Протоколы доступа LTE E-UTRAN. Часть 2*

К протоколам второго уровня (канального) относятся MAC, RLC и PDCP (см. рис. 1). Протокол сведения пакетных данных (PDСP — Packet Data Convergence Protocol) обеспечивает передачу данных, сжатие заголовка по алгоритму RoHC, шифрование на плоскости пользователя и управления, а также защиту целостности на плоскости управления.

Рис. 1. Протоколы канального уровня

Протокол управления соединением в радиоканале (RLC — Radio Link Control) производит сегментацию, объединение и коррекцию ошибок с помощью ARQ в режиме с подтверждением.
С помощью протокола управления доступом к среде (МАС — Medium Access Control) сигналы логических каналов преобразуются в транспортные, выполняется мультиплексирование и демультиплексирование логических каналов в транспортные блоки, распределение ресурсов, коррекция ошибок с помощью HARQ, выбор формата транспортировки.
В таблице 1 приведены идентификаторы E-UTRAN, с помощью которых производится распознавание абонентского оборудования и других элементов сети.
Функция ARQ выполняет коррекцию ошибок путем повторных передач на канальном уровне в режиме с подтверждением. Функция HARQ выполняет передачу между равноправными устройствами на физическом уровне.

Перечень параметров, которые должны быть измерены на оборудовании пользователя для сохранения мобильности между ячейками, устанавливается сетью. В режиме RRC_IDLE применяются установки по умолчанию, рассылаемые широковещательно. В режиме RRC_CONNECTED использу-ется конфигурация параметров, заданная на уровне eNB и записанная в сообщение RRCConnectionReconfiguration. Список параметров приведен в таблице 2. На абонентский терминал поступает инструкция от eNB о том, как проводить измерения в соседней ячейке.

Качество обслуживания (QoS) в сети LTE характеризуется следующими параметрами: QCI, ARP, GBR и AMBR. Первые две величины применяются для каналов EPS.
QCI — QoS Class Identifier — идентификатор класса QoS. Определение неспецифичных параметров, используемых для управления пересылкой пакетов на уровне потока (весовые коэффициенты распределения, пороговые значения, управляющие пороговые значения очередности, конфигурация протоколов соединения слоев, т.д.), начинается с задания класса качества обслуживания. Он устанавливается заблаговременно оператором, владеющим узлом.
ARР — Allocation and Retention Priority — приоритетность назначения и удержания каналов. Этот параметр используется для решения, принимать ли запрос об установлении или изменении канала. Он также учитывается при выборе потока, который будет прерван в случае, если не будет хватать ресурсов сети (т.е. при хэндовере — смене базовой станции без прерывания сессии).
Каждый канал GBR дополнительно связан со следующими параметрами QoS:
– гарантированная скорость передачи (GBR) — скорость передачи, которая обеспечивается потоком GBR;
– максимальная скорость передачи (MBR).
Для точек доступа APN качество обслуживания зависит от APN-AMBR — общей максимальной скорости передачи для одной точки доступа. Оборудование пользователя в состоянии EMM-REGISTERED характеризуется общей максимальной скоростью передачи на один терминал (UE-AMBR).
Канал EPS/E-RAB — это наименьшая единица для QoS. Внутри канала все SDF обслуживаются одинаково.

Распределение ресурсов передачи в канале общего пользования в обоих направлениях производится на канальном уровне (МАС). Распределитель учитывает объем трафика, требования QoS (GBR, MBR, QCI) и AMBR каждого пользователя и соответствующего потока. Распределитель назначает ресурсы с учетом мгновенных условий в радиоканале (качество канала), которые определяются путем измерений. Этот метод распределения называется зависимым от канала. Качество передачи в нисходящем направлении характеризуется индикатором качества канала CQI.
Моменты времени и частота определения индекса CQI задаются в оборудовании пользователя, причем измерения могут производиться через равные промежутки времени, апериодически, либо по смешанной схеме. При смешанном варианте в одном подкадре могут содержаться два значения, тогда передается только апериодичное. Предусмотрено три типа предоставления CQI:
– широкополосный CQI — позволяет получить информацию о полосе пропускания всей ячейки;
– по выбору абонентского оборудования. Полосу выбирает терминал пользователя. Ресурсы из этой полосы назначаются узлом;
– задается на верхних уровнях. Используется при апериодическом подходе. Инструкции о полосе оборудование пользователя получает из сети.

Для передачи в нисходящем направлении ресурсы сети распределяются динамически на каждом TTI с помощью C-RNTI на PDCCH. Чтобы начать передачу в нисходящем направлении, оборудование пользователя проводит мониторинг канала PDCCH и считывает управляющую информацию (DCI — Downlink Control Information) в поле C-RNTI: тип назначения ресурсов, поразрядная карта отображения, схема модуляции и кодирования (MCS) и коэффициенты для проведения HARQ и управления мощностью передачи. В сообщении о назначении ресурсов указывается, к какому каналу PDSCH и каким образом оборудование пользователя может получить доступ.

Как и в случае передачи в нисходящем направлении, основная задача распределителя в восходящем канале заключается в динамическом распознавании мобильных терминалов, готовых к передаче. В блок распределителя поступает несколько служебных сигналов: запрос на распределение (SR) от пользователя, отчет о статусе буфера (BSR) для логических каналов, требования QoS, приоритетность логических каналов, требования к мощности и т.д. Распределитель присваивает каждой задаче приоритет и тип ресурсов (GBR или нет) на основе QCI. Отчет о статусе буфера содержит размер буфера групп логических каналов. Каждой группе выделяются ресурсы.

Динамическое распределение подразумевает повторную передачу отчетов BSR и запросов SR, чтобы получить дополнительные ресурсы для пересылки данных или предоставления отчетов BSR. Для сетей VoIP такой подход неэффективен, поскольку используется большое количество управляющих сигналов. Вместо него применяется распределение ресурсов с назначением на длительный период (время разговора). Однако при данном подходе ресурсы канала используются неэффективно, поскольку они не освобождаются сразу по окончании передачи, пока не закончится отведенный период.
Третий тип является комбинацией двух предыдущих. По запросу распределителя в начале сеанса в восходящем канале пользователю предоставляется необходимое количество ресурсов передачи. С периодичностью, определенной в RRC, время пользования продлевается до тех пор, пока приходит сигнал подтверждения передачи ACK. Как только будет получен NACK, узел eNB переходит в режим динамического распределения ресурсов для ретрансляции. Когда все пакеты переданы, отведенные ресурсы перераспределяются между другими абонентами.

Механизмы обеспечения безопасности делятся на две большие группы: защита передачи в восходящем направлении и защита сети. Обмен информационными и служебными данными (сообщениями RRC) защищается с помощью таких процедур как шифрование, аутентификация и сохранение целостности сигнала. Кроме того, модуль ММЕ для каждого узла eNB назначает ключи безопасности. Одновременно защитные меры по сохранению целостности сигнала принимаются на уровне NAS. Защита сети подразумевает защиту пользовательских данных и сигналов, передаваемых между E-UTRAN и EPC.

Назначение данной процедуры заключается в обеспечении эффективного использования доступных ресурсов радиоканала. В частности процедура управления радиоресурсами (RRM — Radio Resource Management) в E-UTRAN обеспечивает механизмы управления (назначение, переназначение, освобождение) ресурсов в среде с одной или несколькими ячейками. Это центральное приложение в узле, который отвечает за взаимодействие протоколов RRC, S1AP, X2AP, Uu, S1 и X2 (см. рис. 2).

Рис. 2. Взаимодействие протоколов

Функции RRM:
1. RAC — управление доступом к радиоресурсам. Этот функциональный модуль принимает решение об установлении новых радиоканалов. Управление доступом осуществляется в соответствии с классом QoS, текущей загрузкой сети и набором запрашиваемых сервисов. RAC обеспечивает высокую степень использования ресурсов и приемлемый уровень качества обслуживания для одновременных сессий.
2. RBC — управление радиопотоками. Данный модуль отвечает за установление, поддержание и освобождение радиоканалов. Участвует в процессе окончания сессии, хэндовере и других процедурах.
3. СМС — управление мобильностью соединения. Этот модуль отвечает за распределение ресурсов в режиме ожидания и при наличии соединения. В режиме ожидания он определяет критерии и алгоритмы выбора ячейки, повторного выбора ячейки и регистрации местоположения, которые помогают абонентскому оборудованию найти лучшую базовую станцию. Кроме того узел eNB производит широковещательную рассылку перечня параметров для измерения и формата предоставления отчета. В режиме соединения модуль управляет мобильностью радиосоединения, сохраняя связь при переключении на другую ячейку. Решение о хэндовере принимаются на основе результатов измерений, предоставленных пользователем или узлом. Процедура хэндовера состоит из проведения измерений, их фильтрации и предоставления отчета. Дополнительно могут учитываться такие сигналы как загрузка соседней ячейки, распределение трафика, транспортные и аппаратные ресурсы, политика оператора.
4. DRA — динамическое отведение ресурсов. Распределение пакетов. Задача данного модуля заключается в назначении и изъятии ресурсов для пакетов на плоскостях пользователя и управления. Обычно рассматриваются требования к качеству обслуживания радиоканала, информация о качестве канала, статус буфера, уровень интерференции, а также ограничения, накладываемые ресурсными блоками.
5. ICIC — координация интерференции между ячейками. Эта функция аналогична RRM, но проводится на нескольких ячейках одновременно. Оценивается статус использования ресурсов и загрузка сети на нескольких ячейках.
6. Балансирование нагрузки. Управление неравномерным распределением трафика по нескольким ячейкам так, чтобы, во-первых, ресурсы использовались с максимальной эффективностью, во-вторых, чтобы качество обслуживания выполняемых сессий поддерживалось на максимально высоком уровне и, наконец, чтобы вероятность обрыва соединения сводилась к минимуму. Перераспределение трафика между ячейками может производиться путем повторного выбора ячейки или хэндовера.
7. IRRRM — управление радиоресурсами для обеспечения мобильности при смене технологии радиодоступа (RAT), особенно при хэндовере. Принимаются во внимание не только возможности оборудования пользователя, но и политика оператора, а также наличие ресурсов RAT.

Процедура RRM проводит преобразование параметров профиля подписчика (SPID), полученных по интерфейсу S1, в локально определенную конфигурацию, чтобы применить специфические стратегии RRM (например, определить приоритеты в режиме RRC_IDLE и контролировать хэндовер в режиме RRC_CONNECTED). Величина SPID характеризует профиль мобильности абонента или профиль использования служб.

Стандарты 3GPP LTE нацелены на очень высокую скорость передачи (с MIMO и без, используя эффективность спектра и меньшую задержку в радиосети), обеспечение гибкости использования спектра, бесшовной мобильности соединения и улучшенного качества обслуживания по всей сети IP. В ближайшие несколько лет технология выйдет на коммерческий рынок.
ПО Trillium LTE компании Continuous Computing предназначено для различных составляющих LTE: фемтоячеек (Home eNodeB), пико- и макро-eNodeB, модуля ММЕ усовершенствованного пакетного ядра, обслуживающих шлюзов (SWG), шлюзов обработки пакетных данных (ePDG) и т.д. Протоколы Trillium для eNodeB совместимы с последней версией стандартов 3GPP LTE, что позволяет потребителям быстро создавать инфраструктуру и в кратчайшие сроки выпускать устройства на рынок.
Преимущества и возможности Trillium LTE:
– предустановленное ПО для упрощения процесса проектирования;
– демонстрационные приложения по использованию ключевых интерфейсов LTE, в частности LTE-Uu, S1, S6, S7, S10, X2;
– архитектура Тrillium Advanced Portability (TAPA) для ускорения проектирования и упрощения модернизации устройств в будущем;
– универсальное для всех платформ ПО со встроенной поддержкой основных операционных систем;
– оптимизированные характеристики, отвечающие требованиям сети;
– возможность встраивания в самые современные сетевые решения стандарта LTE.