Počátky LTE můžeme oprávněně spatřovat v Release 8, která byla vydána z kraje roku 2008 a v mnoha ohledech navazovala na Release 7, zejména rozšířením modulačního schématu 64QAM do použití s MIMO anténami a pak dual-carrier HSPA, DC HSPA, kdy lze pro přenos dat přes HSPA využít dva přenašeče a tedy fakticky zdvojnásobit poskytovanou rychlost (nikoliv kapacitu). Až potud je Release 8 jen logickým vývojem Release 7.
Již v rámci Release 7 vznila Studie proveditelnosti, která měla ověřit vývoj směrem k tomu, co se později nazvalo LTE. Vznikl něco jako rámec, zásady - snůška toho, co bychom my, lidé od počítačů, asi považovali za samozřejmé, ale telekomunikačním harcovníkům to přišlo jako hereze. V rámci LTE totiž měl vzniknout výhradně IP provoz. Pamatujeme si jistě, že klasická 3G/UMTS sít operovala ve dvou režimech: okruhově a paketově spínaném, mezi což se snažila vsunout IP Multimedia Subsystem, který měl schizma pocházející ze současného provozu dvou protichůdných technologií nějak zaintegrovat. V rámci Feasibility study se mimo jiné ukázalo, že nejlepším východiskem z dualistického schismatu je oprostit se od jednoho a neb data jsou cloumák, přidržet se dat - a tedy celé LTE postavit nad IP technologií, jako paketově spínanou sít.
System Architecture Evolution (SAE) a Evolved Packet Core (EPC) v rámci LTE sítí
Jedním z pojmů, ke kterému bychom se v rámci LTE sítí měli prokousat v první řadě, je tandem SAE - EPC. Občas se doslechnu, že jde o synonyma. Nejde, i když si to nadále můžete myslet, není to velká chyba. Když se přemýšlelo o dalším vývoji mobilních sítí v rámci 3GPP konsorcia, přemyšlování šlo i do jádra sítě, tedy do toho, co jsme si v UMTS sítích uvykli označovat za Core Network.
I tady by se mohlo ledasco změnit, soudili moudří pánové a začalo se zkoumat, co. Tak vznikl pracovní úkol (Work Item) v rámci 3GPP nazvaný System Architecture Evolution, jehož úkolem bylo zamyslet se nad tím, jak by jádro sítě mělo být do budoucna koncipováno zejména s ohledem na zvyšování přenosových rychlostí, nárůst kapacity, optimalizaci odezvy a pokles významu telefonních služeb i obecnou propojitelnost systémů. Výsledkem těchto úvah byl návrh Evolved Packet Core (EPC). A to je také vztah mezi SAE a EPC - zatímco SAE je systém požadavků, EPC je jednou z odpovědí na tyto požadavky (a jediným standardem v rámci 3GPP). I proto jsme si uvykli považovat SAE a EPC za synonyma, dnes ovšem převažuje správné pojmenování EPC, zatímco SAE se používá ve starší literatuře, která vznikala v době, kdy se teprve úkol SAE rozpracovával. Ještě si připomeňme, že EPC se stalo součástí 3GPP standardu v Release 8.
EPC je již dosti plochá struktura založená na IP protokolu a na tom, že co není potřeba centralizovat, jest decentralizováno. Důležité je tedy zejména ono rozšíření podpory IP vrstvy na všechny strany, moderně řečeno end-to-end. Už není žádný výstup do okruhového spínání, jak jej zajištovalo v 3G IMS respektive samotná okruhově spínaná doména. S čímž souvisí také to, že přenos hlasu se v rámci LTE dostal poněkud na vedlejší kolej, počítalo se s ním spíše v rámci další specifikace a také vznikl mechanismus vypuzení hlasového hovoru zpět do WCDMA/2G sítě (fallback) - což UMTS k vlastní škodě nemělo. Je třeba říct, že odříznutím hlasu si LTE ušetřilo hodně práce a také hodně starostí, na druhou stranu si očekávání příchodu hlasu přes VoIP (pamatujme si zkratku VoLGA - Voice over LTE via Generic Access) logicky vynutilo řízení kvality přenosu dat přes QoS - místy se celému mechanismu řízení datového toku také říká Quality of Experience, QoE.
Na obrázku je vidět zjednodušení architektury i datových toků, jehož se dosáhlo při přechodu z konstrukce Core Network (Jádra sítě) u UMTS/3G k Evolved Packet Core. Autorem obrázku je Motorola.
Důležitým bodem pro EPC je důsledné oddělení roviny přenosu dat a obslužných informací, čímž se redukují prodlevy v přenosu dat (snižuje latence).
S tím souvisí další významná změna týkající se řízení přístupu a účtování služeb. Ta byla v konceptech 2G/3G sítí spojena s konkrétní mobilkou (UE) a její autentizací do sítě. Nově se uplatňuje všeprostupující komponenta Policy and Charging Rules Function (PCRF), který transparentně kontroluje a řídí všechny datová spojení a navazuje je na patřičné účtovací mechanismy. To umožňuje mnohem větší kreativitu stran účtování, jehož základem už nutně nemusí být SIM karta nebo objem přenesených dat či čas - například lze účtovat stažení jednoho URL.
Co všechno se stalo součástí EPC? Vlastně všechno, co není v rámci rádiového rozhraní E-UTRAN.
EPC obsahuje následující komponenty:
- Serving Gateway (SG-W) - Obslužná brána
- Packet Data Network (PDN) Gateway (PGW) - Brána sítě paketových dat
- Mobility Management Entity (MME) - Entita správy mobility
- Policy and Charging Rules Function (PCRF) - Funkce pravidel přístupu a účtování
Zatímco SGW, PGW a MME byly poprvé představeny v rámci 3GPP Release 8, PCFR pochází již z předchozí Release 7, ale příliš se neuplatňovala a převažoval původní koncept autentizace mobilky. Od Release 8 je začlenění PCRF a jeho interoperabilita s bránami EPC a MME povinná a bez ní není možné v LTE fungovat.
Na obrázku je vidět schéma LTE sítě s EPC, klasickou GSM/UMTS sítí a sítí CDMA.
SGW
Obslužná brána je rozhraním mezi jednotlivými eNodeB a samotným jádrem sítě, konkrétně rozhraním k PGW, bráně sítě paketových dat. Pokud se uživatel pohybuje mezi eNodeB, pořád vstupuje do jádra sítě přes stejnou SGW (což může ovšem znamenat i to, že jich více v síti není) - tomu se říká Mobilní Kotva. Mobilní ukotvení je důležité při výstupu do ne-LTE sítě, jako jsou 2G/3G, kde SGW zprostředkovává mobilní rozhraní, nebo při přerušení připojení třeba za pohybu.
SGW má na starosti uživatelskou rovinu přenosu dat a je také zodpovědná za handovery mezi sousedními eNodeB. Monitoruje a spravuje si kontext informací spojených s mobilkou během klidového režimu a je zodpovědná za vyvolání mobilky, když pro ni dorazí data (někdo ji volá, sestavuje se směrem k ní datové spojení. A samozřejmě i v případě, když spojení k mobilce je přerušeno, je starostí SGW zreplikovat uživatelský přenos dat.
PGW- Brána sítě paketových dat
Brána sítě paketových dat (PGW) je koncovým bodem pro paketová data přenášená v rámci sítě paketových dat, technicky řečeno ukončuje SGi rozhraní vůči PDN. Pokud mobilka přistupuje do více paketových sítí, činí tak přes více PGW, ovšem s tím omezením, že není podporováno simultánní připojení přes S5/S8 a Gn/Gp, tedy simultánní komunikace mezi sítěmi 3GPP a ne-3GPP. Česky řečeno, nemůžete v jednu chvíli používat přístup přes LTE a přes WiMax, otázka by také mohla znít, proč byste tak měli chtít činit.
V rámci PGW je uskutečňováno řízení přístupu, filtrování paketů pro uživatele, účtování a za tím účelem kontaktuje PCRF, aby zjistilo, jaké oprávnění konkrétní uživatel má a předávalo zúčtovací informace. PGW odpovídá entitě GGSN v architektuře pre-Release8.
MME - Mobile Management Entity
Tento prvek jádra sítě dostal mystický přídomek entity - entita. Proč? Protože jde o další (a vlastně klíčový) všeprostupující prvek sítě LTE, který má na starosti řízení mobilního provozu. Stará se o signalizační a řídící funkce důležité pro připojení mobilky (UE) do sítě, přidělení zdrojů sítě a řízení mobility mobilky v síti, tedy o vyvolávání mobilky (paging), roaming a handover. MME se stará o všechny funkce řídící úrovně vztažené ke správě uživatelů a připojení (sessions). Kvůli tomu mu podléhají všechny základnové setanice eNodeB a to je také základní odlišnost LTE proti konceptům 2G/3G sítí, kde se o to starala platforma RNC/SGSN.
Mezi hlavní funkce MME patří:
- bezpečnostní postupy, především autentikace koncového uživatele, iniciace a sjednávání šifrování i integrita ochranných algoritmů.
- řízení sezení (sessions) mezi mobilkou a sítí, týká se to všech signalizačních procedur používaných k sestavení paketového datového konextu a vyjednání s tím souvisejících parametrů, jako je QoS.
- Management polohy mobilky ve stavu Idle: sledování jejího pohybu v oblasti a aktualizační proces, díky němuž může být mobilka sítí vyvolána a sestaveno příchozí spojení.
Policy and Charging Rules Function (PCRF) - Funkce pravidel přístupu a účtování
Už víme, že PCRF bylo představeno jako shrnující funkce pro účtování a řízení přístupu ke službám v Release 7, kde shrnulo Policy Decision Function (PDF) a Charging Rules Function (CRF) z předchozích dvou release. Důvodem tohoto sjednocení nebyla ani tak rychlost (na tu to vliv vlastně nemá), ale potřeba vyřešení řízení přístupu a účtování k sítím mimo 3GPP standard, například WiFi, WiMax či CDMA2000. Aplikační Funkce (AF) je dalším síťovým elementem, který má na starosti podporu aplikací vyžadujících dynamická oprávnění a/nebo kontrolu účtování. V modelu IMS zastupoval Aplikační Funkci Proxy Call Session Control Function (P-CSCF).
Tok dat v rámci LTE
Když už jsme se ponořili do jádra sítě, podívejme se tedy ještě pro jistotu, kudy všudy data z mobilky (UE) v rámci LTE sítě putují, abychom také pochopili, kde mohou být zádrhele a jejich neoblíbená forma zvaná zpoždění.
- rádio mezi UE a eNodeB
- datový nosič mezi eNodeB a SGW (S1)
- datový nosič mezi SGW a PGW (S5)
Na obrázku je to vidět o něco názorněji (autor nákresu je Alcatel):
Je třeba znovu a důrazně si připomenout, že EPC je velmi významná změna (ne-li nejvýznamnější) v přístupu k mobilním komunikacím, v níž okruhové spínání plně nahrazuje spínání paketové, tedy dochází k implementaci přístupu All-IP.
Mnoho diagramů rozkresluje EPC jako velmi plochou entitu a cudně zamlčuje, že řada krabiček tam prostě musí být, pokud chcete účtovat, autentizovat a provádět další úkony, které jsou z hlediska uživatele pravda často zbytné, ale z hlediska provozovate podstatné. Jsou rovněž definovány přechodové mechanismy umožnující soužití mezi 2G/3G a LTE, což jste z nákresu asi vypozorovali.
Tak a to je asi všechno, co byste si v kostce a stručnosti měli o jádru LTE sítě pamatovat.
