Привет, Хабр! На связи Михаил Бухтеев, ведущий технический менеджер продукта в YADRO. Я отвечаю за планирование функционала базовой станции LTE. В статье расскажу об архитектурах сетей сотовых операторов в России, которые обеспечивают работу более 260 миллионов абонентских устройств. 

Мобильные сети — это сложная экосистема, которая помогает десяткам миллионов людей быть онлайн. 2G, 3G, 4G, а скоро и 5G — каждое поколение выполняет свою задачу. Давайте разберемся, как операторы управляют этим технологическим коктейлем, узнаем, почему 3G уходит в прошлое, а 2G и 4G останутся с нами надолго. Также поговорим о преимуществах сетей пятого поколения.

Основные компоненты мобильной сети

Мобильная сеть состоит из двух подсистем: радиоподсистемы и опорной сети. 

Радиоподсистема включает базовые станции, контроллеры 2G (BSC) и контроллеры 3G (RNC). 

Опорная сеть состоит из нескольких систем, которые обеспечивают обработку голосового и пакетного трафика, тарификацию, авторизацию в сети и управление политиками обслуживания абонентов. Эти системы сегодня в основном реализованы в виде программного обеспечения, которое работает на серверах общего пользования.

Для мониторинга производительности и сбоев используются системы управления сетью. Также они нужны для настройки сети и обновления ее программного обеспечения.

Четыре поколения мобильной связи

Сети операторов сотовой связи в России поддерживают сети второго, третьего и четвертого поколений и готовятся к внедрению 5G.

Давайте разберемся, чем эти поколения отличаются друг от друга.

Мобильная связь стандарта 2G — самая «старая» из поддерживаемых российскими операторами. Она предоставляет базовые сервисы: голосовые звонки, СМС и низкоскоростной доступ в интернет. Несмотря на солидный возраст, 2G вряд ли в ближайшее время станет историей. На рынке до сих пор много телефонов и умных устройств, которые совместимы только с 2G-сетями.

Поколение 3G предоставляет голосовые услуги, СМС, а также заметно увеличивает скорость мобильного интернета. С технологией HSPA сеть может обеспечивать скорость доступа до нескольких десятков Мбит/с, что сравнимо с проводным интернетом. Однако сотовые операторы постепенно отказываются от 3G, так как пользовательских устройств с поддержкой только 2G/3G и без совместимости с 4G сравнительно немного.

Сети поколения 4G значительно увеличили скорость мобильного интернета, также в них улучшена реализация обеспечения качества услуг. Но у 4G есть и другие преимущества. Четвертое поколение позволяет операторам оказывать другие услуги, такие как VoLTE, голосовые вызовы через Wi-Fi, критически важные сервисы и подключение к сети устройств с низким энергопотреблением. Сегодня это наиболее востребованная и распространенная технология.

5G обеспечивает еще более высокую скорость передачи данных, сверхнизкие задержки, поддерживает сетевой слайсинг для создания виртуальных сетей под разные сервисы, а также MEC, который позволяет выносить сервисы ближе к пользователю для снижения задержек. Кроме того, 5G может использоваться в неназемных сетях для создания глобального покрытия.

А если вас интересует эволюция безопасности мобильных сетей и вы не знаете, почему лучше отказаться от использования старых поколений связи, читайте эту статью →

Типы мобильных сетей

Выделим два основных типа построения мобильной сети с точки зрения применения:

• Сеть мобильного оператора связи — это мобильная сеть на территории всей страны или региона для предоставления услуг связи абонентам. Она включает в себя как базовые станции, так и опорную сеть. Также существуют виртуальные мобильные операторы. Они переиспользуют радиоподсистему и часть компонентов опорной сети мобильного оператора.

• Частная сеть — обычно относительно небольшая изолированная сеть, например на территории промышленного предприятия. Она нужна для подключения умных устройств и служебных устройств сотрудников.

Далее в статье мы поговорим об устройстве и принципах построения сетей мобильных операторов связи в России с упором на технологию LTE, которая наиболее востребована.

Ключевые архитектуры в сети оператора связи

Разберемся, как устроена сеть оператора связи для обеспечения всего спектра услуг: мобильный интернет, голосовые услуги, включая вызовы через Wi-Fi, а также подключение умных устройств.

Взаимодействие для сервисов передачи данных

Большинство операторов для взаимодействия между технологиями мобильной связи в части сервисов передачи данных используют архитектуру с Gn/Gp SGSN.

Поясню, какие основные компоненты мы видим на схеме выше:

• UE (User Equipment) — пользовательское устройство.

• E-UTRAN, UTRAN и GERAN — радиоподсистемы 4G, 3G и 2G, соответственно.

• Gn/Gp SGSN (Serving GPRS Support Node) — узел обслуживания абонентов пакетной сети передачи данных сетей 2G и 3G.

• MME (Mobility Management Entity) — узел управления мобильностью в 4G.

• SGW (Serving Gateway) — обслуживающий шлюз сети 4G.

• PGW (Packet Data Network Gateway) — пакетный шлюз с интерфейсом Gn, то есть комбинированный узел GGSN/PGW.

• HSS (Home Subscriber Server) — сервер абонентских данных.

• PCRF (Policy and Charging Rules Function) — узел политики и правил начисления платы.

Отмечу, что в мобильной сети всегда работают и другие системы, которые не представлены на схеме выше. Например, SMS-C, которая отвечает за отправку коротких сообщений, или OCS для тарификации в режиме реального времени.

Мобильный трафик идет от абонента до базовой станции по радиоинтерфейсу и далее по транспортной сети оператора связи до шлюзов SGW и PGW — только потом выходит в интернет. Трафик на радиоинтерфейсе между устройством и базовой станцией, как правило, зашифрован, например, широко распространенным протоколом AES.

Трафик между базовой станцией и шлюзом SGW может быть зашифрован с помощью IPsec. Оператор анализирует трафик с помощью системы глубокого инспектирования трафика DPI. Эту систему реализуют на шлюзе PGW или на отдельном сетевом элементе — это так называемый standalone DPI.

Обычно для передачи мобильного трафика служит несущая по умолчанию (default bearer), которая позволяет подключиться к пакетным услугам. Несущая по умолчанию всегда является non-GBR, то есть не гарантирует скорость передачи данных. Поэтому при увеличении количества пользователей, которые подключены к одной базовой станции, скорость мобильного интернета снижается для каждого устройства. 

Для голосовых вызовов по сети LTE (VoLTE) используются две несущие. Первая — несущая по умолчанию с QCI5 для сигнальных сообщений. Вторая — выделенная несущая с гарантированной полосой пропускания (QCI1) для голосового трафика.

При перемещении пользовательского устройства между базовыми станциями обрыва связи не происходит благодаря контролируемой передаче управления соединением от одной базовой станции другой (процедура handover). При этом устройство обычно обслуживается теми же системами опорной сети. Впрочем, возможна смена сигнального узла MME или шлюза SGW.

Больше про функцию handover и ее тестирование в телекоме читайте по ссылке → 

Если 4G-покрытие от обслуживающей базовой станции ухудшается и рядом нет соседней 4G-станции, то устройство с помощью процедуры handover переводится на 3G-станцию либо перенаправляется на 2G-станцию.

Перевод голосовых соединений из 4G в 2G или 3G

Иначе устроено взаимодействие между разными технологиями, когда совершается голосовой вызов. Голосовой вызов в LTE обслуживается теми же системами опорной сети, что и пакетные услуги, — MME, SGW и PGW, а также системой IMS. 

Если голосовой вызов совершается в сетях 2G и 3G, то его обслуживают голосовые коммутаторы MSC-S и MGW. Во время голосового handover, то есть процедуры SRVCC, устройство не только переключается на другую базовую станцию, но и переводит голосовой трафик с пакетной передачи данных на голосовые коммутаторы. Обязательное условие — наличие интерфейса Sv между MME и сервером MSC-S.

Еще одна процедура перевода устройства из LTE в 3G или 2G называется CSFB. Она используется, если по какой-то причине голосовой звонок не может быть совершен в сети LTE: при установлении голосового соединения устройство переводится из LTE в 2G или 3G, и голосовой звонок совершается в одной из этих технологий. Обязательным является наличие интерфейса SGs между MME и сервером MSC-С.

Мобильность устройств в режиме ожидания

Если устройство не используется, оно переходит из активного состояния (active) в спящее (idle). В этом состоянии оно самостоятельно перевыбирает соты при движении на основе системной информации SIBs, которую получает от базовой станции.

Для перевыбора соты, работающей на той же частоте (intra-frequency), используется SIB3. Если необходимо перейти на соту LTE, работающую на другой частоте (inter-frequency), применяется SIB5. При выборе соты 3G задействуется SIB6, а для перехода на 2G — SIB7.

Совместное использование сети

Для экономии ресурсов операторы могут совместно использовать некоторые компоненты сети (Network Sharing). Существуют три основные архитектуры совместного использования активных узлов сети:

• MORAN (Multi-Operator RAN) позволяет совместно использовать базовую станцию, но при этом каждый оператор работает в своем частотном канале.

  MOCN (Multi-Operator Core Network) позволяет совместно использовать базовую станцию и частотный ресурс, так как в одной соте может передаваться список идентификаторов нескольких операторов (PLMN ID list).

  GWCN (Gateway Core Network) позволяет совместно использовать базовую станцию и сигнальный узел опорной сети — например, MME в случае 4G.

При совместном использовании пассивных компонентов задействуется общая пассивная инфраструктура, например антенны, башня или площадка для базовой станции.

Дополнительные услуги мобильных сетей

Мы обсудили основные варианты архитектуры и принципы, которые позволяют устройству перемещаться внутри сети во время голосового звонка или при использовании мобильного интернета. Давайте еще поговорим о других услугах, которые может предоставить сеть оператора связи.

Голосовые вызовы по Wi-Fi

Услуга «Вызовы через Wi-Fi» позволяет осуществлять голосовые звонки через сеть Wi-Fi. Ее поддерживает большинство современных смартфонов. Сервис использует архитектуру, которая изображена на схеме ниже.

Ключевые узлы на схеме:

• Untrusted Non-3GPP IP Access — недоверенный Non-3GPP доступ к IP, это сеть Wi-Fi.

• ePDG (Evolved Packet Data Gateway) — шлюз для подключения устройства из недоверенной сети к сети оператора связи.

Смартфон, который подключен к сети Wi-Fi, устанавливает IPSec-туннель до шлюза ePDG. Последний подключен к шлюзу PGW по интерфейсу S2b. Так голосовой трафик попадает в пакетное ядро мобильного оператора.

Интернет вещей

Мобильная сеть позволяет подключать устройства с низким энергопотреблением. Многие операторы реализуют такие услуги в соответствии с архитектурой, которую рекомендует консорциум 3GPP. Она показана на рисунке ниже.

Базовые станции LTE с активированным функционалом NB-IoT подключают к выделенным элементам MME, SGW, PGW. Такой комбинированный узел получил название C-SGN. Для взаимодействия мобильной сети и приложений IoT используется SCEF.

5G: будущее мобильных сетей

Теперь поговорим о том, как изменится мобильная сеть при использовании технологии 5G. Есть два варианта построения сети:

• 5G NSA (Non-Standalone) — использование опорной сети LTE, то есть компонентов MME, SGW, PGW, HSS, к которым подключены не только базовые станции LTE, но и 5G. Устройство по радиоинтерфейсу передает данные одновременно по 4G и 5G, что позволяет увеличить скорость передачи данных.

• 5G SA (Standalone) — использование опорной сети 5G, то есть компонентов AMF, SMF, UPF, NRF и так далее, к которым подключены базовые станции 5G. Именно такой вариант позволяет реализовать все преимущества сетей пятого поколения, о которых я упоминал в начале статьи.

Еще раз назову основные плюсы 5G-сетей: скорость мобильного интернета на порядок выше, чем в LTE, сверхнизкие задержки и более надежное соединение, сетевой слайсинг, MEC, неназемные сети.

При запуске 5G SA снова возникает важный вопрос: как обеспечить бесшовное взаимодействие с сетями предыдущих поколений, прежде всего с 4G. Одной из ключевых задач становится handover между 4G и 5G, чтобы при отсутствии покрытия 5G связь не обрывалась, и пользователи не испытывали проблем с сервисами.

Эта задача решается с помощью архитектуры взаимодействия 5GS и EPC/E-UTRAN, которая включает:

• совмещенную базу данных (HSS + UDM),

• интерфейс N26 между сигнальными функциями MME и AMF,

• объединенную функцию управления сессиями (SMF + PGW-C),

• объединенную функцию обработки трафика (UPF + PGW-U).

Благодаря такому подходу пользователи могут плавно переключаться между 4G и 5G, сохраняя соединение без разрывов и ухудшения качества услуг.

Заключение

Сегодня в сетях мобильных операторов наиболее востребованы технологии 2G и 4G, в то время как 3G постепенно уходит в прошлое. Операторы связи отказываются от этой технологии, перераспределяя освободившийся частотный ресурс в пользу 4G, что позволяет увеличить емкость сети и упростить архитектуру. Но будущее — за 5G. Эта технология не не просто позволяет увеличить скорость мобильного интернета, но и открывает новые возможности для цифрового мира.

Современные мобильные сети — это не только СМС, голосовая связь и мобильный интернет. Они становятся платформой для подключения самых разных умных устройств:

• умный город: освещение, подключенные автомобили и контроль трафика,

• индустриальные IoT-решения: мониторинг оборудования и автоматизация производства,

• NB-IoT — технология связи для устройств с низким энергопотреблением, которые могут годами работать на одной батарее.

Спецификации консорциума 3GPP определяют принципы работы и архитектуру мобильных сетей.

Мир мобильной связи стремительно меняется, и операторы адаптируются к этим изменениям. Они обеспечивают не только стабильность сервиса, но и новые возможности для пользователей.

Полезные ссылки

Все спецификации, которые упомянуты в статье, можно найти на портале 3GPP.