[09-2023] Эволюция систем мобильной связи

[Admin]

Эволюция систем мобильной связи

ЮРКИН Юрий Викторович,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
ИВАНОВ Данила Алексеевич,
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», факультет «Автоматизация и интеллектуальные технологии», выпускник, Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: LTE, Wi-Fi, 5G, стандарт, сеть, мобильная связь, релиз
Аннотация. В статье описан процесс поэтапного развития стандарта LTE, рассмотрены новые функции и технологии, которые добавлялись с введением каждого нового релиза. Сформулированы дополнительные требования для использования стандарта LTE-Advanced Pro на железных дорогах.

■ Начало развития цифровых мобильных телекоммуникаций пришлось на середину 90-х гг. прошлого века. Тогда были созданы мобильные сети второго поколения (2G), основывавшиеся на технологии TDMA (Time-Division Multiple Access - множественный доступ с временным разделением физических каналов). Сети третьего поколения (3G) были разработаны в 2000-х гг. В их основе лежал принцип WCDMA (Wideband Code-Division Multiple Access - широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов). Эти системы доминировали на телекоммуникационном рынке благодаря увеличению пропускной способности, однако они не смогли полностью заменить системы 2G.
В начале 2010-х гг. началось внедрение сетей четвертого поколения (4G), использующих технологии OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access - ортогональный множественный доступ с частотным разделением) для нисходящего канала и SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access - множественный доступ с частотным разделением при одной несущей частоте) для восходящего направления.
Процесс развития сетей 4G можно разделить на три этапа, которые характеризуются выпусками, так называемыми релизами (Release) органа по стандартизации партнерского проекта 3GPP (3 Generation Partnership Project). При этом релизы 8 и 9 являются основой стандарта LTE (Long-Term Evolution) [1], 10, 11 и 12 - стандарта LTE-Advanced [2], 13 и 14 - LTE-Advanced Pro [3-5].
В соответствии с конкретными требованиями и вариантами использования сети мобильной связи органом 3GPP определены услуги, включающие в себя:
МВБ (Mobile Broadband) - предназначена для приложений и сервисов, требующих высокоскоростного соединения, что позволяет, например, смотреть видео в сверхвысоком разрешении или использовать приложения виртуальной или дополненной реальности;
LLC (Low Latency Communication) - сочетает все
приложения, требующие предельно быстрого отклика наряду с надежностью и достоверностью передачи данных, что важно при обеспечении гражданской безопасности на критических объектах, в том числе на железнодорожном транспорте;
МТС (Machine Type Communication) - в основном объединяет приложения, связанные с интернетом вещей 1оТ в целом и с интернетом вещей на железнодорожном транспорте loRT в частности. Эти услуги не требуют предельно высокой скорости передачи данных, но им необходима увеличенная площадь сетевого покрытия и сниженное энергопотребление.


СТАНДАРТ LTE
■ Релиз 8 определяет пакетную систему 4G - EPS (Evolved Packet System), состоящую из ядра пакетной сети EPC (Evolved Packet Core) в сочетании с универсальной наземной сетью радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network). Этот релиз также определяет радиоинтерфейс на основе мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов OFDM, двух- и четырехканальное пространственное мультиплексирование MIMO (Multiple Input Multiple Output). Функция MIMO зависит от наличия опорного сигнала соты CRS (Cell-Specific Reference Signal).
Скорость передачи данных мобильных устройств стандарта LTE составляет 150 Мбит/с для нисходящего канала и 50 Мбит/с-для восходящего со следующими характеристиками радиоинтерфейса: полоса пропускания 20 МГц; квадратурная амплитудная модуляция для нисходящего канала - 64-QAM, для восходящего канала - 16-QAM; пространственное мультиплексирование - MIMO (2x2; 4x4).
Системы стандарта LTE поддерживают услуги, основанные на передаче по каналам сети IP-пакетов, поэтому в релизе 9 для передачи речи представлена мультимедийная подсистема IMS (IP Multimedia Subsystem), обеспечивающая услугу VoLTE (Voice over LTE). Если эта услуга не предусмотрена, может быть использован механизм передачи трафика по сети с коммутацией каналов CSFB (Circuit Switched Fall Back), когда речевой трафик перенаправляется в сети 2G/3G.

СТАНДАРТ LTE-ADVANCED (LTE-A)
■ Релиз 10 обеспечивает повышение пропускной способности сети за счет процедуры СА (Carrier Aggregation - агрегация несущих частот). Повышение достигается также путем увеличения количества пространственно мультиплексированных каналов (MIMO 8x8). Каждому мобильному устройству выделяются дополнительные ресурсы для передачи опорного сигнала информирования о состоянии радиоканала нисходящего направления CSI-RS (Channel Status Information Reference Signals). В этом релизе схема модуляции для нисходящего канала изменена с 64-QAM на 256-QAM, что дало возможность увеличить скорость передачи данных.
В релизе 11 представлены новые функции для увеличения пропускной способности и улучшения покрытия границ ячеек, а также улучшенная координация межсотовой интерференции elCIC (enhanced Inter-Cell Interference Coordination) и технология борьбы с помехами СоМР (Coordinated Multi-Point operation -координированная многоточечная передача данных).
Релиз 12 определил архитектуру новой услуги МТС, ориентированной в основном на 1оТ. Внедряются мобильные устройства новой категории со сниженным энергопотреблением и уменьшенной скоростью передачи данных (категории 0). Кроме того, в этом релизе введена услуга прямого подключения двух терминалов пользователей, минуя базовую станцию - D2D (Device to Device), для уменьшения временной задержки при организации канала связи и передаче речи.
Вместе с этим в стандарт LTE-Advanced введена служба группового мультимедийного вещания eMBMS (Evolved Multimedia Broadcast and Multicast Service) для передачи контента, который транслируется одновременно нескольким мобильным устройствам. В сфере общественной безопасности и критически важных коммуникаций служба eMBMS повышает эффективность услуги МСРТТ (Mission Critical Push-To-Talk - критически важные соединения: нажал - говори), которая позволяет передавать речь всем участникам группы.

СТАНДАРТ LTE-ADVANCED PRO (LTE-APRO)
■ Целью разработки стандарта LTE-Advanced Pro было увеличение пропускной способности для мобильных терминалов до 1 Гбит/с, привнесение новых функциональных возможностей в ядро сети EPS, в услуги МТС и eMBMS. Внедрены новые функции при прямом соединении: наряду с D2D реализована услуга «транспортное средство - другие объекты (субъекты)» (V2X). Рассмотрим подробнее содержание сервисов МВБ, LLC и МТС в контексте стандарта LTE-APro.

Сервис МВВ.

Архитектура сети. Разделение плоскости управления и плоскости пользователя CUPS (Control and User Plane Separation) направлено на формирование более гибкой распределенной архитектуры, обеспечивающей возможности развития программно-конфигури-руемой сети.
Разделение плоскостей производится как обслуживающим шлюзом SGW (Serving Gateway), так и шлюзом PGW (Packet Data Network Gateway) пакетной передачи данных. Такая архитектура позволяет выполнять мобильные периферийные вычисления с множественным доступом МЕС (Mobile Edge Com*Иванов**Иванов**Иванов**Иванов**Иванов*g), когда задействуются распределенная пользовательская плоскость и централизованная плоскость управления.
В релизе 12 введена технология DC (Dual Connectivity - двойного подключения), предназначенная для увеличения пропускной способности в нисходящем направлении. При этом IP-пакеты передаются одновременно с основной MeNB (Master eNB) и вторичной SeNB (Second eNB) базовых станций.
В релиз 13 предусмотрена возможность передачи трафика на две базовые станции для восходящего канала в соответствии с загруженностью буфера мобильного устройства. Когда его загруженность ниже порогового значения, терминал передает данные только по основному каналу, а при превышении порогового значения мобильное устройство отправляет данные как на основную, так и вторичную базовые станции.
Пространственное мультиплексирование. Очередным этапом развития систем стандарта LTE-APro стало внедрение активной антенной системы AAS (Active Antenna System) с антенными элементами в количестве от 8 до 64. Это особенно актуально, если задействуется спектр частот выше 3,5 ГГц (релиз 13).
Полноразмерные антенные системы FD-MIMO (Full-Dimension MIMO) формируют лучи в горизонтальном и вертикальном направлениях, создают трехмерные пространственные диаграммы направленности. Причем для FD-MIMO определены два метода использования опорного сигнала информирования о состоянии радиоканала нисходящего направления CSI-RS. В методе класса А опорный сигнал CSI-RS связан с антенными элементами, количество которых не более 16; в классе В базовая станция eNB может конфигурировать до восьми лучей для каждого мобильного терминала.
В релизе 14 улучшен механизм FD-MIMO для метода класса А путем увеличения количества CSI-RS до 32, для класса В улучшение касается эффективности CSI-RS.
Объединение каналов. Для того чтобы удовлетворить растущий трафик данных, в стандарте LTE-APro реализованы новые методы объединения каналов: LAA (License Assisted Access - объединение при использовании доступа с поддержкой лицензированного и нелицензированного диапазонов частот); LWA (LTE Wi-Fi Aggregation - объединение услуг, поддерживаемых стандартами LTE и Wi-Fi); LWIP (LTE/WLAN Radio Level Integration with IPsec Tunnel - интеграция на уровне радиоканалов LTE/WLAN с применением протокола IPsec при передаче данных по туннелю). Напомним, что IPsec - набор протоколов связи для безопасного подключения терминала к сети, поддерживающих процессы аутентификации пользователя и шифрования передаваемых по сети данных.
Метод LAA представляет собой развитие процесса агрегации в стандарте LTE. Передача данных между мобильным терминалом UE и базовой станцией eNB осуществляется в лицензируемом (стандарт LTE) и нелицензируемом (Wi-Fi в диапазоне U-NII 5 ГГц) частотных диапазонах. При этом eNB служит опорной точкой для объединения каналов. Этот метод похож на способ двойного подключения терминала: данные передаются от терминала на основную базовую станциMeNB по сети LTE, а на вторичную базовую станцию SeNB - по сети Wi-Fi.
В релизе 13 передача данных в нелицензируемом частотном диапазоне выполняется только по нисходящему каналу, а по восходящему предусмотрена в релизе 14. Передача по радиоканалу Wi-Fi происходит между мобильным устройством и точкой доступа АР (Access Point) в соответствии с стандартами 802.11х. Базовая станция eNB служит опорной точкой при объединении каналов.
В релизе 14 усовершенствованы функции метода LWA:
передача данных по восходящему каналу по сети Wi-Fi;
поддержка новых частотных диапазонов вокруг 60 ГГц и интерфейсов 802.11а, 802.11ad и 802.11 ау;
сбор информации о свободной пропускной способности сети Wi-Fi;
обнаружение соседних сетей Wi-Fi, развернутых в зоне действия базовой станции eNB.
При методе LWIP используется туннель с применением протокола IPSec для передачи IP-пакетов между базовой станцией eNB и точкой доступа Wi-Fi. В отличие от LWA метод агрегации LWIP не требует разных модификаций интерфейсов.

Сервис LLC.
Основное усовершенствование заключается в поддержке функции ретрансляции мобильными терминалами передаваемых данных для связи устройства с устройством (Device to Device - D2D). В целях общественной безопасности эта функция предусматривает передачу данных от мобильного терминала, находящегося вне зоны покрытия, через терминалы, расположенные в такой зоне.
Гибкий механизм многоадресного вещания в одной соте (точка-многоточка) при помощи усовершенствованного радиоинтерфейса SC-PTM (Single-Cell Point-To-Multipoint) представлен в релизе 13. Таким образом, при использовании технологии eMBMS (evolved Multimedia Broadcast/Multicast Services) - механизм SC-PTM совместно задействует физический канал нисходящей линии связи для широковещательной передачи информации пользователям, находящимся в данной соте.
Следует отметить, что до разработки релиза 13 организация 3GPP стандартизировала функциональные возможности для критически важных услуг. Например, технология группового речевого вызова МСРТТ (Mission Critical Push-To-Talk) должна иметь предустановленный несущий канал для быстрой организации поднесущего канала в сети с eMBMS. В МСРТТ при этом предусмотрена обработка групповых и индивидуальных вызовов в полудуплексном режиме, поддержка экстренных групповых и широковещательных вызовов, их мониторинг по технологии VoLTE, присоединение абонентов к уже установленному групповому или широковещательному вызову.
Версия 13 определяет различные приложения для МСРТТ: аутентификацию пользователя, принадлежность к группе, индивидуальные и групповые вызовы. Версия 14 дополняет МСРТТ такими функциями, как управление конфигурацией групп пользователей, идентификацией мобильных устройств, ключами аутентификации и шифрования.
В релизе 14 представлена связь «транспортное средство - иные объекты (субъекты)» - V2X. При этом
в зависимости от различных типов устройств, к которым подключается транспортное средство, организуется связь между двумя транспортными средствами V2V (Vehicle to Vehicle); транспортным средством и инфраструктурой V2I (Vehicle to Infrastructure); транспортным средством и пешеходами V2P (Vehicle to Pedestrian) или транспортным средством и сетью связи V2N (Vehicle to Network).

Сервис МТС.
Для оптимизации процесса передачи данных в релизе 13 внесены изменения в архитектуру сети. Они касаются плоскости управления - для уменьшения количества сообщений во время организации сеанса связи, а также плоскости пользователя - для предотвращения блокировки канала при кратковременной приостановке передачи данных.
Усовершенствованная архитектура AESE (Architecture Enhancement for Service Capability Exposure) используется для раскрытия сетевых сервисов и обеспечивает доступ к таким возможностям сети, как:
организация связи с большой задержкой, чтобы поддержать сценарий, когда приложения «общаются» с временно недоступными терминалами;
связь «точка-многоточка»;
увеличение цикла режима прерывистого приема DRX (Discontinuous Reception);
мониторинг событий, влияющих на работу терминала.
Для упрощения конструкции терминала и увеличения времени работы от батареи, а также удаленного управления различными устройствами в релизе 13 представлены две новые сетевые технологии: LTE-M, работающая в полосе 1,4 МГц с терминалами категории М1; узкополосный интернет вещей NB-loT (Narrow Band Internet of Things), действующий в полосе пропускания 180 кГц с терминалами категории NB1. Технология LTE-M - стандарт маломощной глобальной сети мобильной связи, для организации межмашинного обмена данными и 1оТ. Терминалы категории М1 и NB1 имеют низкую скорость (до 1 Мбит/с) и предназначены для 1оТ. Увеличение пропускной способности радиоинтерфейса достигается в релизе 14 введением двух новых категорий терминалов: М2 и NB2. Терминал М2 обеспечивает скорость передачи данных до 2,5 Мбит/с, NB2 - до 7 Мбит/с.

ИНТЕГРАЦИЯ WI-FI
■ Интеграция сети радиодоступа Wi-Fi с ЕРС с учетом всех аспектов взаимодействия (взаимосвязь между сетями Wi-Fi и LTE, а также аутентификация пользователя и защита передаваемых данных) предусмотрены в релизе 8. Однако при этом терминал не может одновременно подключаться к нескольким сетям доступа. Поэтому введена дополнительная функция обнаружения и выбора сети доступа-ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function) и сервер ANDSF на стороне оператора, а клиентом является мобильный терминал с соответствующим программным обеспечением. Если терминал располагается в точке, откуда может быть установлено соединение с несколькими сетями доступа, то с помощью сервера ANDSF осуществляется выбор одной сети, если поддерживается только один канал IP-трафика, или трафик распределяется между несколькими сетями, если поддерживается несколько каналов. В последнем случае сервер поддерживает регистрацию в дополнительной сети доступа.
Определено несколько архитектур сетей доступа, подключенных к опорной сети оператора ЕРС:
на основе интерфейса S2a, где сеть радиодоступа Wi-Fi является доверенной, а подключение к Wi-Fi или LTE управляется сетью (доверенной называется сеть Wi-Fi операторского класса с безопасным методом аутентификации);
на основе интерфейса S2b, где сеть радиодоступа Wi-Fi является недоверенной, но подключение к Wi-Fi или LTE управляется самой сетью (недоверенными сетями служат общественные открытые и домашние беспроводные локальные сети пользователей);
на основе интерфейса S2c, для которой сеть радиодоступа Wi-Fi может быть доверенной или недоверенной, а подключение к Wi-Fi или LTE осуществляется мобильным устройством.
В релизе 9 расширена функция ANDSF: пользователю предоставляется информация об обнаружении и выборе сети доступа в роуминге. В релизе 10 предусмотрено одновременное подключение к сетям различных технологий радиодоступа.
Функция бесшовной (с сохранением IP-адреса и сессии при хэндовере) разгрузки беспроводных локальных сетей NSWO (Non-Seamless WLAN Offload) позволяет напрямую направлять трафик в интернет, минуя ЕРС.
Функция MAPCON (Multi-Access PDN Connectivity) поддерживает различные соединения с сетью пакетной передачи данных общего пользования PDN. Соединения проходят либо через интерфейс LTE (например, услуги телефонной связи), либо через интерфейс Wi-Fi (например, интернет-услуги) в зависимости от политики оператора.
Релиз 12 расширяет возможности интерфейса S2a, используя три способа разгрузки трафика:
режим одиночного подключения SCM (SingleConnection Mode) дает возможность установить соединение с сетью LTE, Wi-Fi или NSWO через точку доступа Wi-Fi, а также обеспечивает мобильность пользователя (хэндовер) с сохранением IP-адреса;
режим прозрачного одиночного подключения TSC (Transparent Single) организует подключение только к одной сети (LTE или Wi-Fi) и не поддерживает мобильность пользователя между сетями LTE и Wi-Fi с сохранением IP-адреса;
режим множественного подключения MCM (MultiConnection Mode) поддерживает одновременно одно или несколько соединений с сетью пакетной передачи данных и NSWO с помощью точки доступа Wi-Fi, а также мобильность пользователя с сохранением IP-адреса.

Функции обнаружения и выбора сетей описаны в спецификации 802.11 u IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), дополнены и интегрированы Wi-Fi Alliance в спецификации Hotspot 2.0. Напомним, что Hotspot («горячая точка») - это ограниченная территория, где с помощью мобильного терминала или ноутбука, оснащенного модулем радиодоступа Wi-Fi, осуществляется выход в интернет.
Релиз 12 привел ANDSF в соответствие со стандартами Hotspot 2.0, а релиз 13 дополняет режимы передачи IP-пакетов функцией IFOM (IP Flow Mobility) для маршрутизации различных потоков к точкам доступа APN (Access Point Name) через интерфейсы LTE и Wi-Fi.

ИНТЕГРАЦИЯ 5G
■ Первый этап развития мобильных сетей пятого поколения (5G) определяет релиз 15. Чтобы обеспечивать более широкий спектр услуг эти сети должны быть более гибкими и масштабируемыми. Они строятся по архитектуре, основанной на виртуализации сетевых функций NFV (Network Function Virtualization), в которой элементы размещаются в виртуальных средах, а разделение сетей позволяет адаптироваться к различным требованиям.
Пятое поколение, как и предыдущие, формирует базовую сеть (5GC) и сеть радиодоступа (5G NR) одного поколения, а также позволяет интегрировать элементы разных поколений в различных конфигурациях.
Сеть радиодоступа 5G NR имеет автономный SA и неавтономный NSA режимы работы. В первом случае сеть 5G NR подключается к основной сети 5G в пользовательской и управленческой плоскостях. Во втором случае сеть 5G NR подключается к опорной сети 4G только в пользовательской плоскости, а плоскость управления обрабатывается только сетью радиодоступа 4G.
Несмотря на то, что изначально оба режима должны были существовать параллельно, приоритет был отдан NSA для создания возможности быстрого реагирования на изменение пропускной способности. Этот режим использует существующие сети 4G, объединяя радиоресурсы LTE и 5G NR с ядрами сетей 4G.
Релиз 15 не делает фундаментального технологического прорыва в интерфейсе 5G NR в сравнении с радиоинтерфейсом 4G LTE. Режим множественного доступа в обоих интерфейсах идентичен, за исключением некоторых корректировок в структуре муль-типлексирования с временным разделением, а также мультиплексирования с частотным разделением и кодов исправления ошибок.
В 2020 г. 3GPP был опубликован завершающий стандарт 5G NR - релиз 16. В нем представлены новые приложения для 5G NR вне пределов традиционных услуг широкополосной мобильной связи, позволяющие повысить производительность и эффективность системы 5G. Представлен спектр улучшений, в том числе услуги прикладного уровня: V2X - «транспортное средство - другие объекты (субъекты)», что особенно важно для железнодорожного транспорта. В 2022 г. был опубликован релиз 17, посвященный вопросам реализации 5G - Advanced и 1оТ. В настоящее время ведется работа над материалами релиза 18, представление которого запланировано на 2024 г.

СТАНДАРТ LTE-ADVANCED PRO-RAILWAY (LTE-APRO-R)

■ Международный союз железнодорожников (UTC) планирует в 2030 г. завершить использование систем стандарта GSM-R и перейти, минуя 3G, на стандарт 4G -LTE-APro-R, а также 5G-R. Этот переход будет осуществляться в рамках разработанной концепции будущей системы железнодорожной мобильной связи -FRMCS (Future Railway Mobile Communication System).
Системы 4G (стандарт LTE-R) уже работают на отдельных высокоскоростных железнодорожных направлениях нескольких стран. В развитии функциональных возможностей сервисов МВВ, LLC и МТС в стандарте LTE-APro-R будут поддерживаться все сервисы стандарта GSM-R: интеллектуальное управление движением поезда, приоритетность при организации сеансов связи, адресация в структуре оперативно-технологической связи и др. Для их реализации в LTE-APro-R предусмотрена подсистема RS (Railway Specific) в составе сервера RSAP (Railway Safety Answering Point) и пульта поездного диспетчера.
Структурная схема организации сети с наличием мобильной железнодорожной инфраструктуры MRI (Mobile Railway Infrastructure) и арендуемой у мобильного базового сетевого оператора MBNO (Mobile Base Network Operator) сети радиодоступа представлена на рисунке. Аренда сети радиодоступа целесообразна по причине возможного отсутствия выделенного для железнодорожного транспорта частотного ресурса на первом этапе развития сети LTE-APro-R [6]. Помимо подсистемы RS, на рисунке показаны сетевые компоненты в составе MRI и MBNO: узел управления мобильностью MME (Mobility Management Entity), сервер абонентских данных HSS (Home Subscriber Server), шлюз маршрутизации трафика PGW (Packet Date Network Getaway), обслуживающий шлюз SGW (Serving Getaway). Кроме того, представлен узел управления качеством обслуживания и тарификацией PCRF (Policy and Charging Rules Function), элементы подсистемы предоставления мультимедийных услуг по протоколу IP-IMS (IP Multimedia Sub-System), сервер приложений AS (Application Server), узел базовой станции eNodeB (evolved Node Base station).
Помня об опыте длительного периода развертывания сетей стандарта GSM-R на сети железных дорог, можно предположить, что сегодня выделение требуемой для железнодорожного транспорта полосы частот в силу разных причин может произойти не очень скоро.

СПИСОК источников

1. Rahnema М., Dryjanski М. From LTE to LTE-Advanced Pro and 5G (Mobile communication). London : Artech House, 2017. 372 p.
2. Лохвицкий M.C., Сорокин A.C., Шорин O.A. Мобильная связь: стандарты, структуры, алгоритмы, планирование. -М.: Горячая линия - Телеком, 2018. - 264 с.
3. LTE-Advanced Pro Introduction applications/LTE-advanced-technology-introduction-white-pa-per_230854-15630.html.
4. Executive summary. Inside 3GPP Release 13 - Understanding the Standards for HSPA+ an d LTE-Advanced Enhancement 2016 Update. 2015. 26 p. URL:. co.uk/4_5G/4_5G_lnside_3GPP_Release_13_5G Ameri-cas_Oct2016.pdf.
5. Dahlman E., Parkvall S., Skold J. 4G LTE Advanced Pro and The Road to 5G. Elsevier, 2016. 616 p.
6. Юркин Ю.В., Маслова A.A., Герасимов E.M. Организация гетерогенной сети мобильной связи, // Автоматика связь информатика. 2022. №10. С. 15-19. DOI: 10.34649/ АТ.2022.10.10.003