Vysielanie LTE

Long Term Evolution (LTE) je pojem, ktorý sa v poslednom období často skloňuje v rôznych formách a s istotou sa stáva bežnou súčasťou technickej terminológie v oblasti komunikácií a komunikačných technológií. Je preto načase objasniť základné princípy, funkčnosť a štruktúru LTE site a technológie LTE, ako aj úžitok, ktorý prináša koncovým používateľom.

LTE technológia je celosvetovo vnímaná ako primárna vrstva mobilnej komunikačnej siete poskytujúca vysokorýchlostné komunikačné (najmä dátové) služby. Viaceré už existujúce mobilné siete, založené na 2G a 3G technológii, sa s príchodom LTE a jeho masívnym nasadzovaním v mobilných sieťach všetkých operátorov stávajú zastaranými. Napriek tomu však potrvá niekoľko rokov, kým bude LTE jedinou nosnou vrstvou mobilných komunikačných systémov a celkom nahradí existujúce 2G a 3G technológie, s ktorými momentálne spolupracuje a tvorí jeden celok.

Požiadavky na neustále sa zvyšujúce prenosové rýchlosti, vyššiu kapacitu, vyššiu priepustnosť, nižšie oneskorenie, efektívnejšie využitie frekvenčného spektra a vyššiu flexibilitu naplnili potrebu odchýlenia sa od vnútorných limitácií systému UMTS (ako aj mnohých jeho vývojových línií), okrem iného aj od rádiového rozhrania založeného na CDMA. LTE zabezpečuje poskytovanie širokopásmového mobilného pripojenia najmä podporou:

• prenosových rýchlostí, ktoré sú približne o rád vyššie v porovnaní s predchádzajúcimi technológiami využívajúcimi jednu nosnú frekvenciu (teoreticky 300 Mbps downlink a 50 Mbps uplink v LTE v porovnaní so 14 Mbps downlink a 5,76 Mbps uplink v systéme UMTS HSPA);
• prenosových časov (zmenšením oneskorenia), ktoré sú v porovnaní s oneskorením v 3G sieťach opäť o rád kratšie (5 ms pre dáta a pod 40 – 50 ms pre signalizáciu);
• prísnej kontroly kvality služieb (QoS) pre všetky používateľské dátové toky s možnosťou spojenia tejto kontroly s rôznymi systémami spoplatňovania.

V protiklade s okruhovo prepájaným modelom predchádzajúcich bunkových systémov mobilných telekomunikačných sietí, bol systém LTE navrhnutý s cieľom podporovať iba paketovo prepájané služby. Jeho cieľom je zabezpečiť bezproblémové IP (Internetový Protokol) prepojenie medzi koncového zariadenia používateľa a paketovou dátovou sieťou (PDN - Packet Data Network) bez akéhokoľvek prerušenia spojenia, a to aj počas pohybu koncového používateľa. K umožneniu poskytovania takýchto služieb vo výraznej miere prispieva aj zjednodušená architektúra siete LTE (obr. 1).

Obr. 1 Zjednodušená architektúra siete LTE

Systém LTE pozostáva z dvoch základných logických častí: E-UTRAN (Enhanced-Universal Terestrial Radio Access Network) a EPC (Evolved Packet Core), ktoré vytvárajú systém charakterizovaný svojou jednoduchosťou, hierarchickou štruktúrou s možnosťou rozšírenia a efektívnosťou konštrukcie optimalizovanou na podporu poskytovania služieb IP v reálnom čase.

Rádiovú prístupovú sieť možno charakterizovať ako sieť pozostávajúcu zo základňových staníc – eNB (Evolved NodeB), ktoré sa vyznačujú najmä podporou modulácie OFDMA a pokročilých anténových techník (MIMO), ktoré tvoria základy výkonnosti celého systému. Každé eNB má svoju vlastnú IP adresu, čím sa stáva súčasťou IP siete. Zjednodušenie E-UTRAN architektúry sa prejavilo v odstránení RNC (Radio Network Controller), ktoré boli súčasťou predchádzajúcich generácií mobilných sietí. Funkcionalita RNC bola v LTE rozdelená medzi eNB a EPC. LTE eNB preto spolupracuje na vykonávaní funkcií ako napr. odovzdanie hovoru (handover), alebo potlačenie rušenia.

Napriek tomu, že aj na strane EPC možno vidieť paralely s packet core sieťou 3GPP UMTS, EPC nastolilo výraznejší odklon od pôvodnej packet core architektúry zaužívanej v sieťach 2. a 3. generácie. Zmena architektúry umožňuje výrazný nárast prevádzky, vyššie prenosové rýchlosti, menšie oneskorenie a v neposlednom rade podporu spolupráce s rôznymi bezdrôtovými prístupovými technológiami.

Architektúra EPC

EPC je základnou časťou systému LTE. Predstavuje jednotný IP systém navrhnutý za účelom:

• oveľa vyšších prenosových rýchlostí,
• neporovnateľne menšieho oneskorenia,
• optimalizácie toku paketov v rámci všetkých druhov operačných scenárov, ktoré prichádzajú do úvahy z hľadiska využívania dostupnej šírky prenosového pásma a systémami spoplatňovania,
• výhradnej podpory techník viacnásobného rádiového prístupu kvôli zachovaniu spojenia a služieb aj počas pohybu koncového používateľa,
• zvýšenia celkovej kapacity a výkonnosti systému.

Architektúra EPC je zjednodušená do tej miery, že na zabezpečenie jej funkcionality postačuje 5 rôznych zariadení:

MME (Mobility Management Entity)

Analogicky s rozdelením používateľskej (user plane) a ovládacej (control plane) vrstvy, ktorú je možné vidieť už v 3GPP rel4, LTE taktiež oddeľuje používaťeľskú a ovládaciu vrstvu v EPC, avšak v oveľa jednoduchšom prevedení. V rámci tohto rozdelenia MME zodpovedá za podporu viacerých funkcií pre správu mobilných zariadení (na úrovni ovládacej vrstvy) a ich relácií a taktiež riadi zostavenie jednotlivých prenosových tunelov na používateľskej vrstve.

S-GW (Serving GateWay)

S-GW je zodpovedná za zachovanie spojenia počas odovzdávania hovoru v rámci toho istého eNB, medzi rôznymi eNB, ako aj medzi rôznymi 3GPP systémami. Funkčnosťou sa S-GW podobá 3G SGSN, avšak neobsahuje funkcie ovládajúce mobilitu a správu používateľských relácií. Jej dôležitou funkcionalitou je okrem iného aj smerovanie paketov medzi P-GW a E-UTRAN.

P-GW (Packet Data Network GateWay)

P-GW pôsobí ako základný smerovač pre používateľské terminály a koncový bod tunelov na používateľskej vrstve pre mobilitu medzi LTE a niektorými prístupovými systémami 3GPP a všetkými prístupovými systémami nepatriacimi do skupiny 3GPP.

HSS (Home Subscriber Server)

HSS je hlavnou databázou obsahujúcou všetky informácie týkajúce sa používateľských profilov, ktoré slúžia na podporu zostavovania a ovládania jednotlivých používateľských relácií.

PCRF (Policy and Charging Control Function)

PCRF je jediným zariadením v sieti zabezpečujúcim kontrolu kvality služieb na základe preddefinovaných pravidiel. Je zodpovedné za formulovanie týchto pravidiel na základe technických detailov o jednotlivých servisných dátových tokoch, ktoré budú poskytovať služby koncovým používateľom a následne tieto pravidlá odovzdáva P-GW, ktorý ich bude uplatňovať.

Rádiová prístupová sieť

E-UTRAN implementuje rádiovú prístupovú sieť LTE ako sieť pozostávajúcu iba z koncových prístupových bodov – eNodeB a používateľských terminálov. Základný rozdiel medzi predchádzajúcou 3G prístupovou sieťou (UTRAN) a LTE prístupovou sieťou (E-UTRAN) je v odstránení centralizovaných uzlov ovládajúcich prístupovú sieť (RNC). Funkcionalita, ktorá bola v predchádzajúcich systémoch poskytovaná centralizovane dedikovanými zariadeniami, je v sieti LTE distribuovaná do jednotlivých koncových uzlov – eNodeB, ktoré sú z tohto dôvodu zodpovedné za:

• riadenie rádiových zdrojov,
• kompresiu hlavičiek IP paketov a kryptovanie používateľských dát,
• plánovanie a prideľovanie zdrojov na rádiovom rozhraní,
• koordináciu odovzdania hovoru susediacim eNodeB.

Všetky doteraz spomenuté fakty nasvedčujú tomu, že technológia LTE bezpochyby zaujme vedúce postavenie v telekomunikačnom priemysle na najbližších niekoľko rokov. Toto postavenie dosiahne najmä vďaka zvýšeniu spektrálnej efektívnosti, zjednodušeniu zavedenia IP služieb v reálnom čase a možnosti integrácie s drôtovými prístupovými systémami, ako aj integrácie so všetkými predchádzajúcimi systémami bezdrôtových prístupových technológií. Každá nová verzia systému LTE je charakteristická najmä jednoduchou, škálovateľnou architektúrou vytvorenou za účelom riadenia a udržania potrebnej kvality poskytovaných služieb v mobilnom bezdrôtovom prostredí, s ohľadom na nepomerne vyššie prenosové rýchlosti.