTRAN rozhraní (3GPP TS 36.401)

Protokolové skladby obou rovin a všech tří rozhraní sítě E-UTRAN jsou zobrazeny na Obr. 3.2.


a)

55

b)

c)

d)

Obr. 3.2: Protokolová architektura E-UTRAN: a) uživatelská rovina rádiové přístupové sítě, b) signalizační rovina rádiové přístupové sítě, c) uživatelská sada protokolů rozhraní X2, d) signalizační sada protokolů rozhraní X2

3.1 Rádiové rozhraní sítě EPS Rádiové rozhraní sítě EPS je rozhraní mezi koncovým zařízením UE a sítí EPS a označuje se jako e-UTRA (evolved UMTS Terrestrial Radio Access), viz Obr. 3.3. Specifikace rádiového rozhraní zahrnují vrstvy 1 až 3. Fyzická vrstva (č. 1) je specifikována řadou dokumentů 3gpp TS 36.200, vrstvu 2 a 3 specifikuje řada dokumentů TS 36.300.

Vrstva 3 Řízení / Měření

Vrstva 2

Radio Resource Control Radio Link Control (RLC) Logické kanály Medium Access Control Transportní kanály

Vrstva 1

Fyzická vrstva Fyzické kanály

Obr. 3.3: Nižší vrstvy rádiového rozhraní e-UTRAN

56


3.2 Kanálová architektura rádiového rozhraní Kanálová architektura rádiového rozhraní je třívrstvá podobně jako u sítí UMTS, a zahrnuje následující typy kanálů: •

logické,

•

transportní,

•

fyzické.

3.2.1

Logické kanály rádiového rozhraní

Logické kanály se dělí do dvou základních skupin kanálů (3gpp TS 36.300): •

řídicí kanály,

•

provozní kanály.

3.2.1.1 Řídicí logické kanály Řídicí kanály jsou součástí řídicí protokolové roviny a slouží pouze k přenosu signalizace a dalších řídicích informačních prvků. Mezi tyto kanály patří: Broadcast Control Channel (BCCH) -

kanál ve směru downlink pro všesměrové šíření systémových řídicích informací.

Paging Control Channel (PCCH) -

kanál ve směru downlink přenášející všesměrově vyvolávací informaci o příchozích hovorech a upozornění o změnách systémových informací. Kanál je použit pouze, pokud není známá přesná poloha (buňka) volaného terminálu UE.

Common Control Channel (CCCH) -

kanál pro přenos řídicích informací mezi UE a sítí pro případy, kdy UE nemá se sítí sestavené RRC spojení.

Multicast Control Channel (MCCH) -

point-to-multipoint downlink kanál použitý pro přenos MBMS řidicích informací od sítě pro terminál UE k jednomu či více kanálů MTCH. Kanál je určen pro UE, které přijímají či hodlají příjímat data přes službu MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service).

Dedicated Control Channel (DCCH) -

point-to-point obousměrný kanál, po kterém se přenáší řídicí informace pro vyhrazené spojení mezi terminálem UE a sítí. Podmínkou použití tohoto kanálu je již sestavené RRC spojení daného terminálu se sítí.


57

3.2.1.2 Provozní logické kanály Dedicated Traffic Channel (DTCH) -

provozní kanál typu point-to-point vyhrazený jednomu UE pro přenos uživatelské/ aplikační informace. Kanál DTCH existuje v obou směrech přenosu, tj. pro uplink i downlink.

Multicast Traffic Channel (MTCH) -

point-to-multipoint downlink kanál pro přenos informace služby MBMS pro UE využívající tuto službu.

3.2.2

Transportní kanály rádiového rozhraní Transportní kanály dělíme taktéž na kanály ze sítě k UE (downlink) a od UE do sítě

EPS (uplink). Transportní kanály pro směr downlink jsou: Broadcast Channel (BCH) -

pevný, předdefinovaný transportní formát;

-

požadavkem je dostupnost kanálu v celé buňce,

Downlink Shared Channel (DL-SCH) -

podpora HARQ,

-

podpora dynamické adaptace dle stavu spoje pomocí změn typu modulace, kódování a vysílacího výkonu,

-

možnost pokrýt celou buňku,

-

možnost aplikace techniky „beamforming“,

-

podpora jak dynamického tak i polo-statického systému přidělování zdrojů,

-

podpora nespojitého příjmu (DRX) u UE pro šetření energií,

Paging Channel (PCH) -

podpora nespojitého příjmu (DRX) u UE pro šetření energií (DRX cyklus je pro UE indikován sítí),

-

nezbytnost pokrýt celou buňku,

-

sdílí fyzické zdroje dynamicky s dalšími řídicími kanály,

Multicast Channel (MCH) -

nezbytnost pokrýt celou buňku,

-

využívá se pro MBSFN vysílání přenosů MBMS ve skupině buněk;

-

podpora polo-statického systému přidělování zdrojů, s využitím časového rámce s dlouhým cyklickým prefixem.

58


Transportní kanály pro uplink jsou: Uplink Shared Channel (UL-SCH) -

možnost využití techniky beamforming; (likely no impact on specifications)

-

podpora dynamické adaptace dle stavu spoje pomocí změn vysílacího výkonu, popřípadě typu modulace a kódování,

-

podpora techniky HARQ;

-

podpora dynamického a polo-statického přidělování zdrojů.

Random Access Channel (RACH) -

primárně určen pro prvpotní přístup k síti,

-

umožňuje omezený přenos řídicích informací,

-

nebezpečí vzniku kolizí.

3.2.3

Fyzické kanály rádiového rozhraní Mezi fyzické kanály E-UTRA patří:

Physical broadcast channel (PBCH) -

zakódovaný transportní blok BCH je mapován do čtyřech subrámců v periodě 40 ms;

-

40 ms časování je v UE po synchronizaci přímo detekovatelné, tj. není k časování zasílána žádná přídavná informace;

-

každý subrámec je samodekódovatelný, tj. nepotřebuje žádné další přídavné informace nutné pro zjištění obsahu, předpokladem je kvalitní příjem signálu.

Physical control format indicator channel (PCFICH) -

informuje UE a RN o počtu OFDM symbolů použitých pro kanály PDCCH;

-

přenáší se v každém subrámci ve směru downlink či ve speciálním subrámci.

Physical downlink control channel (PDCCH) -

informuje UE a RN o zdrojích přidělených pro PCH a DL-SCH, a Hybrid ARQ informace vztažené k DL-SCH;

-

přenáší UE příděly zdrojů pro uplink (uplink scheduling grant).

Enhanced physical downlink control channel (EPDCCH) -

informuje UE a RN o zdrojích přidělených pro DL-SCH a Hybrid ARQ informace vztažené k DL-SCH;

-

přenáší UE příděly zdrojů pro uplink (uplink scheduling grant).

Physical Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH)


-

59

přináší zprávy typu Hybrid ARQ ACK/NAK jako odpověď na uplink přenosy.

Physical downlink shared channel (PDSCH) -

nese data DL-SCH a PCH.

Physical multicast channel (PMCH) -

nese data MCH.

Physical uplink control channel (PUCCH) -

nese zprávy typu Hybrid ARQ ACK/NAK jako odpověď na downlink přenosy;

-

obsahuje žádosti o přidělení zdrojů - Scheduling Request (SR); -

obsahuje CSI (Channel-State Information) zprávy.

Physical uplink shared channel (PUSCH) -

obsahuje data kanálu UL-SCH.

Physical random access channel (PRACH) -

přenáší zprávu náhodného přístupu.

Relay physical downlink control channel (R-PDCCH) -

informuje RN o alokaci zdrojů pro DL-SCH, a Hybrid ARQ informace vztažené k DL-SCH;

-

přenáší UE příděly zdrojů pro uplink.

3.2.3.1 Náhodný přístupový kanál PRACH Náhodný přístupový kanál PRACH je kanál sloužící pro několik případů počátečního přístupu k síti EPS: 1.

prvotní pokus o přístup k síti,

2.

přístup pro provedení handoveru,

3.

přístup po předchozí ztrátě synchronizace.

Existují dva typy procedur náhodného přístupu: 1. náhodný přístup se soutěžením, 2. náhodný přístup bez soutěžení. Náhodný přístup se soutěžením je standardní způsob pokusu o přístup k síti, kdy nehrozí nebezpečí z prodlení, tj. po zapnutí telefonního přístroje či po aktivaci služby uživatelem po době nečinnosti přístroje nebo při příchodu žádosti o spojení pomocí zprávy paging. U tohoto typu se může stát, že více terminálů může zaslat požadavek o přístup ve stejném čase, takže se řeší případné kolize. Terminál UE vysílá tzv. RACH preambuli, která závisí na délce L3

60


zprávy (důvod přístupu), kterou chce terminál do sítě zaslat. Síť odpovídá po kanálu DL-SCH s rezervací zdrojů pro UE. Na to po přidělených zdrojích UE zasílá zprávu pro sestavení RRC spojení (RRC Connection Request), kde UE uvede svůj identifikátor. Uzel eNodeB vybere ID určitého UE a zasílá zpět zprávu obsahující ID vybraného UE. Ostatní UE se musí odmlčet na náhodnou dobu a zkusit to později znovu, viz Obr. 3.4.

Obr. 3.4: Náhodný přístup se soupeřením

Náhodný přístup bez soupeření se používá v případě handoveru mezi uzly eNodeB pro zajištění co nejnižší hodnoty zpoždění. Pro tento účel si eNodeB vyhrazuje určitou množinu RACH preambulí a jednu z nich přiřadí a pošle danému terminálu UE, viz Obr. 3.5.

Obr. 3.5: Náhodný přístup bez soupeření

Po kanálu PRACH se vysílá tzv. náhodná přístupová preambule (Random Access Preamble), která sestává ze dvou částí – cyklického prefixu s délkou TCP a posloupnosti o délce TSEQ viz Obr. 3.6.

TCP

TSEQ

Obr. 3.6: Náhodná přístupová preambule (Random Access Preamble)


61

Je definováno 5 formátů náhodných přístupových preambulí, jak je to uvedeno v Tab. 3.1. Tab. 3.1: Formáty náhodné přístupové preambule

TSEQ

TCP

Formát preambule 0

3168 ⋅ Ts

24576 ⋅ Ts

1

21024 ⋅ Ts

24576 ⋅ Ts

2

6240 ⋅ Ts

2 ⋅ 24576 ⋅ Ts

3

21024 ⋅ Ts

2 ⋅ 24576 ⋅ Ts

448 ⋅ Ts

4096 ⋅ Ts

4*

* Pouze pro rámcovou strukturu typu 2, tj. TDD a speciální subrámec S s délkami UpPTS

4384 ⋅ Ts a 5120 ⋅ Ts . Pro kanál PRACH, stejně jako pro ostatní fyzické kanály, je třeba určit fyzické prostředky, tj. určit místo v kmitočtu a čase. Pro rámcovou strukturu typu 1 (FDD) je definováno 64 konfigurací určující jednak formát preambule, číslo/-a subrámce/-ů v rámci, a systémová čísla rámců SFN, ve kterých se může realizovat pokus o náhodný přístup, jak je to zachyceno v Tab. 3.2. Co se týče kmitočtové oblasti, první fyzický zdrojový blok přiřazený RA pro PRACH je indikován parametrem prach-FrequencyOffset, nPRBoffset .

Náhodná přístupová preambule je generována z množiny posloupností „Zadoff-Chu“ s nulovou korelační zónou, odvozených z jedné či několika kořenových „Zadoff-Chu“ posloupností. Síť určí množinu použitelných posloupností. V každé buňce je dostupných 64 preambulí.

Množina

těchto

preambulí

se

určí

pomocí

logického

RACH_ROOT_SEQUENCE vysílaného jako součást systémové informace.

indexu

62


Tab. 3.2: Konfigurace náhodného přístupového kanálu pro rámcovou strukturu typu 1 (FDD) Konfigurační

Formát

Systémové

Číslo

Konfigurační

Formát

Systémové

Číslo

index

preambule

číslo

subrámce

index

preambule

číslo

subrámce

PRACH

rámce

PRACH

rámce

0

0

sudé

1

32

2

sudé

1

1

0

sudé

4

33

2

sudé

4

2

0

sudé

7

34

2

sudé

7

3

0

libovolné

1

35

2

libovolné

1

4

0

libovolné

4

36

2

libovolné

4

5

0

libovolné

7

37

2

libovolné

7

6

0

libovolné

1, 6

38

2

libovolné

1, 6

7

0

libovolné

2 ,7

39

2

libovolné

2 ,7

8

0

libovolné

3, 8

40

2

libovolné

3, 8

9

0

libovolné

1, 4, 7

41

2

libovolné

1, 4, 7

10

0

libovolné

2, 5, 8

42

2

libovolné

2, 5, 8

11

0

libovolné

3, 6, 9

43

2

libovolné

3, 6, 9

12

0

libovolné

0, 2, 4, 6, 8

44

2

libovolné

0, 2, 4, 6, 8

13

0

libovolné

1, 3, 5, 7, 9

45

2

libovolné

1, 3, 5, 7,

14

0

libovolné

0, 1, 2, 3, 4,

46

N/A

N/A

N/A

9 5, 6, 7, 8, 9 15

0

sudé

9

47

2

sudé

9

16

1

sudé

1

48

3

sudé

1

17

1

sudé

4

49

3

sudé

4

18

1

sudé

7

50

3

sudé

7

19

1

libovolné

1

51

3

libovolné

1

20

1

libovolné

4

52

3

libovolné

4

21

1

libovolné

7

53

3

libovolné

7

22

1

libovolné

1, 6

54

3

libovolné

1, 6

23

1

libovolné

2 ,7

55

3

libovolné

2 ,7

24

1

libovolné

3, 8

56

3

libovolné

3, 8

25

1

libovolné

1, 4, 7

57

3

libovolné

1, 4, 7

26

1

libovolné

2, 5, 8

58

3

libovolné

2, 5, 8

27

1

libovolné

3, 6, 9

59

3

libovolné

3, 6, 9

28

1

libovolné

0, 2, 4, 6, 8

60

N/A

N/A

N/A

29

1

libovolné

1, 3, 5, 7, 9

61

N/A

N/A

N/A

30

N/A

N/A

N/A

62

N/A

N/A

N/A

31

1

sudé

9

63

3

sudé

9

Podrobné informace o kanálu PRACH i celé proceduře náhodného přístupu lze najít v dokumentech 3gpp TS 36.211, TS 36.213, TS 36.321 a TS 36.331.


3.2.4

63

Mapování mezi jednotlivými typy kanálů Mezi jednotlivými úrovněmi kanálů musí existovat vazby, kterými je určena cesta

určitého typu informace napříč vrstvami rádiového rozhraní. Tyto vazby jsou zachyceny pro směr downlink na Obr. 3.7 a Obr. 3.8, a pro směr uplink na Obr. 3.9 a Obr. 3.10.

Obr. 3.7: Mapování mezi logickými a transportními kanály ve směru downlink

Obr. 3.8: Mapování mezi transportními a fyzickými kanály ve směru downlink

Obr. 3.9: Mapování mezi logickými a transportními kanály ve směru uplink

64


Obr. 3.10: Mapování mezi transportními a fyzickými kanály ve směru uplink

3.3 Systémové informace Systémové informace jsou informace o systému mobilní sítě jako celku i o dané buňce a jejím bezprostředním okolí. Systémové informace se dělí na: •

MasterInformationBlock (MIB) – hlavní informační blok, obsahuje nejzákladnější parametry fyzické vrstvy rádiového rozhraní buňky nezbytné pro příjem dalších systémových informací,

•

SystemInformationBlocks (SIBs) - řada systémových informačních bloků -

SystemInformationBlockType1 obsahuje informace podstatné pro UE, zda je k buňce povolen přístup, a také definuje způsob zasílání ostatních informačních bloků.

-

SystemInformationBlockType2 obsahuje informace o společných a sdílených kanálech.

-

SystemInformationBlockType3

obsahuje

informace

pro

reselekci

buněk,

především vztažené k aktuální buňce. -

SystemInformationBlockType4 obsahuje informace o sousedních buňkách na stejném nosném kmitočtu, které jsou potřebné pro reselekci.

-

SystemInformationBlockType5 obsahuje informace o dalších E-UTRA buňkách na jiných kmitočtech a parametry potřebné pro reselekci.

-

SystemInformationBlockType6 obsahuje informace o UTRA kmitočtech a UTRA sousedních buňkách pro reselekci buněk včetně potřebných parametrů, specifických pro každou buňku.

-

SystemInformationBlockType7 obsahuje informace o GERAN kmitočtech a sousedních buňkách pro reselekci buněk včetně potřebných parametrů, a to pro každý kmitočet.


-

65

SystemInformationBlockType8 obsahuje informace o CDMA2000 kmitočtech a CDMA2000 sousedních buňkách pro reselekci buněk včetně potřebných parametrů, specifických pro každou buňku.

-

SystemInformationBlockType9 obsahuje home eNB jméno (či HNB jméno).

-

SystemInformationBlockType10 obsahuje ETWS (Earth quake Tsunami Warning System) primární varování.

-

SystemInformationBlockType11 obsahuje ETWS sekundární varování.

-

SystemInformationBlockType12 obsahuje CMAS (Commercial Mobile Alert System) varování.

-

SystemInformationBlockType13 obsahuje MBMS-vztažené informace.

-

SystemInformationBlockType14 obsahuje informace o systému rozšířeného blokování přístupu pro řízení přístupu.

-

SystemInformationBlockType15 obsahuje informace o řešení problému mobility ve vztahu příjmu MBMS informace.

-

SystemInformationBlockType16 obsahuje informace vztahované k GPS času a času UTC.

3.4 Fyzická vrstva rádiového rozhraní mobilních sítí EPS Fyzická vrstva je nejnižší vrstvou vrstvového modelu komunikačního systému, která řeší vlastní přenos datového bloku z linkové vrstvy určitým komunikačním kanálem. Ten je obecně definován řadou parametrů, především typem přenosového prostředí, kmitočtovou polohou, kmitočtovou šířkou a šumovými poměry komunikačního kanálu. V případě přístupu do sítě EPS se jedná o rádiové rozhraní, tj. volný prostor, avšak s možnou existencí značného počtu překážek různého charakteru, o komunikační kanál s kmitočtovou polohou v oblasti stovek MHz až jednotek GHz a kmitočtovou šířkou jednotek až desítek MHz. Navíc jsou charakteristiky kanálu značně proměnlivé vlivem pohybu mobilního terminálu i vlivem silně proměnlivé úrovně provozu od ostatních terminálů, a také se značnou úrovní interferujících, a tedy rušivých signálů, a to jak z vlastního systému tak i vnějších rušivých vlivů. Fyzická vrstva rádiového rozhraní je specifikována v několika dokumentech sdružení 3gpp, jak je to zachyceno na Obr. 3.11. Centrálním dokumentem, ze kterého pochází Obr. 3.11, je 3gpp TS 36.201.

66


k vyšším vrstvám / od vyšších vrstev

36.212 Mulitiplexování a kanálové kódování

36.211

36.213

36.214

Fyzické kanály a modulace

Procedury fyzické vrstvy

Fyzická vrstva - měření

Obr. 3.11: Části fyzické vrstvy a jim odpovídající 3GPP specifikace

3.4.1

Funkce fyzické vrstvy rádiového rozhraní Hlavní funkce fyzické vrstvy rádiového rozhraní lze shrnout do následujících bodů

(3GPP TS 36.201): vysílání a příjem rádiového signálu, implementace technik OFDM a SC-FDMA, detekce chyb transportních kanálů s indikací chybového stavu vyšším vrstvám, zabezpečení a oprava chyb dat transportních kanálů pomocí FEC, hybridní ARQ (HARQ), soft-combining adaptace rychlosti zakódovaných transportních kanálů na fyzické kanály, mapování transportních kanálů na fyzické kanály, řízení vysílacího výkonu pro dané fyzické kanály, modulace / demodulace fyzických kanálů, kmitočtová a časová synchronizace, měření stavu rádiového rozhraní a předávání výsledků vyšším vrstvám, podpora techniky Multiple Input Multiple Output (MIMO), diverzita vysílání a příjmu (TX/RX diversity), tvarování charakteristiky anténního systému (beamforming), aj. Výše uvedené vlastnosti lze rozdělit do skupin, které jsou definovány pro fyzickou vrstvu modelem ISO/OSI – mechanické, elektrické, funkční a procedurální: mechanické vlastnosti o typy a vlastnosti vysílacích a přijímacích antén elektrické vlastnosti (techniky):


67

o vlastní vysílání, šíření a příjem rádiového signálu – kmitočtové pásmo (poloha a šířka), vysílací výkon, o podpora technologie MIMO, o technika multiplexu a vícenásobného přístupu – OFDM (DL), SCFDMA (UL), o modulační schémata, o typ protichybového zabezpečení a opravy chyb, o režim duplexu (FDD / TDD), o skenování rádiového okolí a detekce pilotních signálů, o fyzické kanály, funkční vlastnosti o fyzické rámce, jejich struktura a význam jednotlivých částí, procedurální o detekce sítě LTE, o synchronizace, o přístup k síti, o řízení výkonu, o kódování a oprava chyb o měření rádiového okolí, o adaptace modulačních a kódových schémat, o způsob používání MIMO technologie 3.4.2

Alokace kmitočtových pásem pro EPS Rádiová přístupová síť LTE byla navržena pro provoz v pásmech, která byla stanovena

na celosvětovém kongresu o mobilních komunikacích a posléze uvedena ve specifikaci 3gpp TS 36.101, viz Tab. 3.3. Tab. 3.3: Provozní kmitočtová pásma rádiového přístupu e-UTRA (3gpp TS 36.101) Provozní pásmo pro uplink

Provozní pásmo pro

Duplexní

E-UTRA

(UL)

downlink (DL)

mód

provozní

BS přijímá

BS vysílá

UE vysílá

UE přijímá

FUL_low – FUL_high

FDL_low – FDL_high

pásmo 1

1920 MHz

–

1980 MHz

2110 MHz

–

2170 MHz

FDD

2

1850 MHz

–

1910 MHz

1930 MHz

–

1990 MHz

FDD

3

1710 MHz

–

1785 MHz

1805 MHz

–

1880 MHz

FDD

4

1710 MHz

–

1755 MHz

2110 MHz

–

2155 MHz

FDD

5

824 MHz

–

849 MHz

869 MHz

–

894MHz

FDD

6

830 MHz

–

840 MHz

875 MHz

–

885 MHz

FDD

68

FEKT Vysokého učení technického v Brně 7

2500 MHz

–

2570 MHz

2620 MHz

–

2690 MHz

FDD

8

880 MHz

–

915 MHz

925 MHz

–

960 MHz

FDD

1749,9

–

9 10 11

MHz

1784,9 MHz

1710 MHz

–

1770 MHz

1427,9

–

1447,9 MHz

1844,9 MHz

–

1879,9 MHz

FDD

2110 MHz

–

2170 MHz

FDD

1475,9 MHz

–

1495,9 MHz

FDD

MHz

12

699 MHz

–

716 MHz

729 MHz

–

746 MHz

FDD

13

777 MHz

–

787 MHz

746 MHz

–

756 MHz

FDD

14

788 MHz

–

798 MHz

758 MHz

–

768 MHz

FDD

15

rezervováno

rezervováno

FDD

16

rezervováno

rezervováno

FDD

17

704 MHz

–

716 MHz

734 MHz

–

746 MHz

FDD

18

815 MHz

–

830 MHz

860 MHz

–

875 MHz

FDD

19

830 MHz

–

845 MHz

875 MHz

–

890 MHz

FDD

20

832 MHz

–

862 MHz

791 MHz

–

821 MHz

FDD

21

1447,9

–

1462,9 MHz

1495,9 MHz

–

1510,9 MHz

FDD

22

3410 MHz

–

3490 MHz

3510 MHz

–

3590 MHz

FDD

23

2000 MHz

–

2020 MHz

2180 MHz

–

2200 MHz

FDD

1626,5

–

1660,5 MHz

1525 MHz

–

1559 MHz

FDD

MHz

24

MHz

25

1850 MHz

–

1915 MHz

1930 MHz

–

1995 MHz

FDD

26

814 MHz

–

849 MHz

859 MHz

–

894 MHz

FDD

27

807 MHz

–

824 MHz

852 MHz

–

869 MHz

FDD

28

703 MHz

–

748 MHz

758 MHz

–

803 MHz

FDD

717 MHz

–

728 MHz

FDD

29

N/A

30

2305 MHz

31

452,5 MHz

32

–

2315 MHz

2350 MHz

–

2360 MHz

FDD

–

457,5 MHz

462.5 MHz

–

467,5 MHz

FDD

1452 MHz

–

1496 MHz

FDD

N/A

33

1900 MHz

–

1920 MHz

1900 MHz

–

1920 MHz

TDD

34

2010 MHz

–

2025 MHz

2010 MHz

–

2025 MHz

TDD

35

1850 MHz

–

1910 MHz

1850 MHz

–

1910 MHz

TDD

36

1930 MHz

–

1990 MHz

1930 MHz

–

1990 MHz

TDD

37

1910 MHz

–

1930 MHz

1910 MHz

–

1930 MHz

TDD

38

2570 MHz

–

2620 MHz

2570 MHz

–

2620 MHz

TDD

39

1880 MHz

–

1920 MHz

1880 MHz

–

1920 MHz

TDD

40

2300 MHz

–

2400 MHz

2300 MHz

–

2400 MHz

TDD

41

2496 MHz

2690 MHz

2496 MHz

2690 MHz

TDD

42

3400 MHz

–

3600 MHz

3400 MHz

–

3600 MHz

TDD

43

3600 MHz

–

3800 MHz

3600 MHz

–

3800 MHz

TDD

44

703 MHz

–

803 MHz

703 MHz

–

803 MHz

TDD

69


3.4.3

Nosné kmitočty a EARFCN Nosné kmitočty pro uplink a downlink pro E-UTRA specifikuje e-UTRA Absolute

Radio Frequency Channel Number (EARFCN), a to v rozsahu 0 - 65535. Vztah mezi EARFCN a nosným kmitočtem MHz pro downlink je dán následující rovnicí, kde parametry FDL_low a NOffs-DL jsou specifikovány Tab. 3.4 a NDL je downlink EARFCN. FDL = FDL_low + 0,1(NDL – NOffs-DL).

Vztah mezi EARFCN a nosným kmitočtem MHz pro uplink je dán další rovnicí, kde parametry FUL_low a NOffs-UL jsou specifikovány v Tab. 3.4 a NUL je uplink EARFCN. FUL = FUL_low + 0,1(NUL – NOffs-UL). Tab. 3.4: E-UTRA - čísla kanálů (3gpp TS 36.101) E-UTRA provozní

Downlink

Uplink

FDL_low (MHz)

NOffs-DL

Rozsah NDL

FUL_low (MHz)

NOffs-UL

Rozsah NUL

1

2110

0

0 – 599

1920

18000

18000 – 18599

2

1930

600

600 − 1199

1850

18600

18600 – 19199

3

1805

1200

1200 – 1949

1710

19200

19200 – 19949

4

2110

1950

1950 – 2399

1710

19950

19950 – 20399

5

869

2400

2400 – 2649

824

20400

20400 – 20649

6

875

2650

2650 – 2749

830

20650

20650 – 20749

7

2620

2750

2750 – 3449

2500

20750

20750 – 21449

8

925

3450

3450 – 3799

880

21450

21450 – 21799

pásmo

9

1844,9

3800

3800 – 4149

1749,9

21800

21800 – 22149

10

2110

4150

4150 – 4749

1710

22150

22150 – 22749

11

1475,9

4750

4750 – 4949

1427,9

22750

22750 – 22949

12

729

5010

5010 - 5179

699

23010

23010 - 23179

13

746

5180

5180 – 5279

777

23180

23180 – 23279

14

758

5280

5280 – 5379

788

23280

23280 – 23379

17

734

5730

5730 – 5849

704

23730

23730 – 23849

18

860

5850

5850 – 5999

815

23850

23850 – 23999

19

875

6000

6000 – 6149

830

24000

24000 – 24149

20

791

6150

6150 – 6449

832

24150

24150 – 24449

21

1495,9

6450

6450 – 6599

1447,9

24450

24450 – 24599

…

22

3510

6600

6600 – 7399

3410

24600

24600 – 25399

23

2180

7500

7500 – 7699

2000

25500

25500 – 25699

24

1525

7700

7700 - 8039

1626,5

25700

25700 – 26039

25

1930

8040

8040 - 8689

1850

26040

26040 – 26689

26

859

8690

8690 - 9039

814

26690

26690 – 27039

27

852

9040

9040 – 9209

807

27040

27040 – 27209

28

758

9210

9210 – 9659

703

27210

27210 – 27659

2

717

9660

9660 – 9769

29

N/A

70

FEKT Vysokého učení technického v Brně 30 31

…32

2

2350

9770

9770 – 9869

2305

27660

27660 – 27759

462,5

9870

9870 – 9919

452,5

27760

27760 – 27809

1452

9920

9920 – 10359

33

1900

36000

36000 – 36199

1900

36000

36000 – 36199

34

2010

36200

36200 – 36349

2010

36200

36200 – 36349

35

1850

36350

36350 – 36949

1850

36350

36350 – 36949

36

1930

36950

36950 – 37549

1930

36950

36950 – 37549

37

1910

37550

37550 – 37749

1910

37550

37550 – 37749

38

2570

37750

37750 – 38249

2570

37750

37750 – 38249

39

1880

38250

38250 – 38649

1880

38250

38250 – 38649

40

2300

38650

38650 – 39649

2300

38650

38650 – 39649

41

2496

39650

39650 –41589

2496

39650

39650 –41589

42

3400

41590

41590 – 43589

3400

41590

41590 – 43589

43

3600

43590

43590 – 45589

3600

43590

43590 – 45589

703

45590

45590 – 46589

703

45590

45590 – 46589

44 Pozn 1:

N/A

Čísla kanálů, které označují nosné kmitočty příliš blízké k okrajům pásem, že by celková šířka kanálu zasáhla mimo pásmo, nesmí být pro středové nosné kmitočty použita. To znamená, že prvních 7, 15, 25, 50 a 100 čísel kanálů v dolním okraji pásma a posledních 6, 14, 24, 49, 74, 99 kanálových čísel nesmí být využito pro odpovídající šířky komunikačních kanálů o hodnotách 1,4; 3; 5; 10; 15 a 20 MHz.

Pozn 2:

3.4.4

Omezeno pro E-UTRA provoz, je-li konfigurována funkce agregace pásem.

Základní charakteristika fyzické vrstvy rádiového rozhraní Fyzická vrstva rádiového rozhraní je založena na dvou základních technikách: 1. multiplexní technika OFDM ve směru downlink a SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) ve směru uplink. 2. multiplexní technika SDM (Space Division Multiplex) – technologie MIMO (Multiple Input – Multiple Output).

Co se týče techniky OFDM, její princip spočívá v tom, že se dané kmitočtové pásmo (1,4; 3; 5; 10;15; 20 MHz) rozdělí do subpásem s kmitočtovým odstupem 15 kHz (případně 7,5 kHz pro službu MBMS). V časové oblasti se data přenášejí po symbolech doplněných o cyklický prefix, který slouží jako ochrana před vícecestným šířením signálu. Počet bitů přenesených v jednom symbolu závisí na modulačním schématu, a bývá 2, 4 nebo 6 bitů pro modulace QPSK, 16QAM a 64QAM, viz Obr. 3.12.

71


Uživatel 1 Uživatel 2 Výkon

Uživatel 3

č ito Km

et

Č as

Doba trvání OFDM symbolu

Odstup subnosných

Obr. 3.12: Princip OFDM

Na Obr. 3.13 je zobrazeno blokové schéma OFDM vysílače nacházejícího v základnové stanici pro jeden anténní systém. Na vstupu je obecně N datových toků (řídicích a uživatelských), které jsou mapovány na jednotlivé rádiové zdroje – fyzické zdrojové bloky a zdrojové elementy (symbol na jednom subpásmu). Dle přiřazeného typu modulace je skupině bitů (2, 4, 6) přidělena pro danou nosnou subpásma amplituda a fáze, čímž vznikne pseudospektrum syntetického signálu, jehož časová posloupnost vzorků se získá pomocí inverzní rychlé Fourierovy transformace. Pro ochranu proti vícecestnému šíření se ke vzorkům přidá cyklický ochranný prefix a výsledný digitální signál se převede na analogový a ten se převede na patřičný nosný kmitočet v pásmu určenému pro provoz LTE sítí. . . . f0, A0,

data 1 data 2 . . . .

..

M

..

M

..

M

f1, A1, f2, A2, . . . . . . . . . . . .

data i . . . .

data N ..

. . . . fM, AM,

M

Přidání ochranného prefixu

vysílaný signál D/A

. .

fn

. . .

Obr. 3.13: Zjednodušené blokové schéma OFDM vysílače eNodeB pro downlink

Na straně přijímače probíhá opačný proces, viz Obr. 3.14. Rádiový signál se po příjmu zesílí, filtrací se odstraní nežádoucí složky a pomocí směšovače se převede do základního

72


pásma, kde se signál konvertuje do digitální podoby a pomocí rychlé Fourierovy transformace FFT se získají spektrální složky pro jednotlivá subpásma. Z amplitudy a fáze spektrální složky a znalosti typu modulace se získá skupina bitů, která se pomocí mapování převádí na určitý datový tok, kde se multiplexuje s dalšími skupinami bitů stejného datového toku.

. . . f0, A0,

DM

..

DM

..

DM

..

f1, A1, f2, A2, . .

přijímaný signál

A/D

Odebrání ochranného prefixu

. . .

fn

fM, AM,

. . . . . . . . . . . .

DM

.

data 1 data 2 . . . .

data i . . . . ..

data N

. . .

Obr. 3.14: Zjednodušené blokové schéma OFDM přijímače eNodeB

Podobně probíhá příjem na straně terminálu UE s tím rozdílem, že UE demoduluje pouze ty složky spektra, které náleží subpásmům, jenž byly danému terminálu pro daný subrámec přiděleny, viz Obr. 3.16.

Obr. 3.15: Architektura spodní části fyzické vrstvy vysílače UE pro uplink a techniku SC-FDMA

Jiná situace je na straně UE pro směr uplink, kde terminály nepoužívají techniku OFDMA kvůli nežádoucí vysoké hodnotě parametru PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), a namísto toho využívají techniku označovanou jako SC-FDMA (Single Carrier FDMA). Ta je realizována pomocí techniky diskrétní Fourierovy transformace DFT, mapování z M složek spektra z DFT na N složek (N >> M) pro následný proces IFFT, viz Obr. 3.15.

73


. . .

fi, Ai,

. . . .

DM .

fj, Aj,

j

DM .

přijímaný signál

A/D

Odebrání ochranného prefixu

.

fk, Ak,

fm, Am,

.

fn

.

..

. . .

. .

. .

data a

i

k

m

. . . DM . . . . . DM . . . .

.. .. ..

. . . .

data b . . .

data n . . .

. . .

Obr. 3.16: Architektura spodní části fyzické vrstvy přijímače UE (směr downlink) a techniku OFDM

Základem pro specifikaci množství rádiových zdrojů pro přidělení je zdrojový element RE (Resource Element) představující 1 symbol OFDM na jedné subnosné. Subpásma (subnosné) jsou pak v kmitočtové oblasti sdružována do skupin po 12 (případně 24), které pak vytváří tzv. „fyzické zdrojové bloky“ PRB (Physical Resource Block). Minimální zdrojový blok přidělovaný uživateli je jeden fyzický zdrojový blok PRB (Physical Resource Block) zahrnující v kmitočtové oblasti 12 subpásem (kmitočtová šířka BWPRB = 12*15 kHz = 180 kHz) a v čase 1 slot trvající 0,5 ms (7 symbolů s krátkou ochrannou periodou), tj. celkem 84 symbolů či 84 zdrojových elementů RE. Dalšími menšími zdrojovými bloky jsou bloky využívané pro řídicí kanály: -

REG (Resource Element Group) – skupina 4 RE,

-

CCE (Control Channel Element) – 9 skupin REG, tj. 36 RE.


kmitočet

zdrojový element RE

fyzický zdrojový blok PRB

Obr. 3.17:Koncepce zdrojových elementů a zdrojových bloků

subrámec 1 ms

čas

slot 1

slot 2

74


75

downlink/uplink slot Tslot

UL/DL N symb SC-FDMA/OFDM symbolů

k

UL/DL

N RB

NscRB 1

NscRB subpásem

Zdrojový prvek (k,l) (Resource element – RE)

N RB

UL/DL

NscRB subpásem

Zdrojový blok RB N UL/DL symb Nsc RE

k

l=0

0

UL/DL l = Nsymb −1

Obr. 3.18: Koncepce zdrojových elementů a bloků napříč kmitočtovou šířkou pásma a časové rozpětí jednoho slotu (pro uplink/downlink)

Jak již bylo uvedeno výše, rádiová přístupová síť LTE může být provozována pro různé šířky kmitočtového pásma, a tomu pak odpovídá i různý počet zdrojových bloků, viz Tab. 3.5. Tab. 3.5: Specifikované kmitočtové šířky přenosových pásem a adekvátní počty zdrojových bloků

76

FEKT Vysokého učení technického v Brně Šířka kanálu BWChannel [MHz] Počet zdrojových bloků (Transmission bandwidth configuration) NRB

1,4

3

5

10

15

20

6

15

25

50

75

100

V časové oblasti pak několik po sobě jdoucích symbolů (7 symbolů s krátkou ochrannou periodou, 6 symbolů s dlouhou ochrannou periodou) vytváří jeden slot o době trvání 0,5 ms, dva sobě jdoucí sloty tvoří subrámec trvající 1 ms, a 10 subrámců tvoří jeden rádiový rámec o délce 10 ms. Channel Bandwidth [MHz] Transmission Bandwidth Configuration [RB]

Channel edge

Resource block

Channel edge

Transmission Bandwidth [RB]

Active Resource Blocks

DC carrier (downlink only)

Obr. 3.19: Rozdělení pásma na zdrojové bloky (RB – Resource Block) a vztahy mezi celkovou kmitočtovou šířkou kanálu, přenosovou kmitočtovou šířkou a aktuální kmitočtovou šířkou právě vysílaného signálu

Technika ortogonálního kmitočtového multiplexu OFDM přináší významný nárůst spektrální efektivity vůči FDM. Další jeho vlastností je vysoká odolnost vůči vícecestnému šíření - rozdělení vysokorychlostního toku do mnoha nízkorychlostních, a tedy mnohonásobné prodloužení doby trvání 1 symbolu. OFDM je také technika vhodná pro různé šířky pásma, případně pro agregaci, a to i nesousedících pásem. Základem OFDM jsou techniky digitálního zpracování signálů, a to rychlá Fourierova transformace FFT (Fast Fourier Transform) a zpětná rychlá Fourierova transformace IFFT (Inverse Fast Fourier Transform). Pro využití FFT a IFFT počet subnosných musí být mocnina 2 – pro zajištění dodržení obsazení přiděleného pásma (1,4; 3; 5; 10; 15; 20 MHz) jsou subnosné na obou krajích (tj. mimo přidělené pásmo) nevyužity a naplněny nulami (při vysílání), a nebo zahozeny (při příjmu).


77

Uživatelům (terminálům a jejich aplikacím) jsou zdroje přidělovány v násobcích fyzických rádiových bloků (PRB) = 12 subnosných po dobu jednoho slotu 0,5 ms, tj. celkem 180 kHz pásma a dobu 7 symbolů v případě odstupu subnosných 15 kHz a CP = 4,7 µs. Ve směru downlink je možné uživateli přidělit různé bloky v rámci pásma tak, aby byly minimalizovány rádiové úniky. Určitou nevýhodou techniky OFDM je citlivost na kmitočtový ofset – způsobuje ho drift lokálního oscilátoru na straně přijímače (především UE), či Dopplerův efekt při pohybu mobilního terminálu. Důležité také je, že délka ochranného intervalu CP (Cyclic Prefix) musí být větší než impulzová odezva kanálu, CP však snižuje efektivitu, přičemž se jedná o režii, tu lze relativně snížit prodloužením doby symbolu Ts, to však vede k nižšímu odstupu mezi subnosnými (zvyšuje se vliv kmitočtového ofsetu), a také k nebezpečí, že při rychlém pohybu terminálu (stovky km/h) dojde ke změně přenosových podmínek rádiového kanálu (při rychlosti 360 km/h se za dobu trvání symbolu cca 70 µs terminál pohne o 7 mm. Pro srovnání, pro pásmo 2,6 GHz je vlnová délka 11,5 cm. 3.4.5

Fyzické signály Fyzické signály jsou signály vyskytující se pouze na fyzické vrstvě, a tedy nenesou

žádnou informaci z / do vyšší vrstvy. Jsou definovány dva typy: 1. referenční signály, 2. synchronizační signály. Oba typy signálů jsou generovány jako součin speciální ortogonální sekvence a pseudonáhodné číselné sekvence. 3.4.5.1 Referenční signály Referenční signály jsou zasílány po rádiovém rozhraní za účelem kmitočtové a časové korekce. Je definováno celkem pět typů referenčních signálů, viz 3gpp TS 36.211: •

referenční signály specifické pro buňku (CRS – Cell-specific Reference Signals), existuje 512 referenčních signálů, které zároveň vystupují jako identifikátor konkrétní buňky, neboť jsou odvozeny z přiřazených fyzických identifikátorů buňky, viz Obr. 3.20,

•

referenční signály pro multicast a broadcast služby MBSFN,

•

referenční signály specifické pro UE - DeModulation Reference Signal (DMRS), existují ve třech verzích: o pro jednovrstvé směrování vyzařovací charakteristiky (single-layer beamforming) – dle Rel. 8,

78

FEKT Vysokého učení technického v Brně o pro dvouvrstvé směrování vyzařovací charakteristiky (dual-layer beamforming) – dle Rel. 9, o pro vícevrstvé směrování vyzařovací charakteristiky (multi-layer beamforming) – dle Rel. 10, •

referenční signály pro funkci Zjišťování pozice - Positioning Reference Signal (PRS),

•

referenční signály CSI - Channel State Information Reference Signal (CSI–RS).

V souvislosti s tím se mluví o anténních portech. Jedná se o logické porty definující přenosové řetězce pro přenos dat za stejných podmínek rádiového kanálu. Anténní porty jsou pak flexibilně mapovány na konkrétní (fyzické) antény.

R0

R0

R0

R0

R0

R0

R0

R0

l=0

l=6 l=0

l=6

a) Zdrojový element (k,l) R0

R0

R0

R1

R1

R0

R0

R0

R1

R0

R1

Referenční symbol pro tento anténní port

R1

l=6 l=0

l=6

Nepoužité pro tento anténní port

R1

R0

l=0

R1

R1

l=0

l=6 l=0

l=6

b)

R0

R0

R0

R1

R0

R0

R0

c)

R1

R1

R0

l=6

liché sloty

R3

l=6 l=0

sudé sloty

anténní port 0

R3

R2

R1

l=0

R3

R2

R1

R1

l=6 l=0

sudé sloty

R1

R1

R0

l=0

R2

R2 l=6

liché sloty

anténní port 1

R3

l=0

l=6 l=0

sudé sloty

l=6

liché sloty anténní port 2

l=0

l=6 l=0

sudé sloty

l=6

liché sloty anténní port 3

Obr. 3.20: Referenční signály specifické pro buňku (CRS) s normální délkou cyklického prefixu: a) pro jeden anténní port, b) pro dva anténní porty, c) pro čtyři anténní porty

3.4.5.2 Synchronizační signály V sítích EPS jsou definovány 2 typy synchronizačních signálů, které slouží pro prvotní synchronizaci terminálů UE se sítí EPS:


79

1. primární synchronizační signál (PSS – Primary Synchronization Signal), 2. sekundární synchronizační signál (SSS – Secondary Synchronization Signal). 3.4.6

Rámcová struktura fyzické vrstvy rádiového rozhraní V rámci specifikace rádiové přístupové sítě byly uvažovány dva typy komunikace

z hlediska způsobu zajištění obousměrné komunikace, a to jednak typ FDD a typ TDD, viz řada specifikací 3gpp TS 36.200. Na fyzické vrstvě je definována základní časová jednotka Ts = 1 (15000 × 2048) sekundy.

Pro oba typy je doba trvání rámce rovna 10 ms, což je rovno 307200 jednotek TS. Rámce jsou opakovaně číslovány od 0 do 1023, což je označováno jako SFN (System Frame Number). Rámce jsou používány jako časové jednotky pro pomalu se měnící děje v rádiové přístupové síti, jako jsou například vysílání systémových informací či referenčních signálů.

3.4.6.1 Rámcová struktura pro FDD Rámec pro provoz TDD sestává z 10 subrámců o trvání 1ms, což je současně doba intervalu, po který platí stejné přenosové schéma - TTI. Každý subrámec je pak tvořen dvěma sloty s dobou trvání 0,5 ms. Slotům jsou v rámci přidělena čísla 0 až 19.

Obr. 3.21: Rádiový rámec – typ 1 (pro FDD)

3.4.6.2 Rámcová struktura pro TDD Rámec pro provoz TDD obsahuje 3 části, a to subrámce pro přenos ve směru downlink (D), subrámce pro přenos ve směru uplink (U) a přechodovou část S (Special), přičemž je definováno celkem 7 konfigurací, viz Tab. 3.6. Různé konfigurace jsou určeny pro různé profily provozu v dané oblasti podle toho, zda je provoz v obou směrech vyrovnaný, či zda převažuje provoz ve směru uplink či downlink.

80


Tab. 3.6: Typy konfigurací rámce pro režim TDD Číslo subrámce

Uplink-downlink

Downlink-na-Uplink

konfigurace

periodicita přepínání

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

5 ms

D

S

U

U

U

D

S

U

U

U

1

5 ms

D

S

U

U

D

D

S

U

U

D

2

5 ms

D

S

U

D

D

D

S

U

D

D

3

10 ms

D

S

U

U

U

D

D

D

D

D

4

10 ms

D

S

U

U

D

D

D

D

D

D

5

10 ms

D

S

U

D

D

D

D

D

D

D

6

5 ms

D

S

U

U

U

D

S

U

U

D

Všechny konfigurace mají subrámec 0 a 5 vyhrazené pro downlink a subrámec 2 pro uplink. K přepínání mezi rámci dochází vždy v průběhu subrámce 2 a v případě pětimilisekundové periody (konfigurace 0, 1, 2 a 6) v průběhu subrámce 6. Vždy se přechází z provozu Downlink na Uplink. Přechodový subrámec S sestává ze 3 částí: -

DwPTS – realizace přenosu dat ve směru downlink, větší část subrámce,

-

GP – ochranná pauza,

-

UpPTS – kratší část subrámce pro uplink, pouze pro náhodný přístup.

Existuje celkem 9 konfigurací, a to jednak pro normální a jednak pro rozšířenou dobu cyklického prefixu symbolů, jak je to uvedeno v Tab. 3.7. Tab. 3.7: Konfigurace skladby speciálního subrámce

Konfigurace

Normální cyklický prefix pro

Rozšířený cyklický prefix in

speciálního

downlink

downlink

subrámce S

DwPTS

UpPTS

DwPTS

UpPTS

Normální

Rozšířený

Normální

Rozšířený

cyklický

cyklický

cyklický

cyklický

prefix

prefix

prefix pro

prefix pro

pro

pro uplink

uplink

uplink

2192 ⋅ Ts

2560 ⋅ Ts

4384 ⋅ Ts

5120 ⋅ Ts

uplink 0

6592 ⋅ Ts

7680 ⋅ Ts

1

19760 ⋅ Ts

20480 ⋅ Ts

2

21952 ⋅ Ts

3

24144 ⋅ Ts

25600 ⋅ Ts

4

26336 ⋅ Ts

7680 ⋅ Ts

5

6592 ⋅ Ts

6

19760 ⋅ Ts

2192 ⋅ Ts

4384 ⋅ Ts

2560 ⋅ Ts

5120 ⋅ Ts

23040 ⋅ Ts

20480 ⋅ Ts 23040 ⋅ Ts

81


7

21952 ⋅ Ts

-

-

-

8

24144 ⋅ Ts

-

-

-

Struktura rámce pro konfigurace s pěti milisekundovou periodou je zachycena na Obr. 3.22.

Obr. 3.22: Rádiový rámec – typ 2 (pro TDD) s pěti milisekundovou periodou

3.4.7

Řízení doby předstihu vysílání Časování je v síti LTE velmi důležité, protože zdroje jsou rozdělovány v kmitočtu a

čase. Počáteční odhad předstihu vysílání TA (Timing Advance) je získán v eNodeB při náhodném přístupu UE k síti a zaslán do UE ve zprávě RAR (Random Access Response). Nastavení TA je s krokem 0,52 µs od 0 až po 667 µs (vzdálenost cca 100 km), viz Obr. 3.23.

( N TA + N TA offset ) ⋅ Ts

sekund

Obr. 3.23: Doba předstihu vysílání (3gpp TS 36.211)

Parametr NTA se pohybuje v rozmezí 0 až 20512. Parametr NTA offset je používaný pouze pro režim komunikace TDD. V průběhu komunikace je doba TA upravována příkazem Timing Advance Command posílaný po PDSCH. Četnost zpráv není konstantní a zpravidla nepřesahuje 2 Hz. Každá stanice UE si spouští časovač s limitem obdrženým od eNodeB, a nedostane-li do jeho vypršení „TA update“ zprávu, považuje se spojení za přerušené a musí následovat náhodný přístup pro obnovení synchronizace.

82


3.4.8

Funkční bloky fyzické vrstvy rádiového rozhraní Jak již bylo uvedeno výše, fyzická vrstva rádiového rozhraní plní řadu funkcí týkajících

se vysílání a příjmu řídicích a uživatelských zpráv a řešení chybových situací. K tomu účelu vrstva sestává z celé řady bloků, jak je ukázáno na Obr. 3.24 a Obr. 3.25.

Obr. 3.24: Bloky fyzické vrstvy pro uplink

Obr. 3.25: Bloky fyzické vrstvy pro downlink

Obecně se jedná o následující funkce či činnosti: •

kanálové kódování - zabezpečení proti chybám pomocí dopředného protichybového kódování (FEC),

•

kombinování a dekódování bloků shodných dat předaných pomocí techniky HARQ,

•

prokládání a zpětné skládání,

•

skramblování,

•

modulace a demodulace dle přiděleného modulačního schématu,

•

rozdělení datových toků do více vrstev,

•

předkódování

•

mapování datových toků na zdrojové bloky a zpět,

•

mapování datových toků na jednotlivé antény a naopak.

83


eNode B

UE N Transport blocks ( dynamic size S1 ..., SN )

Channel - state information, etc.

HARQ HARQ

Redundancy version Modulation scheme Resource/power assignment

ACK/NACK

ACK/NACK

HARQ info

HARQ info

Error indications

HARQ HARQ

CRC CRC

Redundancyfor error detection

CRC CRC

Coding + RM Coding + RM

Redundancyfor for data detection

Coding + RM Decoding + RM

Data modulation

QPSK, 16QAM, 64QAM

Data Data modulation demodulation

Data modulation

RB mapping Resource mapping

Antenna mapping

Antenna mapping

Data demodulation RB mapping

Resource demapping

Multi- antenna processing

Antenna demapping

Obr. 3.26: Blokové schéma vysílače a přijímače pro kanál DL-SCH (3gpp TS 36.302)

Každou periodu TTI je z MAC podvrstvy do fyzické vrstvy eNB zasíláno 1 či 2 transportní bloky různé velikosti. Kódový poměr a výsledná datová rychlost je dána kombinací velikostí transportních bloků, modulačního schématu určeného MAC plánovačem (MAC scheduler) a množstvím přidělených rádiových zdrojů. Modulační schémata mohou být QPSK, 16QAM and 64 QAM. Blok mapování na rádiové zdroje vytváří dle konfigurace více paralelních toků (MIMO). MAC plánovač pak dále částečně konfiguruje mapování

Obr. 3.27: Blokové schéma vysílače a přijímače pro kanál UL-SCH (3gpp TS 36.302)

Uplink transmission control

MAC scheduler

modulovaných kódových slov pro každý stream (tok) pro jednotlivé anténní porty.

84

FEKT Vysokého učení technického v Brně Všesměrový kanál BCH nesoucí systémové informace pro terminály UE je

charakterizován pevně definovaným transportním formátem. Perioda TTI tohoto kanálu je 40 ms. Blokové schéma vysílače je zachyceno na Obr. 3.28.

eNode B

UE

Single Transport blocks ( pevná velikost S)

CRC CRC

CRC CRC

Coding ++ RM Coding RM

Data Datamodulation modulation

Error indication

Decoding Decoding++RM RM pouze QPSK

Data Data demodulation demodulation

Resource mapping

Resource demapping

Antenna mapping

Antenna demapping

Obr. 3.28: Blokové schéma vysílače a přijímače pro kanál BCH (3gpp TS 36.302)

Z důvodu důležitosti systémových informací a z důvodu dostupnosti pro všechny kategorie terminálů jsou informace kódovány pouze pomocí základního schématu QPSK. Pozice zdrojových bloků pro BCH je také pevně dána, a informace jsou vysílány na všechny anténní porty, takže není pro BCH přítomen MAC plánovač. Protože se jedná o jednosměrný a všesměrový kanál, data nejsou potvrzována, a tedy pro BCH není implementována ani technika HARQ. U kanálu PCH (Paging Channel) implementace fyzické vrstvy obsahuje vazbu na MAC plánovač, který ovlivňuje modulační schéma, mapování na rádiové zdroje i částečně na anténní porty, viz Obr. 3.29. Do fyzické vrstvy vstupuje jeden transportní blok s proměnnou velikostí. Také se jedná o jednosměrný všesměrový kanál, a tedy ani pro PCH není implementována technika HARQ.

85

MAC scheduler


Obr. 3.29: Blokové schéma vysílače a přijímače pro kanál PCH (3gpp TS 36.302)

3.4.9

Mapování fyzických kanálů a pomocných signálů na fyzické rádiové zdroje Fyzické kanály a další signály, jako jsou různé referenční signály, musí být mapovány

jednak na různé anténní porty, a pro ně pak na konkrétní zdrojové bloky. Obr. 3.30 ukazuje příklad mapování fyzických kanálů a signálů na fyzické zdroje pro pásmo 5 MHz a anténních portů č.0 (první ze dvou) ve směru downlink a Obr. 3.31 pro směr uplink.

86


Zdrojové bloky

Sloty

PDSCH PBCH

PCFICH, PDCCH, PHICH

PSS

RS

SSS

nepoužitý

Obr. 3.30: Mapování fyzických kanálů a synchronizačních signálů na fyzické rádiové zdroje pro anténní port č.0 a šířku pásma 5 MHz ve směru downlink


87

Sloty

PUSCH

PUCCH

PRACH

DRS

SRS

Obr. 3.31: Mapování fyzických kanálů a synchronizačních signálů na fyzické rádiové zdroje pro anténní port č.0 a šířku pásma 5 MHz ve směru uplink

88


4 Protokolová architektura EPS Protokolová architektura se v síti EPS podobně jako v UMTS dělí dle určení do tzv. rovin: •

řídicí rovina – sada protokolů určených pro transport a zpracování řídicích zpráv zajišťujících přístup, mobilitu, správu spojení a relací, autentizaci, apod.,

•

uživatelská rovina - sada protokolů řešících transport uživatelských / aplikačních dat sítí EPS mezi terminály UE v téže síti, či mezi terminálem UE a cílem ve vnější síti, tj. mimo síť EPS, kde se zdrojový terminál nachází.

4.1 Protokolové sady v přístupové síti E-UTRAN 4.1.1

Protokolová architektura rádiového rozhraní Uu Na rádiovém rozhraní LTE Uu, tak jako napříč celou sítí EPS, se rozlišují dvě

protokolové roviny, tj. řídicí rovina (control plane) a uživatelská rovina (user plane). Jak je zřejmé z Obr. 4.1 a Obr. 4.2, jsou funkce jak pro transport řídicích dat, tak i pro transport uživatelských dat řešeny stejnou sadou protokolů, tedy protokoly fyzické vrstvy rádiového přenosu, podvrstvami MAC (Medium Access Control), RLC (Radio Link Control) a PDCP (Packet Data Convergence Protocol) vrstvy linkové. UE

eNB PDCP

PDCP

RLC

RLC

MAC

MAC

PHY

PHY

Obr. 4.1: Protokolová výbava uživatelské roviny rádiového rozhraní

Nad výše uvedenými vrstvami se v rámci uživatelské roviny nachází již dobře známá protokolová skladba z pevných datových sítí, tj. vrstva IP, transportní vrstva zastoupená protokoly UDP/TCP/SCTP a konečně aplikační vrstva s konkrétními aplikačními protokoly aplikací jako jsou HTTP, ESMTP, FTP, atd.


89

Obr. 4.2: Protokolová výbava řídicí roviny rádiového rozhraní

Řídicí rovina pak obsahuje jednak řídicí vrstvu a protokol specifický pro eUTRA, tj. protokol RRC (Radio Resource Control) a na straně terminálu UE a řídicího prvku MME pak protokoly patřící do skupiny NAS (Non-Access Stratum), tj. protokoly EMM (EPS Mobility Management) a ESM (EPS Session Management) 4.1.2

Protokolová architektura S1 rozhraní S1 rozhraní se nachází mezi uzly eNodeB a páteřní částí EPC a rozděluje se do dvou

sestav dle protokolových rovin, tj. do rozhraní S1-U (uživatelská rovina) a S1-MME (řídicí rovina), viz Obr. 4.3. Architektura i procedury rozhraní S1 jsou specifikovány dokumenty 3GPP TS 36.410, TS 36.411, TS 36.412, TS 36.413 a TS 36.414. Sestavy protokolů se liší od transportní vrstvy, kdy u uživatelské roviny jsou IP pakety z terminálu zabaleny do PDU jednotky protokolu GTP-U (GPRS Tunneling Protocol – User data) a do UDP segmentu a přenášen transportní IP sítí přístupové sítě E-UTRAN. Pro přenos řídicích dat je použit spolehlivý transportní protokol SCTP (Streaming Control Transmission Protocol) a jejich zpracování či předávání zařizuje aplikační protokol S1-AP. S1-AP zprávy a procedury s tím spojené se dělí na ty určené pro: •

řízení přístupové sítě E-UTRAN (Management procedures),

•

transport NAS zpráv (NAS transport),

•

správa E-RAB nosičů (E-RAB management),

•

správa kontextů (Context management),

•

řízení handoverů (Handover management),

•

vyvolávání účastníků (Paging),

•

tunelování dat pro CDMA2000 přístup,

90


správa procedury detailního sledování poměrů v buňce (Trace procedures) dle TS 32.422,

•

předávání varovných zpráv,

•

přesun konfiguračních nastavení eNB či MME.

Pro přenos NAS zpráv mezi UE a MME jsou řídicí spojení na rozhraní S1 adresována párem identifikátorů (eNB UE S1AP ID a MME UE S1AP ID) vedená jak v eNB tak i v MME pro identifikaci terminálů UE. User plane PDUs S1-AP

GTP-U UDP

SCTP

IP

IP

Data link layer

Data link layer

Physical layer

Physical layer

Obr. 4.3: Protokolová výbava rozhraní S1 a) uživatelské roviny S1-U a b) řídicí roviny S1-MME

Celková protokolová sestava pro transport řídicích dat v přístupové síti E-UTRAN je uvedena na Obr. 4.4. NAS

NAS Relay RRC

S1-AP

PDCP

RRC PDCP

S1-AP SCTP

RLC

RLC

IP

IP

MAC

MAC

L2

L2

L1

L1

L1

L1

UE

LTE-Uu

eNodeB

Obr. 4.4: Protokolová architektura řídicí roviny eUTRAN

SCTP

S1-MME

MME


4.1.3

91

Protokolová architektura X2 rozhraní Rozhraní X2 se nachází mezi základnovými stanicemi eNodeB a obsahuje protokolovou

sestavu jak pro přenos řídicích, tak i uživatelských dat. Řídicí data se přenáší pomocí transportního protokolu SCTP (Stream Control Transmission Protocol) PDU jednotky uživ. roviny

X2-AP

GTP-U UDP

SCTP

IP

IP

Linková vrstva

Linková vrstva

Fyzická vrstva

Fyzická vrstva

Obr. 4.5: Protokolová výbava a) uživatelské roviny a b) řídicí roviny rozhraní X2

4.1.4

Protokol SCTP Protokol SCTP (Stream Control Transmission Protocol) je spolehlivý transportní

protokol, který je na rozdíl od TCP orientovaný na přenos zpráv. Původně byl navržen pro přenos signalizace SS7 přes IP síť. Protokol SCTP používá namísto spojení tzv. asociaci, která umožňuje přenos více dílčích datových toků v rámci jedné asociace. Protokol SCTP také odděluje spolehlivost přenosu od zajištění pořadí doručení, především co se týče různých dílčích datových toků v rámci jedné asociace. Datová jednotka SCTP obsahuje společné záhlaví a pak segmenty více jednotlivých dílčích toků označované jako „chunk“, viz Obr. 4.6. Každý dílčí segment (chunk) obsahuje čtyřbajtové záhlaví a datovou část. Stejně jako TCP i SCTP podobně řeší řízení datového toku a problém zahlcení sítě.

92

FEKT Vysokého učení technického v Brně 32 bitů Zdrojový port Cílový port Verifikační značka (tag) Kontrolní součet Typ Příznaky Délka

SCTP společná hlavička Chunk 1

Uživatelská data : Typ

:

Příznaky

Délka Chunk N

Uživatelská data

Obr. 4.6: Datová jednotka protokolu SCTP

4.2 Protokolové sady v páteřní síti EPC Páteřní síť EPC je, jak již bylo výše podrobněji uvedeno, tvořena prvky MME, S-GW, P-GW, HSS a PCRF, případně EIR, mezi nimiž byla definována základní rozhraní S5, S6a, S7/Rx, S10, S11 a S13. Tato základní sada prvků je však kvůli interoperabilitě s dalšími technologiemi či dalšími sítěmi EPS vybavena dalšími prvky a rozhraními, jako jsou bezpečnostní a autentizační uzly a rozhraní S2, S3, S4, S8, S12. Protokolová skladba nejdůležitějších řídicích rozhraní je uvedena na Obr. 4.7, Obr. 4.8 a Obr. 4.9, a skladba uživatelské roviny pak na Obr. 4.10. GTP-C

GTP-C

UDP

UDP

IP

IP

L2

L2

L1

L1 S11

MME

Obr. 4.7: Protokolová výbava rozhraní S11

S-GW


GTP-C

GTP-C

UDP

UDP

IP

IP

L2

L2

L1

L1

S- GW

S5 or S8

P-GW

Obr. 4.8: Protokolová architektura rozhraní S5

Diameter

Diameter

SCTP

SCTP

IP

IP

L2

L2

L1

L1 S6a

MME

HSS

Obr. 4.9: Protokolová architektura rozhraní S6a

Obr. 4.10: Protokolová architektura uživatelské roviny

Protokol GTP (GPRS Tunneling Protocol) se v sítích EPS používá ve dvou formách: •

GTP-U – pro přenos uživatelských (aplikačních) dat, a to ve verzi GTPv1-U,

•

GTPv2-C – pro přenos řídicích informací po rozhraních S11 a S5/S8.

93

94


5 Řídicí procedury v sítích EPS Řídicí či signalizační procedury v mobilních datových sítích z pohledu řízení komunikace UE – EPS lze rozdělit na procedury na úrovni AS (Access Stratum) a na úrovni NAS (Non-Access Stratum). Obr. 5.1 přehledně zachycuje typy komunikace, které se realizují na základních rozhraních systému EPS, tedy LTE-Uu, S1, S11, S6a a S5.

Obr. 5.1: Typy přenosů v základní architektuře mobilních systémů EPS

5.1 AS procedury 5.1.1

Správa rádiových zdrojů RRM RRM (Radio Resource Managment) zahrnuje různé techniky správy rádiových zdrojů

za účelem jejich efektivního využívání, které lze rozdělit do 3 základních oblastí: •

příjem žádostí o rádiové zdroje – Radio Admission Control,

•

správa rádiových nosičů – Radio Bearer Control,

•

řízení zátěže,

•

správa mobility.

Jakákoli komunikace se sítí EPS se ze strany UE v případě, kdy je terminál v režimu ECM-idle, či dokonce ve stavu EMM-deregistered, zahajuje procedurou náhodného přístupu


95

(Random Access Procedure). Tato procedura je zahájena buď z popudu terminálu UE (po zapnutí, handoveru z jiné RAT, zahájení realizace služby na pokyn uživatele/automatu, apod.) či na základě příjmu vyvolávací zprávy Paging v UE, viz Obr. 5.2. Po náhodném přístupu je možné zasílat signalizaci pouze přes signalizační nosič SRB0 po společném řídicím kanálu CCCH, pak je však již zapotřebí přejít do stavu RRCconnected, kdy se sestavuje signalizační rádiový nosič SRB1 či SRB2 (Signalling Radio Bearer), kdy se již komunikuje po vyhrazených řídicích kanálech DCCH.

Obr. 5.2. Vytvoření prvotního kontextu pro UE (3gpp TS 36.300, str. 137)

96


UE

MME

eNB

S1-AP: E-RAB SETUP REQUEST RRC: Radio Bearer Setup

E-RAB To Be Setup List: E-RAB ID, QoS, Serving S-GW TEID

S1-AP: E-RAB SETUP RESPONSE E-RAB Setup List: E-RAB ID, eNB TEID E-RAB Failed To Setup List: E-RAB ID, Cause

Obr. 5.3: Sestavení E-RAB nosiče (3gpp TS 36.300, str. 138)

5.2 NAS procedury 5.2.1

Počáteční přístup k síti Služby mobilních sítí lze rozlišit kromě jiných aspektů i podle toho, zda mobilní síť

vyžaduje před zahájením služby, aby byl terminál v síti registrován či nikoli. Většina služeb, až na služby nouzového volání, či varování před nebezpečím v dané oblasti (požár, povodeň, zemětřesení, tsunami, apod.) pochopitelně předchozí registraci vyžaduje. Registrace do sítě se označuje jako „připojení se k síti“ (Network Attachment). Protože EPS je all-IP architektura, během registrace se sestaví implicitní nosič (Default Bearer) dle pravidel PCC (Policy and Charging Control) v uzlu PDN-GW. V rámci počátečního přístupu může být sestaveno i jeden či více vyhrazených nosičů (Dedicated Bearer). Během procedury se přiděluje terminálu IP adresa a také může proběhnout kontrola identity terminálu IMEISV (International Mobile Equipment Identity and Software Version). Při žádosti o přístup do sítě EPS UE zasílá do eNodeB zprávu Attach Request, ve které uvádí identifikační údaje (IMSI nebo původní identifikátor GUTI, typ původního GUTI, identifikátor TAI posledně navštívené oblasti, je-li nějaký), původní GUMMEI, schopnosti UE pro páteřní síť (Core Network Capability), parametry UE pro funkci DRX, typ přístupu (Attach Type), datová struktura ESM (Typ žádosti, typ PDN, volby pro konfiguraci protokolu, Ciphered Options Transfer Flag), KSIASME, NAS sekvenční číslo, NAS-MAC, přídavné GUTI, P-TMSI podpis, preference hlasových služeb, a UE nastavení, podpora síťových technologií – tzv. MS Network Capability) včetně RRC parametrů indikujících vybranou síť.


UE Start T3410

MME ATTACH REQUEST

ATTACH ACCEPT

Stop T3410

Start T3450 ATTACH COMPLETE

Stop T3450 OR ATTACH REQUEST

Start T3410 ATTACH REJECT

Stop T3410 Obr. 5.4: Procedura „Přístup k síti“ – NAS zprávy mezi UE a MME

97

98

FEKT Vysokého učení technického v Brně UE

eNodeB

new MME

Old MME/SGSN

1. Attach Request

Serving GW

PDN GW

HSS

PCRF

EIR

2. Attach Request

3. Identification Request 3. Identification Response

4. Identity Request 4. Identity Response 5a. Authentication / Security 5b. Identity Request/Response

5b. ME Identity Check

6. Ciphered Options Request 6. Ciphered Options Response 7. Delete Session Request (E)

7. PCEF Initiated IP-CAN Session Termination

7. Delete Session Response

(A) 8. Update Location Request 9. Cancel Location 9. Cancel Location Ack 10. Delete Session Request

10. PCEF Initiated IP-CAN Session Termination

10. Delete Session Response

(F)

(B)

11. Update Location Ack 12. Create Session Request 13. Create Session Request 14. PCEF Initiated IP-CAN Session Establishment/Modification

(C) 15. Create Session Response First Downlink Data (if not handover) 16. Create Session Response 17. Initial Context Setup Request / Attach Accept 18. RRC Connection Reconfiguration 19. RRC Connection Reconfiguration Complete 20. Initial Context Setup Response 21. Direct Transfer 22. Attach Complete First Uplink Data 23. Modify Bearer Request 23a. Modify Bearer Request 23b. Modify Bearer Response (D) 24. Modify Bearer Response First Downlink Data 25. Notify Request 26. Notify Response

Obr. 5.5: Průběh procedury prvotního přístupu k síti s registrací - „Initial Attach“ (3 GPP TS 23.401)

0. Před zasíláním zpráv se musí terminál UE zasynchronizovat se sítí a sestavit RRC spojení se sítí – zprávy RRC Connection Request (od UE), RRC Connection Setup (od eNodeB) a RRC Connection Setup Complete (od UE).


99

1. UE zahajuje proceduru připojení k síti (Attach) zasláním zprávy „Attach Request“ do eNodeB s následujícími parametry: IMSI nebo původní GUTI, původní TAI (je-li k dispozici), UE schopnosti, možnosti zabezpečení komunikace na úrovni AS a NAS, typ žádosti Attach – indikuje typ připojení - EPS nebo kombinované EPS/IMSI, parametry UE pro funkci DRX, ESM Message Container - datová struktura ESM (typ žádosti, typ PDN, volby pro konfiguraci protokolu, Ciphered Options Transfer Flag), RRC parametry – vybraná síť, původní GUMMEI, aj. 2. Uzel eNodeB z RRC parametrů odvozuje uzel MME. Pokud eNodeB nemá asociovaný uzel MME, uzel eNodeB vybírá MME pomocí funkce MME Selection. Uzel eNodeB přeposílá zprávu „Attach Request“ do MME s následujícími identifikátory. vybraná síť – identifikuje PLMN, TAI + ECGI – specifikace buňky. 3. Pokud vybraná MME nesouhlasí s MME specifikované v GUTI, nová MME kontaktuje původní MME pomocí zprávy Identification Request zahrnující původní GUTI i zprávu Attach Request. Původní MME ověří zprávu Attach Request a odpovídá zprávou Identification Response. Pokud původní MME nerozpozná UE, zašle chybovou zprávu. Přídavné GUTI umožňuje uzlu MME najít libovolný existující UE kontext uložený v aktuálním MME. 4a. Pokud UE není rozpoznán ani v aktuálním i původním MME, aktuální MME zašle UE zprávu Identity Request, aby se prokázal pomocí IMSI. 4b. Terminál UE zpět zašle požadovaný identifikátor IMSI. 5. Pokud nebyla u zprávy Attach Request zajištěna ochrana integrity, či kontrola integrity nedopadla kladně, pak je nařízena autentizace a aktivace bezpečnosti na úrovni NAS k aktivaci ochrany integrity zpráv. 5a. Ustanoví se patřičná funkce zabezpečení NAS a také MME může požadovat IMEISV od UE.

100


5b. MME může zaslat zprávu Identity Check Request do registru EIR, zda identita UE není na černé listině. Ve zprávě je zasláno: ME Identity (IMEISV), IMSI. Registr EIR odpovídá zprávou Identity Check Ack. V závislosti na odpovědi se MME rozhodne, zda se má akceptovat či zamítnout žádost od UE. 6. Když byl nastaven příznak Ciphered Options Transfer z UE, MME zažádá UE o parametry bezpečného přístupu - Ciphered Options (PCO - Protocol Configuration Options, APN nebo oba) zprávou Ciphered Options Request a UE odpovídá zprávou Ciphered Options Response. Parametr PCO obsahuje jméno/heslo s parametry PAP/CHAP. 7. Pokud se UE, aniž by se odpojil řádně od sítě, znovu připojuje ke stejnému MME, kde stále existují aktivní kontexty pro předchozí nosiče uživatelských dat, jsou tyto nosiče nejdříve zrušeny v S-GW a P-GW, a v případě napojení na PCRF je relace s PCRF také ukončena. 8. Pokud v MME neexistuje UE kontext nebo když UE zaslal IMSI, nebo když UE poslal původní GUTI, který neodkazuje na aktuální MME, pak MME zasílá Update Location Request zprávu do HSS s následujícími parametry. MME Identity, IMSI, ME Identity, MME schopnosti - indikuje v MME podporu funkcionality omezení přístupu v oblasti, typ zprávy Update – indikuje proceduru Attach. 9. Databáze HSS zruší u původního řídicího uzlu MME či SGSN platnost lokace pro UE zprávou Cancel Location. 10. Pokud v původním MME stále existují aktivní kontexty pro předchozí nosiče uživatelských dat, jsou tyto nosiče nejdříve zrušeny v S-GW a P-GW, a v případě napojení na PCRF je relace s PCRF také ukončena. 11. Databáze HSS odpovídá zpět se zprávou Update Location Ack, která obsahuje IMSI a smluvní parametry (Subscription Data) k účtu uživatele, které zahrnují jeden či více smluvních kontextů PDN (PDN subscription context). Každý PDN smluvní kontext obsahuje EPS nasmlouvaný QoS profil, a nasmlouvaný parametr APN-AMBR. Uzel MME stvrzuje přítomnost UE ve sledovací oblasti TA (Tracking Area). Pokud díky oblastním pravidlům není přístup UE ve sledovací oblasti povolen, nebo když kontrola nedopadne kladně, MME


101

zašle odmítavou zprávu Attach Reject s důvodem odmítnutí. Je-li kontrola v pořádku, je v MME pro UE vytvořen kontext. HSS může (volitelně) poskytnout PDN (IPv4 nebo IPv6) adresu pro terminál UE, který je uveden v přihlašovaném PDN kontextu. PDN přihlašovací kontext může také obsahovat identitu prvku PDN GW. Pokud terminál UE nezašle APN, MME určí PDN GW podle defaultního APN poskytnutého od HSS. Pokud terminál UE poskytnul APN, pak MME může použít PDN GW odpovídající tomuto APN. Pokud HSS neposkytne žádný PDN GW, MME vybírá PDN GW na základě funkce výběru PDN GW (PDN GW selection function).

12. MME vybírá Serving-GW (S-GW) na základě funkce výběru S-GW (S-GW selection function) a přiděluje identitu pro defaultní EPS nosič (EPS Bearer Identity) pro daný terminál UE. Pak MME zašle zprávu „Create Session Request“ vybranému prvku message S-GW s následujícími parametry: IMSI, MSISDN – bylo-li doručeno od HSS, MME TEID pro řídicí rovinu, PDN-GW adresa, PDN adresa (volitelné), APN, RAT Type - E-UTRAN/GERAN/UTRAN, Default EPS Bearer QoS parametry, PDN Type - IPv4, IPv6, IPv4v6, APN-AMBR, identita EPS nosiče (EPS Bearer Identity), volby konfigurace protokolu (Protocol Configuration Options), Handover Indication – pokud typ žádosti odpovídá žádosti o "handover" namísto typu "Attach", identita terminálu ME (ME Identity), informace o poloze uživatele (User Location Information) – ECGI,

102

FEKT Vysokého učení technického v Brně indikace podpory mechanizmu „MS Info Change Reporting“, režim výběru APN (Selection Mode) – indikuje, zda bylo vybráno APN na základě informace od HSS nebo bylo vybráno APN received from UE was selected charakteristika způsobu zpoplatňování (Charging), omezení pro dané APN vůči ostatním APN dostupným na daném uzlu PDN-GW (Maximum APN Restriction), znak duální podpory adresových prostorů (tedy jak IPv4, tak IPv6) v síti připojené přes dané APN (Dual Address Bearer flag), typ protokolu na rozhraní S5/S8 (GTP či PMIP).

13. S-GW vytváří nový záznam v jeho EPS Bearer tabulce a zasílá zprávu „Create Session Request“ do PDN-GW s následujícími parametry:

IMSI, MSISDN – bylo-li doručeno od HSS, S-GW adresa pro uživatelskou rovinu, S-GW TEID pro uživatelskou rovinu, S-GW TEID pro řídicí rovinu, PDN adresa (volitelné), APN, typ RAT, Default EPS Bearer QoS parametry, PDN Type - IPv4, IPv6, IPv4v6, APN-AMBR, identita EPS nosiče (EPS Bearer Identity), volby konfigurace protokolu (Protocol Configuration Options), Handover Indication – pokud typ žádosti odpovídá žádosti o "handover" namísto typu "Attach", identita terminálu ME (ME Identity), informace o poloze uživatele (User Location Information) – ECGI, indikace podpory mechanizmu „MS Info Change Reporting“, režim výběru APN (Selection Mode) – indikuje, zda bylo vybráno APN na základě informace od HSS nebo bylo vybráno APN zaslaného terminálem UE, charakteristika způsobu zpoplatňování (Charging),


103

omezení pro dané APN vůči ostatním APN dostupným na daném uzlu PDN-GW (Maximum APN Restriction), znak duální podpory adresových prostorů (tedy jak IPv4, tak IPv6) v síti připojené přes dané APN (Dual Address Bearer flag). 14. Pokud je použit dynamický režim PCC, pak PDN GW realizuje proceduru „IP-CAN Session Establishment“ v součinnosti s PCRF a získá PCC pravidla pro dané UE. To může odstartovat sestavení jednoho či více vyhrazených nosičů (Dedicated Bearers) v souvislosti se sestavením defaultního nosiče (Default Bearer). Prvek PDN-GW (PCEF) poskytne prvku PCRF následující informace: IMSI, UE IP adresa, informace o poloze uživatele/terminálu (User Location Information), síť realizující obsluhu síťového připojení uživatele (Serving Network), typ technologie (RAT Type), APN-AMBR, defaultní parametry podpory QoS v síti EPS (Default EPS Bearer QoS). PCRF může modifikovat APN-AMBR a QoS parametrů defaultního EPS nosiče v odezvě od PCRF do PDN-GW. Pokud není použit dynamický režim PCC a PDN-GW aplikuje vnitřní QoS politiku, je tento krok přesto realizován, aby byla do PCRF prvku zaslána IP adresa terminálu UE. Pokud adresa není k dispozici, když PDN-GW provádí proceduru „IP-CAN Session Establishment“ vůči uzlu PCRF, uzel PDN-GW iniciuje proceduru „IP-CAN Session Modification“, jakmile je IP adresa terminálu UE k dispozici. 15. Prvek PDN-GW vytváří nový záznam v jeho EPS Bearer tabulce a definuje pro něj identifikátor pro zpoplatňování „Charging ID“. Uzel PDN-GW zasílá odezvu „Create Session Response“ do uzlu S-GW s následujícími parametry: PDN-GW adresu pro uživatelskou rovinu komunikace, PDN-GW TEID pro uživatelskou rovinu komunikace, PDN-GW TEID pro řídicí rovinu komunikace, typ PDN,

104

FEKT Vysokého učení technického v Brně PDN adresa - pokud PDN-GW přijal zprávu „Create Session Request“ s PDN (UE IP) adresou (přidělenou od HSS), pak PDN-GW přiřadí stejnou adresu IPv4 nebo IPv6 danému UE, identifikátor EPS nosiče (EPS Bearer Identity), EPS Bearer QoS parametry, konfigurační volby protokolu (Protocol Configuration Options), identifikátor zpoplatňování (Charging ID), příznak zákazu komprese uživatelských dat (Prohibit Payload Compression), omezení pro dané APN (APN Restriction), kód příčiny daného typu odpovědi (Cause), zahájení režimu „MS Info Change Reporting“, kdy S-GW pak musí oznamovat do PDN-GW každou změnu lokality UE, APN-AMBR

16. S-GW zasílá zprávu „Create Session Response“ do uzlu MME s následujícími parametry. S-GW adresa pro uživatelskou rovinu komunikace, S-GW TEID pro uživatelskou rovinu komunikace, S-GW TEID pro řídicí rovinu komunikace, typ PDN (PDN Type), PDN adresa identifikátor EPS nosiče (EPS Bearer Identity), QoS parametry EPS nosiče (EPS Bearer QoS), PDN-GW adresy a identifikátory TEID pro rozhraní S5/S8, konfigurační volby protokolu (Protocol Configuration Options), příznak zákazu komprese uživatelských dat (Prohibit Payload Compression), omezení pro dané APN (APN Restriction), kód příčiny daného typu odpovědi (Cause), zahájení režimu „MS Info Change Reporting“, kdy S-GW pak musí oznamovat do PDN-GW každou změnu lokality UE, APN-AMBR Uzel MME určí UE-AMBR, které bude používáno uzlem eNodeB a které vychází ze smluvních parametrů UE-AMBR a APN-AMBR pro defaultní APN.


105

17. Uzel MME generuje zprávu „Initial Context Setup Request“, která obsahuje zprávu „Attach Accept“. Zpráva „Initial Context Setup Request“ obsahuje následující parametry: zpráva „Attach Accept“, informace bezpečnostního kontextu úrovně AS (AS security context) proUE, seznam omezení handoveru (Handover Restriction list), identifikátor EPS nosiče (EPS Bearer Identity), QoS parametry EPS nosiče (EPS Bearer QoS), parametr UE-AMBR, S-GW adresa pro uživatelskou rovinu komunikace, S-GW TEID pro uživatelskou rovinu komunikace, Zpráva „Attach Accept“ obsahuje následující informace: zpráva „Session Management Request“, parametr APN parametr (nové) GUTI konfigurační volby protokolu (Protocol Configuration Options), bezpečnostní parametr sekvenční číslo pro NA komunikaci (NAS Sequence Number), NAS-MAC (Message Authentication Code). Zpráva „Session Management Request“ obsahuje EPS Bearer QoS parametr QCI a APNAMBR. 18. Uzel eNodeB zasílá zprávu „RRC Connection Reconfiguration“ včetně identifikátoru EPS Radio Bearer Identity a zprávy „Attach Accept“. 19. Terminál UE zasílá zprávu „RRC Connection Reconfiguration Complete“ zpět do eNodeB. 20. Uzel eNodeB zasílá zprávu „Initial Context Setup Response“ do MME, která zahrnuje: eNodeB TEID pro uživatelskou rovinu, eNodeB adresu pro uživatelskou rovinu.

106


21. Terminál UE pak zasílá zprávu „Direct Transfer“ do eNodeB, která zahrnuje zprávu „Attach Complete“. Zpráva „Attach Complete“ obsahuje: identifikátor EPS nosiče (EPS Bearer Identity), bezpečnostní parametr sekvenční číslo pro NA komunikaci (NAS Sequence Number), NAS-MAC (Message Authentication Code). Zpráva „Attach Complete“ také obsahuje zprávu „Session Management Response“. 22. Uzel eNodeB předává zprávu „Attach Complete“ ve zprávě „Uplink NAS Transport“ message. Zpráva „Attach Complete“ také obsahuje zprávu „Session Management Response“. 23. Po příjmu zprávy „Initial Setup Context Response“ a zprávy „Attach Complete“, uzel MME zasílá zprávu „Modify Bearer Request“ do S-GW zahrnující identifikátory: EPS Bearer Identity eNodeB TEID pro uživatelskou rovinu, eNodeB adresa pro uživatelskou rovinu, indikátor handoveru (Handover Indication). 23a. Pokud je indikátor handoveru obsažen ve zprávě „Modify Bearer Request“, uzel S-GW zasílá zprávu „Modify Bearer Request“ do PDN-GW, aby vyzval uzel PDN-GW k tunelování paketů z non-3GPP IP přístupu do 3GPP IP přístupu a k okamžitému směrování paketů pro defaultní a vyhrazené nosiče. 23b. Uzel PDN-GW zpětně zasílá potvrzení „Modify Bearer Response“ do S-GW. 24. Uzel S-GW potvrzuje příjem přeposláním zprávy „Modify Bearer Response“ do uzlu MME. S-GW pak může začít předávat data ve směru downlink, která má uložena v bufferu. Po příjmu zprávy „Modify Bearer Response“ uzlem MME v případě, že uvedený uzel PDNGW se liší od identifikátoru uzlu PDN-GW Identity, který obdržel ve zprávě „PDN subscription context“ od HSS, uzel MME zasílá zprávu „Notify Request“ do HSS včetně identifikátorů APN a PDN-GW s uvedením identifikátoru PLMN, kde se PDN-GW nachází. Uzel HSS ukládá identifikátory APN a PDN-GW a vrací odpověď „Notify Response“ do uzlu MME.

107


Obr. 5.6: Odpojení UE od sítě EPS – NAS zprávy

5.2.2

Procedura Tracking Area Update

Procedura Tracking Area Update slouží k obnově informace o místě, kde se právě terminál UE nachází, a to na úrovni sledovací oblasti. Tato procedura je realizována při přihlašování do sítě, při přechodu z 2G či 3G přístupových sítí do E-UTRAN , dále při změně sledovací oblasti při pohybu UE a také pravidelně po uplynutí určitého časového intervalu od poslední procedury, a z některých dalších důvodů, viz 3GPP TS 23.401. UE

eNodeB

RNC

new MME

1. Trigger to start TAU procedure

old MME/ new Serving old Serving PDN GW GW GW old S4 SGSN

HSS PCRF

2. TAU Request 3. TAU Request 4. Context Request 5. Context Response 6. Authentication / Security 7. Context Acknowledge 8. Create Session Request 9. Modify Bearer Request 9a. PCEF Initiated IP-CAN Session Modification

10. Modify Bearer Response (A) 11. Create Session Response 12. Update Location 13. Cancel Location 15. Iu Release Command

14. Cancel Location Ack

16. Iu Release Complete 17. Update Location Ack 18. Delete Session Request 20. TAU Accept 21. TAU Complete

(B) 19. Delete Session Response

Obr. 5.7: Průběh procedury Tracking Area Update při změně S-GW

108


5.2.3

Žádost o službu - procedura Service Request Terminál UE realizuje proceduru Service Request za účelem zahájení vysílání či příjmu

uživatelských dat, a to v případě, že je UE již připojen do sítě EPS, avšak nemá sestavený ERAB nosič a není ve stavu ECM-connected. Tato procedura může být iniciována buď ze strany UE či ze sítě. Procedura z popudu UE se zahajuje zasláním zprávy „Service Request“, viz Obr. 5.8. UE

eNodeB

MME

Serving GW

PDN GW

PCRF

1. NAS: Service Request 2. NAS: Service Request 3. Authentication/Security 4. S1-AP: Initial Context Setup Request 5. Radio Bearer Establishment 6. Uplink Data 7. S1-AP: Initial Context Setup Complete 8. Modify Bearer Request 9. Modify Bearer Request 10. PCEF Initiated IP-CAN Session Modification

(A)

11. Modify Bearer Response 12. Modify Bearer Response

Obr. 5.8: Procedura Service Request iniciovaná ze strany UE

Procedura Service Request iniciovaná ze sítě je znázorněna na Obr. 5.9.

HSS

109


UE

eNodeB

RNC/BSC

MME

S-GW PDN GW 1. Downlink Data

SGSN

2a. Downlink Data Notification 2b. Downlink Data Notification Ack 2a. Downlink Data Notification 3a. Paging 4a. Paging

2b. Downlink Data Notification Ack 3b. Paging

4b. Paging 5. Service Request Procedure 6a. Stop Paging 6b. Stop Paging Downlink Data E-UTRAN Downlink Data 2G or 3G non DT Downlink Data 3G DT

Obr. 5.9: Procedura Service Request iniciovaná ze sítě

5.2.4

Odpojení terminálu od sítě - procedura Detach Odpojení UE od sítě EPS, neboli procedura Detach znamená ukončení poskytování

služeb sítě EPS danému terminálu. Toto odpojení může být buď iniciované terminálem UE, viz Obr. 5.10, nebo může být iniciované z MME. eNodeB

UE

MME

SGSN

Serving GW

PDN GW

PCRF

HSS

1. Detach Request 2. Delete Session Request 3. Delete Session Response 4. Detach Notification 5. Delete Session Request 6. Delete Session Request 7. Delete Session Response 8. PCEF Initiated IP-CAN Session Termination (A) 9. Delete Session Response 10. Detach Ack 11. Detach Accept 12. Signalling Connection Release

Obr. 5.10: Odpojení od sítě EPS iniciované terminálem UE

Pokud je odpojení od sítě z důvodu vypnutí terminálu UE, MME nezasílá zprávu Detach Accept.

110


Odpojení iniciované sítí může být buď explicitní (pomocí zprávy Detach Request zaslané terminálu UE) či implicitní z důvodu špatných rádiových podmínek, kdy se rádiové spojení vyhodnotí jako ztracené (radio link failure). Další možností je odpojení vycházející z uzlu HSS.


111

Seznam použité literatury [1] 3GPP TR 21.905: "Vocabulary for 3GPP Specifications". [2] 3GPP TR 25.913: "Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN)". [3] 3GPP TS 36.201: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer; General description". [4] 3GPP TS 36.211:"Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation". [5] 3GPP TS 36.212: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Multiplexing and channel coding". [6] 3GPP TS 36.213: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer procedures". [7] 3GPP TS 36.214: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical layer; Measurements". [8] IETF RFC 4960 (09/2007): "Stream Control Transmission Protocol". [9] 3GPP TS 36.302: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Services provided by the physical layer". [10] 3GPP TS 36.304: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) procedures in idle mode". [11] 3GPP TS 36.306: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio access capabilities". [12] 3GPP TS 36.321: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Medium Access Control (MAC) protocol specification". [13] 3GPP TS 36.322: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Link Control (RLC) protocol specification". [14] 3GPP TS 36.323: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification". [15] 3GPP TS 36.331: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC) protocol specification". [16] 3GPP TS 23.401: "Technical Specification Group Services and System Aspects; GPRS enhancements for E-UTRAN access". [17] 3GPP TR 24.801: "3GPP System Architecture Evolution (SAE); CT WG1 aspects". [18] 3GPP TS 23.402: "3GPP System Architecture Evolution: Architecture Enhancements for non-3GPP accesses".

112

FEKT Vysokého učení technického v Brně [19] 3GPP TR 24.301: "Non-Access-Stratum (NAS) protocol for Evolved Packet System (EPS); Stage 3". [20] 3GPP TS 36.133: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); "Requirements for support of radio resource management". [21] 3GPP TS 33.401: "3GPP System Architecture Evolution: Security Architecture". [22] 3GPP TS 23.272: "Circuit Switched Fallback in Evolved Packet System; Stage 2". [23] 3GPP TS 36.413: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN); S1 Application Protocol (S1AP)". [24] 3GPP TS 23.003: "Numbering, addressing and identification". [25] 3GPP TR 25.922: "Radio Resource Management Strategies". [26] 3GPP TS 23.216: "Single Radio voice Call continuity (SRVCC); Stage 2". [27] 3GPP TS 32.421: "Subscriber and equipment trace: Trace concepts and requirements". [28] 3GPP TS 32.422: "Subscriber and equipment trace; Trace control and configuration management". [29] 3GPP TS 32.423: "Subscriber and equipment trace: Trace data definition and management". [30] 3GPP TS 25.346: "Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); Introduction of the Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) in the Radio Access Network (RAN); Stage 2". [31] 3GPP TS 22.220: "Service Requirements for Home NodeBs and Home eNodeBs". [32] 3GPP TS 22.268: "Public Warning System (PWS) Requirements". [33] IETF RFC 3168 (09/2001): "The Addition of Explicit Congestion Notification (ECN) to IP". [34] 3GPP TS 25.446: "MBMS synchronisation protocol (SYNC)". [35] 3GPP TS 22.168: "Earthquake and Tsunami Warning System (ETWS) requirements; Stage 1". [36] 3GPP TR 25.306: " UE Radio Access capabilities". [37] 3GPP TS 29.274: "Tunnelling Protocol for Control Plane (GTPv2-C); Stage 3". [38] 3GPP TS 29.061: "Interworking between the Public Land Mobile Network (PLMN) supporting packet based services and Packet Data Networks (PDN)". [39] 3GPP TS 36.423: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN); X2 Application Protocol (X2AP)". [40] 3GPP TS 37.320: "Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio measurement collection for Minimization of Drive Tests (MDT); Overall description; Stage 2".


113

[41] 3GPP TS 36.443: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN); M2 Application Protocol (M2AP)". [42] 3GPP TS 36.444: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN); M3 Application Protocol (M3AP)". [43] 3GPP TS 36.420: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN); X2 general aspects and principles". [44] 3GPP TS 29.281: "General Packet Radio System (GPRS) Tunnelling Protocol User Plane (GTPv1-U)" [45] 3GPP TS 23.246: "Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description" [46] 3GPP TS 26.346: "Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Protocols and codecs" [47] 3GPP TR 36.816: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Study on signalling and procedure for interference avoidance for in-device coexistence". [48] 3GPP TS 36.305: “Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (EUTRAN); Stage 2 functional specifications of User Equipment (UE) positioning in E-UTRAN”. [49] 3GPP TS 36.101: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); User Equipment (UE) radio transmission and reception". [50] ALI-YAHIYA, Tara. Understanding LTE and its performance. New York: Springer, 2011, xxv, 250 p. ISBN 14-419-6456-8. [51] COX, Christopher. An introduction to LTE: LTE, LTE-advanced, SAE, and 4G mobile communications. Hoboken: Wiley, c2012, xxviii, 324 s. ISBN 978-1-11997038-5. [52] 3GPP TS 23.236 V10.2.1 Intra-domain connection of Radio Access Network (RAN) nodes to multiple Core Network (CN) nodes, (Release 10). Zdroj www.3gpp.org. [53] 3GPP TS 23.251 V10.1.0; Network Sharing; Architecture and functional description, (Release 10). Zdroj www.3gpp.org. [54] LELIVA MSC in Pool. Zdroj http://www.leliwa.com/downloads/MSC_in_Pool.pdf, 07/2014

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

Recommend Documents