В сентябре 1991 года в Санкт-Петербурге был совершен первый в России звонок по мобильному телефону давно канувшего в Лету стандарта NMT-450. Такая роскошь стала доступна мэру города на Неве Анатолию Собчаку. 30 лет спустя мы не только имеем личные многофункциональные смартфоны в кармане, но и обсуждаем запуск корпоративных сотовых сетей, или Private LTE.

Этот колоссальный прогресс был бы невозможен без огромных усилий, которые приложило все мировое IT-сообщество. Мы скромно причисляем себя к нему, так как включились в эту гонку более 20 лет назад. Поэтому решили сделать небольшой обзор, в котором собрали общую информацию по сетям Private LTE. Дальнейшие публикации будут более подробно раскрывать различные технические аспекты технологии и реальные кейсы внедрения.

Private LTE в кармане

На уровне национальных сетей внедрение LTE в России шло c 2011 года с использованием имеющейся инфраструктуры ведущих операторов связи и постепенным переходом к повсеместной «незаметной» эксплуатации благ LTE.

Если с личными сотовыми телефонами и их преимуществами для пользователей все очевидно, то с частными сотовыми сетями ситуация не столь однозначна. Неужели традиционного корпоративного тарифа для компаний от проверенного оператора недостаточно? Зачем тратить силы и средства для создания, по сути, дублирующей инфраструктуры сотовой сети?

Здесь напрашивается аналогия с корпоративными сетями Ethernet. Хотим гарантировать уровень безопасности – защитим или отключим доступ в WWW. А как это гарантированно сделать на сети стороннего оператора? А если покрытие не соответствует вашим запросам? А если функционал не учитывает всю специфику работы или пропускная способность низковата?

Варианты решения

Вот тут и возникает идея создания корпоративной сотовой сети (Private LTE/5G). Ее главный козырь – безопасность и полный контроль над всеми компонентами. Безопасность любой попавшей в сеть информации, содержащей коммерческую, производственную или даже государственную тайну будет гарантирована ее недоступностью для внешних связей и заданной самим владельцем политикой безопасности.

Администрирование, масштабирование, обновление, текущая эксплуатация также будут находиться в зоне ответственности самих сотрудников владельца сети. Это значительно снижает время реакции на запросы пользователей и позволяет адаптировать ресурсы сети под текущие нужды каждой из категорий пользователей. Да и просто все ниточки управления будут в руках владельца подобной сети.

При рассмотрении финансовой составляющей можно также увидеть ряд преимуществ: средства на связь не уходят стороннему оператору, а остаются в бюджете компании. Рост объема трафика, количества пользователей, расширение спектра услуг и распределение уровней доступа среди внутренних абонентов полностью в руках владельца частной сети. Вместо платы за услуги стороннему поставщику владелец несет затраты ниже и только на текущую эксплуатацию.

Private LTE в целом предполагает более низкую совокупную стоимость владения (TCO), чем покупка коммерческого пакета от уже существующих операторов. А в России это еще накладывается на удаленность ряда производств, нестабильное покрытие сотовыми сетям или полное его отсутствие.

Таким образом мы приходим к идее внедрения частных сотовых сетей. Как же реализована техническая сторона вопроса? Схема Private LTE предполагает развертывание 4 базовых и 5 опциональных компонентов.

Базовые компоненты

GGSN/PGW - ключевой элемент пакетной сети, отвечающий за маршрутизацию трафика передачи данных одушевленных и неодушевленных пользователей сети. Принимает непосредственное участие в установлении PDP контекста, напрямую взаимодействуя с управляющим узлом пакетной сети (SGW/MME). Выполняет задачи управления абонентскими сессиями.

SGW/MME является ядром сети мобильной связи, производит маршрутизацию и передачу пакетов с данными пользователей, в то же время выполняя роль узла управления мобильностью для пользовательских данных при хэндовере между базовыми станциями (eNodeB), а также отвечает за мониторинг и управление сигнализацией между пользовательским устройством и сетью.

HLR/HSS/AUC представляет собой специализированную базу данных, которая содержит информацию о каждом устройстве, зарегистрированном в сети, а также отвечает за реализацию алгоритма аутентификации. Кстати, в качестве идентификатора устройства или пользователя в HLR могут быть зарегистрированы как физические SIM-карты, так и eSIM.

IMS (S-CSCF+I-CSCF+TAS) предназначен для обслуживания голосовых сервисов и видеозвонков с высоким качеством звука, низкими задержками и высокой надежностью. Сам владелец сети может задавать уровень качества и отслеживать его поддержание, без обращения к сторонним службам оператора публичной сотовой сети, регулировать необходимый набор сервисов и доступа к ним.

Опциональные, но крайне полезные

MCPTT- сервер поддержки профессиональной подвижной радиосвязи поверх LTE для организации мгновенной, широковещательной связи. Один из перспективных вариантов применение решения Private LTE, позволяющий обеспечить мониторинг и контроль критической инфраструктуры (энергоснабжение, электростанции, транспорт) и устанавливать широкополосную технологическую связь с элементами Unified Communications. Например, на экране смартфона пользователь MCPTT приложения может увидеть такую картину.

M2M-платформа, отвечающая за управление M2M устройствами и их параметрами активности, формально отнесем к разделу дополнительных систем при построении Private LTE. Однако в большинстве проектов именно ее внедрение будет поводом для разворачивания самой частной сети. Сбор данных с многочисленных датчиков производственных линий, подвижных и неподвижных объектов, систем мониторинга, их анализ и триггеры с прописанными сценариями – все это реализуется именно платформой M2M. Необходимость ее присутствия в частной сети определятся требованиями и задачами владельца.

DPI система глубокого анализа трафика и применения политик для управления пакетным трафиком, которая позволяет достигнуть максимальной эффективности использования существующей полосы пропускания. В случае с Private LTE установка этой подсистемы позволяет четко контролировать распределение имеющейся полосы пропускания и выставлять приоритеты для поступающего в системы трафика. Например, данные телеметрии могут идти с более низким приоритетом относительно MCPTT вызовов.

STP обеспечивает поддержку маршрутизации сигнальных сообщений, контролирует условия пропуска для определенного типа сигнального трафика. Все задачи, требующие маршрутизации сигнального трафика или конкретных сообщений в рамках корпоративной сети LTE, взаимодействие с сегментами публичной сотовой сети, при необходимости, и внедрение новых услуг могут быть решены с помощью STP.

DRA управление и маршрутизация Diameter-трафика в целях аутентификации, авторизации и учёта различных сервисов. Становится актуальным, если необходимо разделять профили абонентов по уровням доступа или предоставлять различные условия пользования разным категориям пользователей, например, вызовы на внешние номера будут доступны, но могут тарифицироваться.

Этот комплекс платформ не является обязательным для старта полноценной работы собственно услуг Private LTE, но вполне может быть внедрен при необходимости усложнения сети и роста потребностей владельца.

Один – хорошо, но хочется больше!

Выше мы рассмотрели вариант развёртывания сети Private LTE для одного территориального объекта. А если стоит задача объединить в рамках сети несколько разнесенных объектов, то задача усложняется, но имеет решение. Для сохранения требуемого уровня безопасности весь обмен данными происходит по защищенным каналам связи, как с другими объектами в рамках Private LTE, так и с оборудованием публичных сетей.

Подобная схема реализации приводит нас в чистом виде к идее создания виртуального мобильного оператора (MVNO), например, для объединения отдельных объектов, обеспеченных услугами Private LTE, или для создания национальных ведомственных проектов. Так что для создания частных сетей регионального и даже национального масштаба уже существуют готовые схемы внедрения и технические решения.

А что будет при переходе к 5G?

Стандарт LTE уже «поджимают» со всех сторон разговоры и внедрения следующего поколения мобильных сетей 5G. Поэтому самое время оценить возможность реализации частной сети сразу на перспективном стандарте связи. Самым болезненным моментом в России является выделение подходящих частот, либо уже занятых ведомственной связью, либо зарезервированных для других.

Лучшим для технической реализации 5G признан диапазон 3,4-3,8 ГГц. Более того, в этом диапазоне уже работают реальные сети в разных странах, например, в США эксплуатируются диапазоны 3,5-3,7 МГц, в Южной Корее используются частоты 3,4-3,7 ГГц и 26,5-29,5 ГГц, в Китае планируют использовать 3,4 – 3,6 ГГц, 26 ГГц и 40 ГГц, а в Японии были согласованы частоты 3,6-4,2 ГГц и 4,4-4,9 ГГц. Логично было бы идти по уже проторенному пути, но эти частоты в нашей стране заняты под нужды Министерства обороны.

Подобный дефицит частот и обсуждение возможности создания национального инфраструктурного оператора приводят тему с 5G практически к модели DCN/MVNO (Dedicated Core Networks). А опыт подобных внедрений уже накоплен и «подводные камни» изучены.

Решения Private 5G могут быть востребованы в таких областях, как управление беспилотными устройствами, видеосвязь на объектах ЧС, обеспечение связи определенным категориям лиц в местах высокой концентрации населения. Выбор реализации Private LTE или Private 5G должен опираться на всесторонний экономический и технологический анализ.

В архитектуру 5G изначально заложены механизмы разделения ресурсов и управления слайсингом, что позволяет эффективно строить Private 5G операторов и управлять качеством услуги end-to-end. Поэтому будущее за 5G, и уже сейчас можно начинать путь в это будущее, постепенно внедряя доступные 5G элементы сети по модели NSA (Non-Standalone).

Подведем итоги

Концепция частных мобильных сетей входит в нашу жизнь и уже не кажется чем-то недостижимым. Существуют и продуманные архитектуры решений, и примеры успешных внедрений в мире, а главное понимание, что мобильная частная сеть – отличный инструмент для решения целого ряда конкретных задач, включая национальные.

Опираясь на этот материал можно всесторонне примерить модель Private LTE/5G для решения конкретных задач промышленной автоматизации, цифровизации и безопасности и оценить возможные схемы построения. Путь от первого звонка в сотовой сети через 30 лет привел к идее частных сетей и широкополосному доступу в них и открыл массу новых возможностей. Исследуем их вместе?