Павел Иванов
В предыдущем обзоре, посвященном развитию сетей UMTS (см. “Сети”, 2007, № 15, статья “Горизонты эволюции 3G”), шла речь о новых возможностях радиоинтерфейса сетей Evolved UTRAN (EUTRAN).
Cовершенствование сетей мобильной связи, призванное обеспечить им прочные рыночные позиции в длительной перспективе, должно затронуть системную архитектуру и технологии передачи данных в нисходящем и восходящем направлениях.
Соответствующие изменения, оформленные в концепцию System Architecture Evolution (SAE), в общих чертах описаны в документе Mobile Broadband: The Global Evolution of UMTS/HSPA Release 7 and Beyond, который выпущен консорциумом 3GPP (Third-Generation Partnership Program) летом 2006 года. Более детальное изложение этих изменений содержат документы 3GPP Release 8 Long Term Evolution / System Architecture Evolution и UMTS Evolution from 3GPP Release 7 to Release 8: HSPA and SAE/LTE, появившийся на сайте 3G Americas в середине года. Совсем недавно упомянутая концепция переименована организацией 3GPP из SAE в Evolved Packet System (EPS) Architecture. Именно о ней и пойдет речь.
Предпосылки
Основная задача, которую преследовал консорциум 3GPP при разработке новой архитектуры сетей мобильной связи, состояла в создании технологического фундамента для совершенствования коммуникационной инфраструктуры. Ее предстоит трансформировать в систему, которая будет характеризоваться приемлемыми затратами на развертывание и последующую эксплуатацию, поддерживать возможность предоставления IP-услуг массовому абоненту и допускать эффективную интеграцию с другими технологиями сетевого доступа. Ориентация на пакетную передачу голоса привела к тому, что при разработке SAE/EPS упор был сделан на технологию пакетной коммутации, а сети коммутации каналов не рассматривались вовсе.
Спецификации SAE/EPS разрабатываются с декабря 2004 года второй рабочей группой по системным архитектурам, входящей в состав консорциума 3GPP. Старт этой деятельности был дан после того, как у членов консорциума сформировалось четкое убеждение в неизбежности полного преобразования сегодняшней инфраструктуры сетей связи в неиерархические сети коммутации пакетов, целиком основанные на протоколе IP (аll-IP). Стало понятно также, что по мере развития рынка коммуникационных услуг окажется широко востребованным доступ к системам 3G не только из сетей, построенных в соответствии со спецификациями UTRAN и GERAN, но и из сетей Wi-Fi, WiMAX и даже из проводных сетей связи.
Разработчикам принципов новой архитектуры предстояло обеспечить работоспособность новых радиоинтерфейсов (таких как LTE), предложить вариант перехода к сети, целиком базирующейся на протоколе IP, добиться поддержки мобильности и непрерывности сервисов в гетерогенной среде доступа. Кроме того, новая архитектура должна была поддерживать хэндовер с сетями передачи данных, описанными в документах 3GPP (прежде всего, хэндовер между сетями GPRS и EUTRAN), и мобильность при перемещении абонента между сетями, которые соответствуют и не соответствуют спецификациям 3GPP. Последняя задача требовала согласования протоколов, привязанных к хост-машинам (MIPv4, MIPv6, DSMIPv6), с протоколами сетевой среды (NetLMM, PMIPv4, PMIPv6).
Полный перечень решавшихся задач весьма обширен, поэтому мы упомянем лишь некоторые из них:
Архитектурные находки
Даже приведенный перечень задач весьма внушителен. Для их решения, прежде всего, понадобилось упростить общую сетевую архитектуру. В сети с архитектурой SAE могут применяться узлы только двух типов — базовые станции (evolved NodeB, eNodeB) и шлюзы доступа (Access Gateway, AGW). Уменьшение числа типов узлов позволит операторам снизить расходы как на развертывание сетей LTE/SAE, так и на их последующую эксплуатацию.
В функциональном отношении ядро сети SAE включает в себя четыре ключевых компонента. Модуль управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME) обеспечивает хранение служебной информации об абоненте и управление ею, генерацию временных идентификационных данных, авторизацию терминальных устройств в наземных сетях мобильной связи и общее управление мобильностью. Модуль управления абонентом (User Plane Entity, UPE) отвечает, в частности, за терминацию нисходящего соединения, шифрование данных, маршрутизацию и пересылку пакетов. “Якорь” 3GPP играет роль своеобразного шлюза между сетями 2G/3G и LTE. Наконец, функции “якоря” SAE аналогичны функциям предыдущего компонента, но служат для поддержки непрерывности сервиса при перемещении абонента между сетями, соответствующими и не соответствующими (I-WLAN и т.п.) спецификациям 3GPP.
Последние два компонента представляют собой совершенно новые элементы архитектуры ядра сети мобильной связи и обязаны своим появлением упомянутому требованию поддержки мобильности при перемещении абонента между сетями разных типов. Обобщенная схема архитектуры SAE показана на рис. 1. Функциональные элементы можно физически совмещать либо распределять по сети — все зависит от особенностей применяемых продуктов и самой сети. Например, “якорь” 3GPP допустимо располагать вместе с модулем управления абонентом, хотя это не является обязательным требованием. Точно так же модули MME и UPE могут быть совмещены либо находиться в разных узлах сети.
Значительное внимание в документе 3GPP Release 8 уделено обеспечению качества сервиса, выбору сети и использованию идентификационных данных. Появление многомодовых терминалов, предназначенных, например, для работы в сетях Wi-Fi и сотовой связи, позволяет обслуживать абонентов с применением разных вариантов доступа. В этой связи в SAE/EPS предусмотрены механизмы выбора наиболее удобной инфраструктуры для предоставления услуг, необходимых абоненту. При выборе идентификаторов для терминальных и сетевых устройств, которые используются в целях адресации, обеспечения мобильности, удержания соединения, защиты данных и т.д., авторы спецификаций проявили максимальную гибкость. В сетях нового типа допускается как повторно использовать идентификаторы, применяемые в сетях GSM и UMTS, так и задействовать идентификационные данные, отражающие появление в сетях EUTRAN новой функциональности. Кроме того, в 3GPP Release 8 появился ряд возможностей, направленных на повышение уровня информационной безопасности в сетях мобильной связи нового поколения.
Как отмечают разработчики SAE, предложенные ими архитектурные изменения позволят значительно уменьшить задержки передачи данных, которые особенно критичны для таких приложений, как VoIP или онлайновые интерактивные игры. Как ориентир для коротких IP-пакетов и небольшой сетевой нагрузки суммарная задержка при обращении пакета по сети LTE/SAE должна составлять около 5 мс для полосы 5 МГц и свыше 10 мс для меньшей полосы. Эти значения, по крайней мере, на 50% лучше аналогичных показателей наиболее совершенных из нынешних сетей 3G.
На пути к реальным сетям
Работа над спецификациями LTE в основном завершилась осенью 2007 года. К моменту подготовки нашего обзора разработка SAE/EPS также подходила к концу. Аналитики полагают, что первые коммерческие сети LTE появятся в 2009–2010 годах, хотя оборудование для них может быть выпущено уже в следующем году (рис. 2).
Во всяком случае, уже в феврале уходящего года, т.е. минимум за полгода до завершения работ над архитектурой и радиоинтерфейсом сетей EUTRAN, на барселонском 3GSM World Congress демонстрировались первые элементы технологии SAE. В частности, это технология множественных антенн (Multiple Input, Multiple Output, MIMO). При использовании 20-мегагерцового частотного радиоканала на рабочей частоте 2,6 ГГц скорость передачи данных составила 14,4 Мбит/с. Конечно, это значение сильно не дотягивает до теоретически возможных 100 Мбит/с в нисходящем направлении, но уже заметно превосходит быстродействие сегодняшних сетей UMTS. На Конгрессе можно было увидеть и хэндовер между сетями LTE и HSPA, а также передачу видеопотоков и файлов сразу на несколько устройств способами, фигурирующими в спецификациях LTE/SAE.
Прототипы будущих решений, которым предстоит стать строительными блоками интегральной архитектуры SAE, были представлены в текущем году и на выставке CTIA. Так, на ней демонстрировалось решение для обеспечения непрерывности голосовой связи (Voice Call Continuity, VCC) при миграции абонента из сети GSM в БЛС.
В мае 2007 года ряд производителей оборудования и операторов сетей связи (Alcatel-Lucent, Ericsson, France Telecom/Orange, Nokia, Nokia Siemens Networks, Nortel, T-Mobile и Vodafone) объявили о совместной инициативе. Она направлена на содействие практическому воплощению технологических принципов, изложенных в спецификациях LTE/SAE. На протяжении полутора-двух лет перечисленные компании намерены организовать серию испытаний, чтобы продемонстрировать возможности новых технологий с точки зрения производительности передачи данных, оценить уровень совместимости первых образцов оборудования, проверить возможности их функционирования в реальных условиях и даже организовать полномасштабное тестирование для заказчиков.