Serving gateway что это
Портал о современных технологиях мобильной и беспроводной связи
Принципы построения и функционирования сетей LTE
Принципы построения и функционирования сетей LTE
LTE включает в себя сеть радиодоступа (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network, E-UTRAN) и усовершенствованное пакетное ядро (Evolved Packet Core, EPC).
Упрощенная архитектура сети LTE
Сеть LTE построена как совокупность новых базовых станций eNB (Evolved NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1. На рис.1 показано взаимодействие новых элементов в архитектуре сети: S-GW (Serving Gateway) – обслуживающих шлюзов, содержащих ПО управления по протоколу MM (MME – Mobility Management Entity).
Рис. 1. Упрощенная архитектура сети LTE
В сети радиодоступа радиоинтерфейс между UE и eNB осуществлен на основе технологии ортогонального частотного разнесения (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDMA). Работа EPC основана на технологии IP. Такую структуру относят к All-IP Network (AIPN).
Структура сети LTE
Структура сети LTE приведена на рис. 2. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети P-GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами.
Рис. 2. Структура сети LTE
Функции eNodeB ( Evolved NodeB )
eNodeB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения:
— обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу,
— управляет распределением радиоресурсов,
— обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,
— поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,
— обеспечивает шифрацию и целостность передачи по радиоканалу,
— выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним,
— производит сжатие заголовков IP-пакетов,
— поддерживает услуги мультимедийного вещания,
— при использовании структуры с усилителями мощности на антенной мачте организует управление антеннами по специальному интерфейсу Iuant.
Интерфейс S1, как показано на рис.2, поддерживает передачу данных с S-GW и сигнализации через ММЕ. Отметим, что eNB может иметь соединения с несколькими S-GW.
Интерфейсы X2 используют для организации хэндоверов между соседними базовыми станциями, в том числе и при балансировке нагрузки между ними. При этом интерфейсы Х2 могут быть логическими, т.е. для их организации не обязательно реальное физическое соединение между eNB.
Функции обслуживающего шлюза S—GW:
— маршрутизация передаваемых пакетов данных,
— установка качественных показателей ( Quality of Service, QoS) предоставляемых услуг,
— буферизация пакетов для UE, пребывающих в состоянии Idle Mode,
— предоставление учетных данных для тарификации и оплаты выполненных услуг.
S-GW является якорной структурой, обеспечивающей мобильность абонентов. Каждую работающую UE обслуживает определенный S-GW. Теоретически UE может быть связана с несколькими пакетными сетями; тогда ее будут обслуживать несколько серверов S-GW.
Функции P-GW ( Packet Data Network Gateway )
Шлюз для выхода на пакетные сети P—GW организует точку доступа к внешним IP-сетям. Соответственно P-GW является якорным шлюзом для обеспечения трафика. Если абонент имеет статический IP-адрес, то P-GW его активизирует. В случае, если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, P-GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту. В состав P-GW входит PCEF (Policy and Charging Enforcement Function), который входит обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс Sgi и фильтрацию пакетов данных. При обслуживании абонента в домашней сети функции P-GW и S-GW могут выполнять как два разных, так и одно устройство. Интерфейс S5 представляет собой туннельное соединение GPRS или Proxy Mobile Ipv6. Если P-GW и S-GW находятся в разных сетях (например, при обслуживании абонента в роуминге), то интерфейс S5 заменяют интерфейсом S8.
Функции MME ( Mobility Management Entity )
Управляющий блок ММЕ прежде всего поддерживает выполнение процедур протокола Mobility Management: обеспечение безопасности работы в сети при подключении UE и выбор S-GW, P-GW. ММЕ связан с HSS своей сети посредством интерфейса S6a. Интерфейс S10, соединяющий различные ММЕ, позволяет обслуживать UE при перемещениях абонента, а также при его нахождении в роуминге.
Функции PCRF
Policy and Charging Resource Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF шлюза P-GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации.
Читайте также:
Видео о 5G простым языком. Лекции по мобильной связи пятого поколения (5G)
Интервью первого генерального директора Северо-Западного GSM (Мегафон)
Структура сети LTE
P-GW (PDN Gateway)
Функции данного устройства заключаются в выделении IP адреса для UE, соблюдении параметров QoS и осуществлении списаний по счету на основе набора правил, полученных из PCRF (Policy Control and Charging Rules Function). Также P-GW осуществляет фильтрацию поступающих IP пакетов в различные клиентские потоки с конкретным набором параметров QoS при этом используются TFT (Traffic Flow Templates).
На рисунке ниже приводится стек протоколов, используемый в пользовательской плоскости. 
IP пакеты, адресованные UE, туннелируются (GTP-U/UDP/IP) на участке между P-GW и eNodeB (интерфейсы S1 и S5/S8) для последующей их передачи на UE. Стек протоколов на участке между UE и eNodeB состоит из: PDCP (Packet Data Convergence Protocol), RLC (Radio Link Control) и MAC (Medium Access Control) подуровней.
На рисунке ниже приводится стек протоколов, используемый в контрольной плоскости. 
Протоколы, которые используются между UE и eNodeB носят название Access Stratum (AS) протоколы. В контрольной плоскости все протоколы ниже RRC выполняют те же самые функции, что и в пользовательской плоскости. За исключением того, что в контрольной плоскости нет сжатия заголовков.
Протокол RRC (см. описание протокола тут) выполняет главные контролирующие функци, к которым относятся создание потоков, используемых при радио передаче, и конфигурация всех нижележащих уровней.
Взаимодействие между соседними eNodeB осуществляется через интерфейс X2. Описание которого будет добавлено чуть позже.
Стандарты третьего поколения позволяют предоставить широкий перечень мультимедийных услуг и поддерживают скорости передачи данных до 14Мбит/сек. Это вполне соответствует запросам абонентов в настоящее время. Однако, объемы передаваемой информации в телекоммуникационных сетях растут с каждым днем. Чтобы удовлетворить потребности пользователей по скорости передачи данных и набору услуг хотя бы на 20 лет вперед необходим новый стандарт, уже четвертого поколения.
В конце 2009 года в Швеции была запущена в коммерческую эксплуатацию первая сеть стандарта LTE.
Сети LTE поддерживают скорости передачи данных до 326,4 Мбит/сек. К примеру, загрузка фильма в хорошем качестве займет менее одной минуты. Таким образом, верхняя планка по скорости передачи данных практически снимается.
Рассмотрим структуру сети LTE:
Структура сети стандарта LTE
Из схемы сети LTE, представленной выше, уже видно, что структура сети сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные изменения претерпела и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации. Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией. Также подверглись изменению и протоколы передачи данных между сетевыми элементами. Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные.
Можно выделить следующие основные элементы сети стандарта LTE:
Serving SAE Gateway или просто Serving Gateway (SGW) – обслуживающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. По сути, заменяет MSC, MGW и SGSN сети UMTS. SGW имеет прямое соединение с сетями второго и третьего поколений того же оператора, что упрощает передачу соединения в /из них по причинам ухудшения зоны покрытия, перегрузок и т.п.
Public Data Network (PDN) SAE Gateway или просто PDN Gateway (PGW) – шлюз к/от сетей других операторов. Если информация (голос, данные) передаются из/в сети данного оператора, то они маршрутизируются именно через PGW.
Mobility Management Entity (MME) – узел управления мобильностью. Предназначен для управления мобильностью абонетов сети LTE.
Home Subscriber Server (HSS) – сервер абонентских данных. HSS представляет собой объединение VLR, HLR, AUC выполненных в одном устройстве.
Policy and Charging Rules Function (PCRF) – узел выставления счетов абонентам за оказанные услуги связи.
Все перечисленные выше элементы относятся к системе коммутации сети LTE. В системе базовых станций остался лишь один знакомый нам элемент – базовая станция, которая получила название eNodeB. Этот элемент выполняет функции и базовой станции, и контроллера базовых станций сети LTE. За счет этого упрощается расширение сети, т.к. не требуется расширение емкости контроллеров или добавления новых.
Интерфейсы сети стандарта LTE рассмотрены в данной статье:
О принципах организации радиоинтерфейса в стандарте LTE рассказывают следующие статьи:
При использовании материалов ссылка на сайт обязательна
Протоколы доступа LTE E-UTRAN. Часть 1
Статья посвящена описанию протоколов доступа на различных уровнях сети LTE.
Скорость передачи по LTE в нисходящем направлении (к пользователю) достигает 100 Мбит/с, в восходящем — 50 Мбит/с. Задержка на уровне пользователя не превышает 5 мс за счет высокой эффективности использования спектра. Столь замечательные характеристики обеспечиваются за счет использования нескольких антенн (принцип MIMO) и мультиплексирования с ортогональным разделением частот OFDM на физическом уровне.
Сеть E-UTRAN — это самый первый узел в усовершенствованной пакетной системе EPS. Она обеспечивает высокую скорость передачи данных, малую задержку на обеих плоскостях управления и пользователя, бесшовное переключение и большее покрытие ячейки.
Рассмотрим задачи, функции и процедуры слоя доступа в стеке протоколов радиодоступа.
Структура E-UTRAN показана на рисунке 1. Сеть состоит из узлов eNodeB (eNB), которые обеспечивают протоколы плоскости пользователя (PDCP/RLC/MAC/PHY) и управления (RRC). Узлы eNB взаимодействуют между собой через интерфейс Х2. Для связи с усовершенствованным пакетным ядром (EPC — Evolved packet core) используется протокол S1. Обмен с узлом управления мобильностью (ММЕ — mobility management entity) происходит по интерфейсу S1-MME, а c обслуживающим шлюзом (SGW — Serving Gateway) — по интерфейсу S1-U. Интерфейс S1 поддерживает связи типа множество-множество между MME, SGW и eNB.
Информацию, которую пропускает через себя UTRAN, принято разделять на два слоя. К слою доступа (AS — Access stratum) относятся данные, необходимые для взаимодействия терминала пользователя (UE) и сети UTRAN. Слой без доступа (NAS — non-Access Stratum) содержит информацию, переносимую между базовой сетью оператора (CN) и UE через UTRAN.
Слой доступа объединяет протоколы радиодоступа. Это протоколы, обеспечивающие совместное использование радиоресурсов оборудования пользователя и сети доступа. Кроме того, AS отвечает за соединения с каналом радиодоступа (RAB — Radio Access Bearer), посредством которых обеспечивается взаимодействие между UE и CN (сервис NAS).
Слой доступа предоставляет пользовательскому оборудованию возможность получения доступа к ресурсам и сервисам сети, а также всю необходимую инфраструктуру. Протоколы радиодоступа выполняют следующие функции:
– управление ресурсами радиоканала (RRM — radio resource management). Это управление радиоканалом и радиоприемом, контроль мобильности соединения и динамическое распределение ресурсов оборудования пользователя в обоих направлениях передачи (функция распределения, см. ниже).
– управление трафиком:
— передача данных, в т.ч. в режиме реального времени, между инфраструктурой (слой NAS) и оборудованием пользователя;
— обработка всех типов данных при различных параметрах канала (уровень активности, пропускная способность, задержка передачи и вероятность появления ошибочных битов);
— эффективное преобразование атрибутов трафика, используемых не-LTE приложениями, в атрибуты канала радиодоступа (RAB — radio access bearer) в слое доступа;
— сжатие IP-заголовка и шифрование потоков данных пользователя;
— самостоятельный выбор MME на оборудовании пользователя, когда сеть не предоставляет соответствующей информации;
— передача данных с плоскости пользователя на SGW;
— управление местоположением: распределение и передача поисковых сообщений;
— распределение и передача широковещательной информации;
— задание конфигурации измеряемых параметров и формы выведения результатов для распределения ресурсов и обеспечения мобильности;
— распределение и передача сообщений о землетрясениях и цунами;
— предоставление первичного доступа к сети, регистрация и присоединение к сети или выход из нее;
— управление передачей на различных уровнях: между eNodeB, внутри eNodeB, между eNodeB с изменением MME, между eNodeB с сохранением MME, но сменой SGW, между RAT;
— функциональное разнообразие и шифрование;
— кодирование радиоканала.
Протоколы LTE делятся на две группы: плоскость управления (отвечают за управление транспортным каналом) и плоскость пользователя (отвечают за передачу пользовательских данных).
Стек протоколов плоскости пользователя показан на рисунке 2. Подуровни PDCP, RLC, MAC и PHY, оканчивающиеся на eNB со стороны сети, выполняют такие функции как сжатие заголовка, шифрование, распределение, ARQ (запрос на повторную передачу) и HARQ.
Стек протоколов плоскости управления показан на рисунке 3. Протокол сходимости пакетных данных PDCP выполняет шифрование и обеспечивает защиту целостности. Протоколы RLC, MAC и PHY выполняют те же функции, что и на плоскости пользователя. Протокол RRC выполняет такие функции как широковещательная рассылка системной информации, разбиение на страницы, управление соединением RRC, радиоканалом, мобильностью и процессом проведения измерений, а также отвечает за предоставление результатов измерений.
На рисунке 4 показаны протоколы доступа, состоящие из уровней RRC, PDCP, RLC, MAC и PHY. Протоколы RRC конфигурируют все нижележащие слои. Между RRC и PDCP устанавливаются радиоканалы, привязанные к логическим каналам между протоколами RLC и МАС. Из рисунка 5 видно, что схема отображения логических каналов на физические проста и прозрачна.
LTE и WiFi
Содержание
LTE [ править ]
LTE (Long-Term Evolution — долговременное развитие, часто обозначается как 4G LTE) — стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных для мобильных телефонов и других терминалов, работающих с данными. Он основан на GSM/EDGE и UMTS/HSPA сетевых технологиях, увеличивая пропускную способность и скорость за счёт использования другого радиоинтерфейса вместе с улучшением ядра сети.
Мотивация к созданию [ править ]
LTE является стандартом беспроводной передачи данных и развитием стандартов GSM/UMTS. Целью LTE было увеличение пропускной способности и скорости с использованием нового метода цифровой обработки сигналов и модуляции. Ещё одной целью было реконструировать и упростить архитектуру сетей, основанных на IP, значительно уменьшив задержки при передаче данных по сравнению с архитектурой 3G сетей. Беспроводной интерфейс LTE является несовместимым с 2G и 3G, поэтому он должен работать на отдельной частоте.
Спецификация LTE позволяет обеспечить скорость загрузки до 326,4 Мбит/с, скорость отдачи до 172,8 Мбит/с, а задержка в передаче данных может быть снижена до 5 миллисекунд.
Основные компоненты LTE [ править ]
Схематично работу LTE можно изобразить следующим образом.
UE — устройство пользователя
eNodeB (Evolved Node B) — базовая станция LTE, устанавливается рядом с вышкой и соединяется с ней.
ММЕ (Mobility Management Entity) — узел управления мобильностью. Предназначен для обработки сигнализации, преимущественно связанной с управлением мобильностью абонентов в сети.
HSS (Home Subscriber Server) — сервер абонентских данных сети. Представляет собой большую базу данных и предназначен для хранения данных об абонентах. Кроме того, HSS генерирует данные, необходимые для осуществления процедур шифрования, аутентификации и т.п.
SGW (Serving Gateway) — обслуживающий шлюз сети. Обрабатывает все, что связано с доступом абонента к сети. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. SGW по существу действует как гигантский маршрутизатор для абонентов, передавая данные от абонента и обратно к сети.
PGW (Public Data Network Gateway) — шлюз к сетям передачи данных других операторов для сети LTE Основная задача PGW заключается в маршрутизации трафика сети LTE к другим сетям передачи данных, таких как Интернет, а также сетям GSM, UMTS.
Другие компоненты на этой схеме не так важны для нас в рамках данного конспекта.
EUTRAN и EPC [ править ]
LTE состоит из двух частей: EUTRAN и EPC Схема их взаимодействия показана на рисунке ниже.
Разберемся более подробно, что из себя представляет каждая из этих частей.
EUTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) — усовершенствованный беспроводной интерфейс 3GPP (LTE). Это сеть радиодоступа, являющаяся заменой UMTS и HSDPA/HSUPA (сетей 3-го поколения, т.е 3G).
EUTRAN состоит только из eNodeB. Что является упрощением UTRAN, использующемся в UMTS и HSDPA/HSUPA. Узлы eNodeB взаимодействуют между собой через протокол Х2.
Сеть EUTRAN обеспечивает более высокую скорость передачи данных, малую задержку на обеих плоскостях управления и пользователя, бесшовное переключение и большее покрытие ячейки.
EPC (Evolved Packet Core) — усовершенствованное пакетное ядро. В него входят следующие компоненты: ММЕ, HSS, SGW и PGW.
Для связи EUTRAN с EPC используется протокол S1.
Стек протоколов EUTRAN [ править ]
EUTRAN как и другие высокоуровневые протоколы, представляет собой стек низкоуровневых протоколов.
Стек протоколов EUTRAN приведен ниже.
Мы не будем вдаваться в подробности устройства каждого протокола стека. Данная информация приведена лишь для лучшего понимания следующего раздела.
Протоколы LTE [ править ]
Протоколы LTE делятся на две группы: плоскости управления (control plane), и отвечают за управление транспортным каналом, и плоскости пользователя (user plane), и отвечают за передачу пользовательских данных.
Стек протоколов плоскости пользователя показан на изображении ниже.
В плоскости пользователя, пакеты в EPC инкапсулируются в определенный EPC протокол и туннелируются между PGW и eNodeB.
То есть, когда мы смотрим видео на наших смартфонах по мобильному интернету через LTE или серфим интернет, используетсе именно протокол плоскости пользователя. От EU IP-пакеты проходя через стек протоколов EUTRAN, который, в свою очередь, перенаправляет IP-пакеты в EPC (сначала в SGW, а он в свою очеред в PGW). Входящие пакеты из EPC проходят такой же путь, но в обратном направлении.
Стек протоколов плоскости управления показан на изображении ниже.
Как мы видим, в стек потокола плоскость управления добавляется протокол RRC (Radio Resource Control).
Плоскость управления отвечает, например, за широковещательные рассылки системной информации, handover, процессом проведения измерений для каждого конкретного UE, а также за предоставление результатов измерений.
Схематическое изображение стека обоих плоскостей приведено ниже.
Wi-Fi [ править ]
Напомним, как работает технология Wi-Fi.
Данная технология предполагает наличие точки доступа/маршрутизатора Wi-Fi (стандарты 802.11a/b/g/n). В памяти у него хранится таблица маршрутизации, которая описывает соответствие между адресами назначения и интерфейсами, через которые следует отправить пакет данных до следующего маршрутизатора, а так же шлюзами, на которые нужно отправлять пакеты, отправляемые на некоторый адрес.
То есть, роутер пересылает пакеты на следующий маршрутизатор. В случае, когда роутер подключен через Ethernet к провайдеру интернета, роутер пересылает присланные ему пакеты провайдеру, провайдер в свою очередь дает доступ в Интернет.
Различия и сходства между LTE и Wi-Fi [ править ]
Как можно заметить, у LTE и Wi-Fi есть некоторые сходства.
И у LTE и Wi-Fi данные сначала отправляются на сотовую вышку и на роутер, соотвественно, с них попадают оператору сотовой связи и провайдеру, соотвественно, а они уже в свою очередь предоставляют доступ в Интернет.
С другой стороны, способ организации сети у них разный: в случае с LTE сотовые вышки, а вернее eNodeB посредством сотовых вышек, общаются между собой, и также общаются с SGW. SGW по сути сам является большим маршрутизатором, то есть сотовые вышки, если можно так выразиться, образуют локальную сеть, которая соединена с SGW.