Agenda. 1. Ewolucja GSM -> UMTS 2. Założenia LTE 3. Protokoły 4. E-UTRAN 5. EPC elementy, zadania, funkcje

Transkrypt

1 LTE jak to działa? Marcin Aronowski Consulting Systems Engineer 1

2 Agenda 1. Ewolucja GSM -> UMTS 2. Założenia LTE 3. Protokoły 4. E-UTRAN 5. EPC elementy, zadania, funkcje 4

3 Agenda 1. Ewolucja GSM -> UMTS 2. Założenia LTE 3. Protokoły 4. E-UTRAN 5. EPC elementy, zadania, funkcje 5

4 Ewolucja sieci komórkowych WiMAX IS- 95 1xRTT EV- DO RevA EV- DO RevB UMB Voice Data (9.6-56k) Voice 2x Cap Data (144k) Data (DL 2.4M) Multi-Carrier Data (14.7M) LTE LTE- Adv Data Only (DL/UL 100/50M) 3G R99 HSDPA HSUPA HSPA+ Voice (DL/UL 384/384k) Optimized DL (14.4M) Optimized UL (5.7M) MIMO, up to 256QAM (DL/UL 42/11M) GSM GPRS EDGE e- EDGE Voice Data (9.6-56k) Data (DL/UL 20/80k) Enhanced Modulation (DL 384k) (DL 1Mbps) <

5 Ewolucja architektury sieci Na)onal GGSN GGSN GGSN PGW Regional Market SGSN FR/TDM SGSN Server/ SGSN SGSN Server/ SGSN SGW MME MSC BSC TDM MSC RNC ATM MSC RNC BTS NB NB enb 2G/2.5G 3G UTRAN 3.5G UTRAN LTE E-UTRAN

6 Na początku. Bezprzewodowy ISDN (aka GSM) Home Location Register (HLR) Service Control Point (SCP) Mobile Station Base Transceiver System (BTS) Base Station Controller (BSC) Mobile Switching Center + Visitor Location Register (MSC/VLR) Architektura zorientowana na usługach głosowych Transport oparty o TDM

7 ruch danych był przełączany jak głos GSM Phase 2 (około 1996) dodało wsparcie dla Circuit Switched Data - całe 9.6 kbit/s J High Speed CSD dodało możliwość połączenia wielu szczelin czasowych dla uzyskania większej przepływności Modified V.110 Modem Interworking Function (IWF) 3.1 khz audio or V110 64k UDI BSC MSC

8 .. a w końcu dospawano do tego General Packet Radio System BTS BSC MSC/VLR Gateway MSC Packet Control Unit (PCU) Serving GPRS Support Node (SGSN) Gateway GPRS Support Node (GGSN) Relay SNDCP SNDCP GTP GTP LLC Relay LLC UDP UDP RLC RLC BSSGP BSSGP MAC Relay MAC Nw Services Nw Services L2 L2 GSM Radio GSM Radio 64 kbps 64 kbps L1bis L1bis L1 L1

9 GPRS typowe parametry usługi Round Trip Time pomiędzy 700ms a 1000ms Przerwa w transmisji pamiędzy 2 a 8 sekund w przypadku zmiany komórki (do 20 sekund w przypadku zmiany Routing Area) Przepływności rzędu 40 kbps è Aplikacja ograniczona do wąskiego zakresu zastosowań

10 3GPP UMTS Pierwszy krok w stronę sieci all Nowa technologia dostępu radiowego pozwalająca na większe przepływności (na początku było to 384 kbit/s) Sieć szkieletowa w zasadzie bez zmian w stosunku do 2.5G Migracja do ATM w sieci transportowej 3G MSC PSTN Node B 3G RNC ATM/AAL2 ATM/AAL5 3G SGSN GGSN

11 To były czasy ciekawych pomysłów ;) 13

12 Sieć 3G architektura części pakietowej Iu-ps Gn/Gp NodeB Radio Network Controller (RNC) 3G SGSN GGSN PDCP RLC PDCP RLC GTP-U UDP GTP-U UDP GTP-U UDP GTP-U UDP MAC WCDMA Radio WCDMA Radio Frame Protocol AAL2 ATM MAC AAL2 ATM AAL5 ATM AAL5 ATM L2 L1 L2 L1

13 Agenda 1. Ewolucja GSM -> UMTS 2. Założenia LTE 3. Protokoły 4. E-UTRAN 5. EPC elementy, zadania, funkcje 15

14 LTE założenia technologiczne Wysokie przepływności 100 Mbps DL (20 MHz, 2x2 MIMO) 50 Mbps UL (20 MHz, 1x2 MIMO) 5 bps/hz w DL, 2.5 bps/hz w UL Efektywne wykorzystanie częstotliwości 3-4x HSPA Rel 6 w DL 2-3x HSPA Rel 6 w UL Małe opóznienia < 5ms user plane (UE do brzegu RAN) <100ms idle do active Redukcja Capex/ Opex Otwarty standard Płaska architektura oparta o Interworking - UMTS/GSM/EvDO MulHcast/Broadcast Quality of Service 9 klas QoS mapowanych do DSCP Ścisłe powiązanie pomiędzy ruchem Użytkownika a parametrami sieci. Elastyczna alokacja pasma 1.4, 3, 5, 10, 15, 20 MHz 16

15 All- Poprzednie generacje wykorzystywały architekturę stworzoną dla usług głosowych do przesyłania danych ITU-Advanced 4G mówi o przepływnościach do 1Gbps Wzrost przepływności powoduje wzrost złożoności terminali WCDMA Complexity O(Bandwidth x Multipath Spread) 2 OFDMA Complexity O(Bandwidth x Multipath Spread) Zdecydowano, że sieci 4G będą sieciami all- opartymi o OFDMA/SC-FDMA w interfejsie radiowym

16 Rewolucja LTE Radio (Evolved UTRAN - EUTRAN) - Udoskonalenie efektywności widmowej, przepływności dostępnej dla użytkowników i opóźnieniach - Uproszczenie sieci radiowej - Efektywne wsparcie dla usług pakietowych Szkielet (Evolved Packet Core - EPC) - Udoskonalenia w opóźnieniach, pojemności, przepływności i ilości transakcji - Uproszczenie sieci szkieletowej - Optymalizacja dla usług danych - Wsparcie dla różnych sieci dostepowych

17 Evolved Packet System / System Architecture Evolution EPS Network E- UTRAN Evolved Packet Core - EPC 19

18 LTE ApplicaHon QoS Requirements (3GPP TR V8.1.0 ) QCI Value Resource Type Priority Delay Budget (1) Error Loss Rate (2) 1 (3) ms 10-2 Conversational Voice Example Services 2 (3) ms 10-3 Conversational Video (Live Streaming) GBR 3 (3) 3 50 ms 10-3 Real Time Gaming 4 (3) ms 10-6 Non-Conversational Video (Buffered Streaming) 5 (3) ms 10-6 IMS Signalling 6 (4) ms 10-6 Video (Buffered Streaming) TCP-based (e.g., www, , chat, ftp, p2p file sharing, progressive video, etc.) 7 (3) Non-GBR ms (5) 8 9 (6) ms 10-6 Video (Buffered Streaming) TCP-based (e.g., www, , chat, ftp, p2p sharing, progressive download, etc.) 20

19 Agenda 1. Ewolucja GSM -> UMTS 2. Założenia LTE 3. Protokoły 4. E-UTRAN 5. EPC elementy, zadania, funkcje 21

20 All ale tylko na warstwie 3 ;) W warstwach wyższych pojawia nam się większa różnorodność UDP TCP SCTP GTPv2 Diameter PMiPv6 22

21 SCTP RFC 4960 (wcześniej RFC 2960 i 3309) Zaprojektowany do niezawodnego przenoszenia wiadomości sygnalizacyjnych (SIGTRAN) Wspiera mul)homing 23

22 Diameter! RFC 6733 (wczesniej RFC 3588 i 5719) Nowszy, lepszy Radius ;) ! ! ! Version Message Length! ! Command Flags Command Code! ! Application-ID! ! Hop-by-Hop Identifier! ! End-to-End Identifier! ! AVPs...! ! AVP Code V M P r r r r r AVP Length Vendor-ID (opt) Data

23 Agenda 1. Ewolucja GSM -> UMTS 2. Założenia LTE 3. Protokoły 4. E-UTRAN 5. EPC elementy, zadania, funkcje 25

24 Evolved Packet System Network EPS Network E- UTRAN Evolved Packet Core - EPC 26

25 Rola enodeb Zarządzanie zasobami radiowymi Pomiary raportowanie na potrzeby mobilności Kolejkowanie i transmisja wiadomości Funkcjonalnie, enodeb zachowuje się jak bridge pomiędzy UE a EPC Wybór MME oraz load balancing Wykonuje (de)szyfrowanie ruchu użytkownika Przesyła ruch użytkownika do wybranego SGW 27

26 E-UTRAN interfejs radiowy Zadbano aby EUTRAN efektywnie wykorzystywał dostępne pasmo radiowe Downlink: Orthogonal Frequency Division Mul)ple Access (OFDMA) Uplink: Single Carrier Frequency Division Mul)ple Access. Zmienna modulacja (QAM, 16 i 64 QAM) Mul)ple Input Mul)ple Output (MIMO) 28

27 E-UTRAN modulacja adaptacyjna UE mierzy jakość w kierunku w dół i sygnalizuje ją do enodeb poprzez Channel Quality Indicator (CQI). enodeb decyduje który schemat modulacji użyć w oparciu o informacje o jakości parametrów radiowych 29

28 enodeb stos protokołów 30

29 Agenda 1. Ewolucja GSM -> UMTS 2. Założenia LTE 3. Protokoły 4. E-UTRAN 5. EPC elementy, zadania, funkcje 31

30 Evolved Packet System Network EPS Network E- UTRAN Evolved Packet Core - EPC 32

31 MME - zadania NAS - Sygnalizacja i bezpieczeństwo Autentykacja i autoryzacja Zbrawdzanie terminali w bazie EIR Zarządzanie profilem usługi Zarządzanie mobilnością Bearer management Wybór SGW, PGW, MME oraz SGSN Roaming Lawful Interception dla ruchu sugnalizacyjnego S-TMSI 33

32 SGW - zadania Jest punktem zaczepienia dla sieci radiowej EUTRAN S5/S8 (GTP lub PM) Punkt zakotwiczenia dla Inter-eNodeB handover Inter-3GPP handover (w przypadku S4) Przesyłanie ruchu użytkowników do odpowiedniego PGW Lawful Intercept Charging Bearer Binding & Event Reporting Function (BBERF) 35

33 PGW - zadania Punkt zakotwiczenia Accounting Autoryzacja i autentykacja - Radius/ Diameter Działa jako Policy and Charging Enforcement Function (PCEF) Analiza ruchu użytkowników Lawful Interception 37

34 Security Gateway 39

35 Usługi głosowe w LTE CSFB Circuit Switch Fall Back VoIMS Voice over IMS 40

36 41

37 References 1. 3GPP (Standards) 2. Cisco SP Mobile community Cisco Mobile Packet Core portfolio 4. Design for Mobile Networks Cisco Press (By Mark Grayson, Kevin Shatzkamer, Scott Wainner) 5. LTE Security, Wiley (Author Dan Forsberg and others) 6. NGMN (White paper on Gateways, backhaul, security) 7. 4G Americas (Whitepapers) 8. ETSI Studies on latency requirements for M2M applications 9. Global Certification Forum Testing mobile devices White paper on Latency Improvements in LTE NGMN publications on backhaul bandwidth planning, M2M etc 42