Привет всем. Я работаю около трех лет в отделе качества и оптимизации сети у одного из операторов за рубежом. Чуть более года назад мы запустили в коммерческую эксплуатацию сеть 4G или LTE я бы хотел рассказать какие шаги мы прошли, с чем сталкивались и что есть интересного, о чем не всегда задумывается обычный, пусть и продвинутый пользователь сотового телефона. Сейчас в России только начинают появляться эти сети, в связи с чем к ним повышенный интерес. Yota была первой, но это не классический запуск так как у них нет голоса и они не строили сеть поверх существующих технологий на основе имеющегося парка мобильных телефонов, а вот о том, как это происходит у любого из операторов большой тройки рассказано под катом…
Сначала немножно о LTE. LTE или 4G расшифровывается как Long Term Evolution т.е. разрабатывая стандарт инженеры были уже немного измучены часто сменяющимися стандартами и технологиями и было принято решение о разработке черо-то такого, что будет работать и не нуждаться в одновлении достаточно долгое время. 2G уже доживает свой век у нас, мы отключили 1800 диапазон, 900 частично переиспользовали для 3G. В России это займент некоторое большее количество времени, но тенденция будет аналогичной. Сети 3G у нас находятся на пике своего развития с точки зрения емкости и вообщем-то дальнейшего интенсивного развития уже не будет. Так что единственная возможность справляться с постоянно увеличивающимся трафиком передачи данных (а увеличивается он удваиваясь каждый год) это миграция трафика в LTE.
Начнем со структуры сети. У нас есть существующая сеть GSM/3G они построены на элементах BTS – базовая станция в 2G, BSC – контроллер базовых станций в 2G, NodeB – базовая станция в 3G, RNC – контроллер базовых станций в 3G. Для пакетной коммутации есть узлы SGSN и GGSN, голосовой коммутакцей занимается коммутатор MSC. LTE практически не переиспользует данные элементы в отличие от 3G, в котором SGSN, GGSN, MSC являются общими для обоих сетей. Итак, что же появляется в LTE. Появляюется элемент сети eNodeB это по сути все та, же базовая станция но теперь она работает уже без контроллера базовых станций она обладает уже необходимым интеллектом для проведения процедур handover (эстафетной передачи обслуживания от одной станции к другой) и выделением ресурсов. В сетях 2G/3G этим занимался контроллер базовых станций. Мы получаем узел SGW (Serving Gateway) он занимается маршрутизацией пакетов с базовой подсистемой. Узел MME (Mobility Management Entity) выполняет по сути функции коммутатора в сетях 2G/3G, он коммуницирует с внешним миром, обменивается сигнализацией с другими узлами. Он отвечает за авторизацию абонентов он связан с HSS. HSS это аналог HLR в 2G/3G сетях где содержатся данные об абонентах; какие сервисы им доступны, на каких скоростях, разрешен ли роуминг и пр. Он не содержит никакой персональной информации, только техническую для работы сети.
Итак, мы хотим получить сеть LTE. Что же нам нужно сделать и с чем определиться. Первое конечно технологию и частотный диапазон который будет истольковаться. На сегодняшний день в мире распространены обе доступных технологии LTE. Это FDD (Множественный доступ с частотным разделением каналов) и TDD (множественный доступ с временным разделением каналов). Оба имеют свои достоинства и недостатки и свои рынки. Отличие понятно, при частотном разделении каналов у нас есть канал вниз – downlink (от базовой станции к мобильной) и uplink (от мобильной к базовой). Между ними есть некий диапазон для изоляции. Мы запускали сеть на 1800 МГц диапазоне, который мы высвободили от GSM, поэтому у нас была пара вверх и вниз. Технология была испольщована FDD, в Росии сейчас операторы запускают сети на 2600 МГц, что тоже является FDD. При использовании FDD у нас абоненты могут быть разнесены и по частоте и по времени. В зависимости от потребностей абонента система ваделяет ему разное количество RB (Resource Block), мы видим например, что абонент UE1 получил три RB а UE2 только один. Так же они выделяются на опереденное время, как минимум на 1 мс.
Частоты и технологии есть в интернете, можно посмотреть здесь. Техеология TDD является более сложной, ее проникновение в мире значительно меньше, так как она подразумевает использование одновременной коммутации на прием и передачу всех абонентских терминалов и базовых станций одновременно. Для обеспечения эталонной синхронности применяется спутниковая синхронизация. Мы запустили новый диапазон сети в TDD несколько недель назад, в России я не знаю ни одной сети, которая бы работала в TDD. С другой стороны TDD позволяет достичь бОльшей скорости в одном направлении за счет ассимитричности канала.
В TDD очень важна схема коммутации, как мы испольщуем наши частоты. Мы одновременно можем использовать только в одном направлении, например в таблице выше конфигурайия 0 – когда преобладает в основном U (Uplink) при такой конфигурации абоненты будут иметь высокую скорость закачки данных с телефона или модема в сеть, но низкую получения из сети. При конфигурации 5 – ситауция наоборот. Важно, что все базовые станции должны работать синхронно. Иначе они начнут мешать друг другу, возникнет интерференция. Мы работаем в конфирурации 2, что обеспечивает 3:1 Т.е. если я скачиваю из сети файл на скорости в 30 Мбит/сек, то закачать я его могу на 10 Мбит/сек. Когда мы говорим про скорости, надо иметь ввиду несколько факкторов.
Первое и самое вахное – это полоса частот, которая выделяется под LTE. Существует только несколько стадарнтных наборов (1.4 МГц. 3.0 МГц, 5.0 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц). В зависимости от выделенной полосы у нас будет разная скорость передачи. Мы запускали нашу сеть на 5 МГц изначально, но быстро ушли на 10 МГц и сейчас активно готовимся к 15 МГц. Так же в скорость вносят вклад тип модуляции который применяется (выбирается автоматически оборудованием в зависимости от радиоусловия) и тип кодирования, т.е. сколько избыточной информации мы будем передавать на единицу полезной. Так же влияет антенная системы, применяется ли MIMO или только один поток (об этом позже). Итак, в таблице ниже собраны теоретически максимальные скорости для Downlink в технологии FDD. При например 10 МГц полосе, применении MIMO 2x2 мы получаем до 85.7 Мбит/сек. Это конечно же теоретический максимум, но практические сети не далеки от этих цифр, когда сеть разгружена. Если мы уменьшаем полосу до 5 МГц с 10 МГц, то скорость практически равномерно падает в два раза.
Модуляция это количество одновременно передаваемых битов за одну передачу. При QPSK мы передаем два бита, при 16 QAM — четыре бита, при 64 QAM – 6 бит. Соответвенно чем выше схема модуляции тем большую скорость получает конечных пользователь.
MIMO – Multi Input, Multi Output обознчаает козда у нас есть несколько антенн и соответсвенно потоков для передачи. Сегодня широко применяются два вариаента. Это MISO, когда на базовой станции есть две антенны, которые обе передают данные для абонента, но на трубке есть только одна приемно-передающая антенна. Однако, за счет того, что на базовой станции две антенны не только переют, но и принимают сигнал, хоть и от одной антенны, но все равно получается некоторое разнесение в пространстве и компенсация сигнала при переотражениях или замираниях. Так же некоторые специализированные модемы и ноутбуки содержат сдвоенные антенны, что тоже дает плюсы в скоростях и является уже полноценным MIMO. Необходимо отметить, что сейчас не ставится две антенны, просто две ветви находятся внутри одного корпуса антенны и развязаны друг относительно друга по поляризации (наклонены на 90 градусов друг относительно друга). Хотя фидера до сих под подводится к антенне два. Решение из серии 4x4 MIMO вероятно будут в будущем, но сейчас не используются ввиду значительного удорожания инфраструктуры.
Закончим с теорией и перейдем к практике.
У нас есть 10 МГц частотного диапазона, который мы получили от выключения GSM 1800, мы используем FDD частотное разделение каналов, у нас есть сеть 2G/3G и абоненты в ней. Нужно запустить передачу сервисов в 4G. Самое первое, на чем оператор хочет сэконосить – на инфраструктуре, все будет переиспользщовано по максимуму. У нас уже есть на GSM базовых станциях 1800 МГц антенны, и перелатчики. Современное оборудование позволяет переконфигурировать технологии за счет программного обеспечения и переиспольщовать оборудование в том же частотном диапазоне. Что мы и сделали. Мы переконфигурировали существующие передатчики в базовых станциях, заменили процессорные блоки для поддержки LTE и подвели новую трансмиссию. Теперь поговорим о трансмиссии. Если в GSM мы применяли E1 потоки только, в 3G мы применяем и E1 и IP, то в LTE применяется только IP. Помните самую первую картину? В ней есть три интерфейча обозначенных для подключения LTE базовой станции. Это S1-U, S1-MME и X2. S1 предназначен для передачи пользовательских данных и сигнализации от базовой станции в систему коммутации. Он делится на две части. Это S1-U (User Plane) по которому идут все пользовательските данные и занимет около 94% всего канала и S1-MME по которому идет сигнализация, занимает около 3% от канала. Теперь как мы рассчитываем требуюмую скорость для этого подключения. Если по таблицу выше мы считаем, что максимальная скорость на одном секторе сотавляет 70 Мбит/сек (максимальная 86, но это идеал), то смотрим сколько же нам нужно с учетом заголвков в IP и другой вспомогателдьной информации:
Parameter Unit Value
Packetsize byte 700
GTPU head byte 12
UPD head byte 8
IP head byte 20
IPSec head byte 70
VLAN head byte 4
MAC head byte 18
Summary 832
Таким образом, для 70 Мбит/сек на один сектор нам нужно в идеале подводить 83,2 Мбит/сек для передачи пользовательских данных. Для передачи сигнализации нам нужно еще 3% от этой полосы. S1-MME= 83.2 * 3% = 2.5Mbps. Теперь о интерсейсе X2. Его раньше не было ни в 2G ни в 3G, он соединяет соседние базовые станции напрямую. Нужен лн вот для чего, допустим вы качаете большой файл, часть этого файла уже скачалось с интернета и находится в буфере базовой станции, а вы перемещветесь в зону действия другой базовой станции. В других сетях этот кусок данных предется качать повторно. В LTE он просто передается с исходящей на входящую базовую станцию.
Кстати, этот интаерфейс явзяется полностью логическим. Вы не найдете проводов, которые соединяют станции с соседними. Весь обмен идет через SGW, как показано на рисунке выше. Таким образом нам нужно заложить еше некторую полосу для X2, он тоже является 3% от общей полосы: X2 interface bandwidth = (83.2+2.5) *3% = 2.6Mbps, после чего мы получаем около 89 Мбит/сек на сектор которые мы должны обеспечить между базовай станцией и системой коммутации. Как правило станции строятся в трехсекторном исполнении, при этом цифра 89 Мбит/сек практически должна утроится. Мы подводим только 150 Мбит/сек на все три сектора. Что получаеся около 50 Мбит/сек на один сектор пользовательских данных. Мы считаем, что все три сектора не будут одновременно качать по 70 Мбит, и у нас будет некоторая экономия трансмиссии. На деле оно примерно так и получается.
Выводы, мы обновили ПО на базовых станциях, заменили блоки управления, переиспольщовали существуюзие антенны, подвели по 150 Мбит/сек трасмиссию. Сеть практически готова. Осталось самое интересное.
Это взаимодействие с существующей 2G/3G сетью.
Мы понимаем, что все наши абоненты с разными телефонами находится в сетях 2G/3G, им нужно собщить о новой сети и дать им работать. У телефона, особенно в LTE, есть два состояние – Idle (когда телефон находится в режиме ожидания), он внимательно слушает сеть, показывает на экране уровень сети в палках и показывает текущую техглогию как G – GSM. E-EDGE, 3G – 3G, H – HSDPA. H+ — HSDPA +, 4G – LTE. Второй режим active в котром осуществляется передача данных. В 3G это может быть голос или данные, в 4G сегодня только данные. Самое первое, что нам нужно это стратегия распределения трафика.
Для обеспечения перехода между технологиями, как и внутри технологий мы прописываем соседей. На этом этапе мы сообщаем базовой станции, что вокруг нее находятся другие базовые станциию. После чего, эта информация транслируется в мобильную станцию и мобильная станция сканирует частоты, которые ей сообщаются из сети. Когда мы вкючаем мобильный телефон, он находит сеть например 3G, он в ней регистрируется. После чего информация о других сетях транслируется на сети (обозначена зелеными стрелочками на картинке с левой стороны, idle mode). Если мобильный телефон поддерживает LTE FDD или TDD, то он переходит на нее. У TDD приоритет выше, поэтому если одновременно работают две LTE TDD и FDD, то телефон перейдет на TDD. Таким образом, все телефоны, которые поддерживают сеть LTE переходят в нее и остаются там в Idle режиме, слушая сеть. Из LTE обратно в 3G телефон может вернуться если ухудшается уровень сигнала. Пока уровень сигнала в LTE остается удовлетворительным, перехода в 3G не произойдет. Все взаимодействие с GSM происходит только через 3G. Телефон не может перейти с LTE на 2G, он перейдет на 3G и только оттуда в GSM, если необходимо. Сегодня переход из TDD в FDD и наоборот поддердивается сетью, но он не поддерживается мобильными телефонами. Есть только один Самсунг, который у нас в сети выполняет этот переход, но это скорее исключение. Теперь кратко рассмотрим поведеине телефона/сети при передаче данных. Если Ваш телефон что-то скачивает из сети, то он переходит в active mode. Система выделяет ему ресурсы, определенное колличество radio bearer, выбирается наиболее подходящая модуляция и схема кодирование. Телефон получает ресурсы по очень простому принципу – если телефон скачивает и происходит переполнение буфера, то количество ресурсов увелисивается… и т.д. пока не будет выбран какой-то оптимум. Так как LTE работает во всей полосе частот, которая выделена, то на границах сот может возникать интерференция, когда одна и та же частота назначается на соседних секторах. Для предотвращения потери качества существуют механизмы контроля и предотвращения. При деградации уровня или качества сигнала сеть начинает выдять телефону временные промежутки для измерения соседних технологий. Если телефон находит в списке соседей соседа с хорошом уровнем, он с сообщает об этом в сеть и начинается подготовка к handover. Сеть LTE сообщает в 3G, 3G готовится к приему этого абонента и по команде от сети мобильная станция переходит на выделенный для нее ресурс в 3G. Передача данных продолжается уже в сети 3G, после некоторой незначительной задержки (1-3 сек.). Обратно во время активной сессии телефон в 4G вернуться уже не может, он туда вернется как только сессия закончится и телефон окажется в Idle mode. (На картинке справа нет зеленых стрелочек). Теперь самое интересное. Голос. Практически ни одна современная LTE сеть не передает голос. Есть несколько сетей в мире, но это исключение. Объяснение очень простое: это не нужно с коммерческой точки зрения. Для того чтобы голос передавался, кстати, это называется VoLTE (Voice over LTE) нужна IMS платформа, как показано на картинке.
Но реальность такова, что для этого нужно инвестировать несколько миллионов долларов и получить взамен абсолютно ничего. Передача голоса в LTE не несет никаких преимуществ перед передачей голоса в 3G, более того сети 3G гораздо более развиты и там меньше вероятность обрывов. Поэтому операторы используют CSFB (Call Setup Fall Back). Эта функция позволяет отправить мобильную станцию в 3G при входящем или исходящем вызове. Как это работает, например мобильая станция находится в зоне LTE, приходит пейджинг, когда сеть отправляет запрос с номером мобильной станции и типом сервиса. Если тип сервиса голосовой, то немедленно начинается процедура handover в сеть 3G. Мобильная станция сканирует соседей, находит подходящего, сообзает об этом в сеть 3G и вызов подклюяается в 3G. Аналогичная процедура и на исходящие вызовы. Первичная сигнализация идет через LTE и звонок уже соединяется в 3G. В последнее время многие говорят, что это мол очень долго. Я специально выкладываю результаты нашего тестирования. Baseline – нормальное время установки соединения между двумя мобильными телефонами в сети 3G. MO – Mobile originated – исходящий с мобильного телефона, MT – Mobile Terminated входящий на мобильный телефон в сети 4G.
Как мы видим, время установления соединения увеличиватся примерно на одну секунду и на пару секунд если оба телефона находится в LTE. К сожалению, не все попытки успешны. Есть вероятность, что входящий вызов до Вас не дойдет. Такова жизнь. Сообщения SMS и MMS передаются внутри LTE и не требуют возврата в 3G.
Таким образом, что мы имеем. Вся передача данных осуществляется в сети 4G для совместимых телефонов, когда есть покрытие этой сети. Передача голоса пока идет через существующие 3G сети. Запуск осуществляется на текущих площадках с переиспользованием инфраструктуры. Скорость до конечного польхователя зависит от плосы в эфире, радиоусловия, трасмиссии до сайта и конечно же количества одновременных пользователей.
Теперь самое интересное, как же это выглядит у оператора. Все операторы анализируют статистику на сети. Без нее невозможно понять что происходит на сети. Внизу приведена понедельная статистика по передаче данных на одном из участков сети. Что мы видим, с января месяца 2012 года (начало графика) до октября месяца траффик стабильно растет, черный график соответсвет зеленому, составляющей 4G нет. С начала октября 2012 года зеленый график замедляет рост, выходит практически на плоский участок, при неспадающем росте черного графика. Общий объем переданных данных на сети продолжает расти. С января 2012 года, до января 2013 года траффик вырос почти в четыре раза, но теперь рост трафика осущетвляется за счет LTE. Все новые телефоны уже поддерживают 4G и трафик мигрирует туда.
P.S. В Октябре 2012 года состоялась мировая премьера iPhone5, который поддерживает LTE. Это справоцировало бурный рост LTE трафика и подтолкнуло других производителей.
Сначала немножно о LTE. LTE или 4G расшифровывается как Long Term Evolution т.е. разрабатывая стандарт инженеры были уже немного измучены часто сменяющимися стандартами и технологиями и было принято решение о разработке черо-то такого, что будет работать и не нуждаться в одновлении достаточно долгое время. 2G уже доживает свой век у нас, мы отключили 1800 диапазон, 900 частично переиспользовали для 3G. В России это займент некоторое большее количество времени, но тенденция будет аналогичной. Сети 3G у нас находятся на пике своего развития с точки зрения емкости и вообщем-то дальнейшего интенсивного развития уже не будет. Так что единственная возможность справляться с постоянно увеличивающимся трафиком передачи данных (а увеличивается он удваиваясь каждый год) это миграция трафика в LTE.
Начнем со структуры сети. У нас есть существующая сеть GSM/3G они построены на элементах BTS – базовая станция в 2G, BSC – контроллер базовых станций в 2G, NodeB – базовая станция в 3G, RNC – контроллер базовых станций в 3G. Для пакетной коммутации есть узлы SGSN и GGSN, голосовой коммутакцей занимается коммутатор MSC. LTE практически не переиспользует данные элементы в отличие от 3G, в котором SGSN, GGSN, MSC являются общими для обоих сетей. Итак, что же появляется в LTE. Появляюется элемент сети eNodeB это по сути все та, же базовая станция но теперь она работает уже без контроллера базовых станций она обладает уже необходимым интеллектом для проведения процедур handover (эстафетной передачи обслуживания от одной станции к другой) и выделением ресурсов. В сетях 2G/3G этим занимался контроллер базовых станций. Мы получаем узел SGW (Serving Gateway) он занимается маршрутизацией пакетов с базовой подсистемой. Узел MME (Mobility Management Entity) выполняет по сути функции коммутатора в сетях 2G/3G, он коммуницирует с внешним миром, обменивается сигнализацией с другими узлами. Он отвечает за авторизацию абонентов он связан с HSS. HSS это аналог HLR в 2G/3G сетях где содержатся данные об абонентах; какие сервисы им доступны, на каких скоростях, разрешен ли роуминг и пр. Он не содержит никакой персональной информации, только техническую для работы сети.
Итак, мы хотим получить сеть LTE. Что же нам нужно сделать и с чем определиться. Первое конечно технологию и частотный диапазон который будет истольковаться. На сегодняшний день в мире распространены обе доступных технологии LTE. Это FDD (Множественный доступ с частотным разделением каналов) и TDD (множественный доступ с временным разделением каналов). Оба имеют свои достоинства и недостатки и свои рынки. Отличие понятно, при частотном разделении каналов у нас есть канал вниз – downlink (от базовой станции к мобильной) и uplink (от мобильной к базовой). Между ними есть некий диапазон для изоляции. Мы запускали сеть на 1800 МГц диапазоне, который мы высвободили от GSM, поэтому у нас была пара вверх и вниз. Технология была испольщована FDD, в Росии сейчас операторы запускают сети на 2600 МГц, что тоже является FDD. При использовании FDD у нас абоненты могут быть разнесены и по частоте и по времени. В зависимости от потребностей абонента система ваделяет ему разное количество RB (Resource Block), мы видим например, что абонент UE1 получил три RB а UE2 только один. Так же они выделяются на опереденное время, как минимум на 1 мс.
Частоты и технологии есть в интернете, можно посмотреть здесь. Техеология TDD является более сложной, ее проникновение в мире значительно меньше, так как она подразумевает использование одновременной коммутации на прием и передачу всех абонентских терминалов и базовых станций одновременно. Для обеспечения эталонной синхронности применяется спутниковая синхронизация. Мы запустили новый диапазон сети в TDD несколько недель назад, в России я не знаю ни одной сети, которая бы работала в TDD. С другой стороны TDD позволяет достичь бОльшей скорости в одном направлении за счет ассимитричности канала.
В TDD очень важна схема коммутации, как мы испольщуем наши частоты. Мы одновременно можем использовать только в одном направлении, например в таблице выше конфигурайия 0 – когда преобладает в основном U (Uplink) при такой конфигурации абоненты будут иметь высокую скорость закачки данных с телефона или модема в сеть, но низкую получения из сети. При конфигурации 5 – ситауция наоборот. Важно, что все базовые станции должны работать синхронно. Иначе они начнут мешать друг другу, возникнет интерференция. Мы работаем в конфирурации 2, что обеспечивает 3:1 Т.е. если я скачиваю из сети файл на скорости в 30 Мбит/сек, то закачать я его могу на 10 Мбит/сек. Когда мы говорим про скорости, надо иметь ввиду несколько факкторов.
Первое и самое вахное – это полоса частот, которая выделяется под LTE. Существует только несколько стадарнтных наборов (1.4 МГц. 3.0 МГц, 5.0 МГц, 10 МГц, 15 МГц и 20 МГц). В зависимости от выделенной полосы у нас будет разная скорость передачи. Мы запускали нашу сеть на 5 МГц изначально, но быстро ушли на 10 МГц и сейчас активно готовимся к 15 МГц. Так же в скорость вносят вклад тип модуляции который применяется (выбирается автоматически оборудованием в зависимости от радиоусловия) и тип кодирования, т.е. сколько избыточной информации мы будем передавать на единицу полезной. Так же влияет антенная системы, применяется ли MIMO или только один поток (об этом позже). Итак, в таблице ниже собраны теоретически максимальные скорости для Downlink в технологии FDD. При например 10 МГц полосе, применении MIMO 2x2 мы получаем до 85.7 Мбит/сек. Это конечно же теоретический максимум, но практические сети не далеки от этих цифр, когда сеть разгружена. Если мы уменьшаем полосу до 5 МГц с 10 МГц, то скорость практически равномерно падает в два раза.
Модуляция это количество одновременно передаваемых битов за одну передачу. При QPSK мы передаем два бита, при 16 QAM — четыре бита, при 64 QAM – 6 бит. Соответвенно чем выше схема модуляции тем большую скорость получает конечных пользователь.
Теперь о MIMO…>
MIMO – Multi Input, Multi Output обознчаает козда у нас есть несколько антенн и соответсвенно потоков для передачи. Сегодня широко применяются два вариаента. Это MISO, когда на базовой станции есть две антенны, которые обе передают данные для абонента, но на трубке есть только одна приемно-передающая антенна. Однако, за счет того, что на базовой станции две антенны не только переют, но и принимают сигнал, хоть и от одной антенны, но все равно получается некоторое разнесение в пространстве и компенсация сигнала при переотражениях или замираниях. Так же некоторые специализированные модемы и ноутбуки содержат сдвоенные антенны, что тоже дает плюсы в скоростях и является уже полноценным MIMO. Необходимо отметить, что сейчас не ставится две антенны, просто две ветви находятся внутри одного корпуса антенны и развязаны друг относительно друга по поляризации (наклонены на 90 градусов друг относительно друга). Хотя фидера до сих под подводится к антенне два. Решение из серии 4x4 MIMO вероятно будут в будущем, но сейчас не используются ввиду значительного удорожания инфраструктуры.
Итак, внедрение...
Закончим с теорией и перейдем к практике.
У нас есть 10 МГц частотного диапазона, который мы получили от выключения GSM 1800, мы используем FDD частотное разделение каналов, у нас есть сеть 2G/3G и абоненты в ней. Нужно запустить передачу сервисов в 4G. Самое первое, на чем оператор хочет сэконосить – на инфраструктуре, все будет переиспользщовано по максимуму. У нас уже есть на GSM базовых станциях 1800 МГц антенны, и перелатчики. Современное оборудование позволяет переконфигурировать технологии за счет программного обеспечения и переиспольщовать оборудование в том же частотном диапазоне. Что мы и сделали. Мы переконфигурировали существующие передатчики в базовых станциях, заменили процессорные блоки для поддержки LTE и подвели новую трансмиссию. Теперь поговорим о трансмиссии. Если в GSM мы применяли E1 потоки только, в 3G мы применяем и E1 и IP, то в LTE применяется только IP. Помните самую первую картину? В ней есть три интерфейча обозначенных для подключения LTE базовой станции. Это S1-U, S1-MME и X2. S1 предназначен для передачи пользовательских данных и сигнализации от базовой станции в систему коммутации. Он делится на две части. Это S1-U (User Plane) по которому идут все пользовательските данные и занимет около 94% всего канала и S1-MME по которому идет сигнализация, занимает около 3% от канала. Теперь как мы рассчитываем требуюмую скорость для этого подключения. Если по таблицу выше мы считаем, что максимальная скорость на одном секторе сотавляет 70 Мбит/сек (максимальная 86, но это идеал), то смотрим сколько же нам нужно с учетом заголвков в IP и другой вспомогателдьной информации:
Parameter Unit Value
Packetsize byte 700
GTPU head byte 12
UPD head byte 8
IP head byte 20
IPSec head byte 70
VLAN head byte 4
MAC head byte 18
Summary 832
Таким образом, для 70 Мбит/сек на один сектор нам нужно в идеале подводить 83,2 Мбит/сек для передачи пользовательских данных. Для передачи сигнализации нам нужно еще 3% от этой полосы. S1-MME= 83.2 * 3% = 2.5Mbps. Теперь о интерсейсе X2. Его раньше не было ни в 2G ни в 3G, он соединяет соседние базовые станции напрямую. Нужен лн вот для чего, допустим вы качаете большой файл, часть этого файла уже скачалось с интернета и находится в буфере базовой станции, а вы перемещветесь в зону действия другой базовой станции. В других сетях этот кусок данных предется качать повторно. В LTE он просто передается с исходящей на входящую базовую станцию.
Кстати, этот интаерфейс явзяется полностью логическим. Вы не найдете проводов, которые соединяют станции с соседними. Весь обмен идет через SGW, как показано на рисунке выше. Таким образом нам нужно заложить еше некторую полосу для X2, он тоже является 3% от общей полосы: X2 interface bandwidth = (83.2+2.5) *3% = 2.6Mbps, после чего мы получаем около 89 Мбит/сек на сектор которые мы должны обеспечить между базовай станцией и системой коммутации. Как правило станции строятся в трехсекторном исполнении, при этом цифра 89 Мбит/сек практически должна утроится. Мы подводим только 150 Мбит/сек на все три сектора. Что получаеся около 50 Мбит/сек на один сектор пользовательских данных. Мы считаем, что все три сектора не будут одновременно качать по 70 Мбит, и у нас будет некоторая экономия трансмиссии. На деле оно примерно так и получается.
Выводы, мы обновили ПО на базовых станциях, заменили блоки управления, переиспольщовали существуюзие антенны, подвели по 150 Мбит/сек трасмиссию. Сеть практически готова. Осталось самое интересное.
Это взаимодействие с существующей 2G/3G сетью.
Мы понимаем, что все наши абоненты с разными телефонами находится в сетях 2G/3G, им нужно собщить о новой сети и дать им работать. У телефона, особенно в LTE, есть два состояние – Idle (когда телефон находится в режиме ожидания), он внимательно слушает сеть, показывает на экране уровень сети в палках и показывает текущую техглогию как G – GSM. E-EDGE, 3G – 3G, H – HSDPA. H+ — HSDPA +, 4G – LTE. Второй режим active в котром осуществляется передача данных. В 3G это может быть голос или данные, в 4G сегодня только данные. Самое первое, что нам нужно это стратегия распределения трафика.
Для обеспечения перехода между технологиями, как и внутри технологий мы прописываем соседей. На этом этапе мы сообщаем базовой станции, что вокруг нее находятся другие базовые станциию. После чего, эта информация транслируется в мобильную станцию и мобильная станция сканирует частоты, которые ей сообщаются из сети. Когда мы вкючаем мобильный телефон, он находит сеть например 3G, он в ней регистрируется. После чего информация о других сетях транслируется на сети (обозначена зелеными стрелочками на картинке с левой стороны, idle mode). Если мобильный телефон поддерживает LTE FDD или TDD, то он переходит на нее. У TDD приоритет выше, поэтому если одновременно работают две LTE TDD и FDD, то телефон перейдет на TDD. Таким образом, все телефоны, которые поддерживают сеть LTE переходят в нее и остаются там в Idle режиме, слушая сеть. Из LTE обратно в 3G телефон может вернуться если ухудшается уровень сигнала. Пока уровень сигнала в LTE остается удовлетворительным, перехода в 3G не произойдет. Все взаимодействие с GSM происходит только через 3G. Телефон не может перейти с LTE на 2G, он перейдет на 3G и только оттуда в GSM, если необходимо. Сегодня переход из TDD в FDD и наоборот поддердивается сетью, но он не поддерживается мобильными телефонами. Есть только один Самсунг, который у нас в сети выполняет этот переход, но это скорее исключение. Теперь кратко рассмотрим поведеине телефона/сети при передаче данных. Если Ваш телефон что-то скачивает из сети, то он переходит в active mode. Система выделяет ему ресурсы, определенное колличество radio bearer, выбирается наиболее подходящая модуляция и схема кодирование. Телефон получает ресурсы по очень простому принципу – если телефон скачивает и происходит переполнение буфера, то количество ресурсов увелисивается… и т.д. пока не будет выбран какой-то оптимум. Так как LTE работает во всей полосе частот, которая выделена, то на границах сот может возникать интерференция, когда одна и та же частота назначается на соседних секторах. Для предотвращения потери качества существуют механизмы контроля и предотвращения. При деградации уровня или качества сигнала сеть начинает выдять телефону временные промежутки для измерения соседних технологий. Если телефон находит в списке соседей соседа с хорошом уровнем, он с сообщает об этом в сеть и начинается подготовка к handover. Сеть LTE сообщает в 3G, 3G готовится к приему этого абонента и по команде от сети мобильная станция переходит на выделенный для нее ресурс в 3G. Передача данных продолжается уже в сети 3G, после некоторой незначительной задержки (1-3 сек.). Обратно во время активной сессии телефон в 4G вернуться уже не может, он туда вернется как только сессия закончится и телефон окажется в Idle mode. (На картинке справа нет зеленых стрелочек). Теперь самое интересное. Голос. Практически ни одна современная LTE сеть не передает голос. Есть несколько сетей в мире, но это исключение. Объяснение очень простое: это не нужно с коммерческой точки зрения. Для того чтобы голос передавался, кстати, это называется VoLTE (Voice over LTE) нужна IMS платформа, как показано на картинке.
Но реальность такова, что для этого нужно инвестировать несколько миллионов долларов и получить взамен абсолютно ничего. Передача голоса в LTE не несет никаких преимуществ перед передачей голоса в 3G, более того сети 3G гораздо более развиты и там меньше вероятность обрывов. Поэтому операторы используют CSFB (Call Setup Fall Back). Эта функция позволяет отправить мобильную станцию в 3G при входящем или исходящем вызове. Как это работает, например мобильая станция находится в зоне LTE, приходит пейджинг, когда сеть отправляет запрос с номером мобильной станции и типом сервиса. Если тип сервиса голосовой, то немедленно начинается процедура handover в сеть 3G. Мобильная станция сканирует соседей, находит подходящего, сообзает об этом в сеть 3G и вызов подклюяается в 3G. Аналогичная процедура и на исходящие вызовы. Первичная сигнализация идет через LTE и звонок уже соединяется в 3G. В последнее время многие говорят, что это мол очень долго. Я специально выкладываю результаты нашего тестирования. Baseline – нормальное время установки соединения между двумя мобильными телефонами в сети 3G. MO – Mobile originated – исходящий с мобильного телефона, MT – Mobile Terminated входящий на мобильный телефон в сети 4G.
Как мы видим, время установления соединения увеличиватся примерно на одну секунду и на пару секунд если оба телефона находится в LTE. К сожалению, не все попытки успешны. Есть вероятность, что входящий вызов до Вас не дойдет. Такова жизнь. Сообщения SMS и MMS передаются внутри LTE и не требуют возврата в 3G.
Таким образом, что мы имеем. Вся передача данных осуществляется в сети 4G для совместимых телефонов, когда есть покрытие этой сети. Передача голоса пока идет через существующие 3G сети. Запуск осуществляется на текущих площадках с переиспользованием инфраструктуры. Скорость до конечного польхователя зависит от плосы в эфире, радиоусловия, трасмиссии до сайта и конечно же количества одновременных пользователей.
Теперь самое интересное, как же это выглядит у оператора. Все операторы анализируют статистику на сети. Без нее невозможно понять что происходит на сети. Внизу приведена понедельная статистика по передаче данных на одном из участков сети. Что мы видим, с января месяца 2012 года (начало графика) до октября месяца траффик стабильно растет, черный график соответсвет зеленому, составляющей 4G нет. С начала октября 2012 года зеленый график замедляет рост, выходит практически на плоский участок, при неспадающем росте черного графика. Общий объем переданных данных на сети продолжает расти. С января 2012 года, до января 2013 года траффик вырос почти в четыре раза, но теперь рост трафика осущетвляется за счет LTE. Все новые телефоны уже поддерживают 4G и трафик мигрирует туда.
P.S. В Октябре 2012 года состоялась мировая премьера iPhone5, который поддерживает LTE. Это справоцировало бурный рост LTE трафика и подтолкнуло других производителей.