Мережа LTE складається з двох найважливіших компонентів: мережі радіодоступу E-UTRAN та базової мережі SAE (System Architecture Evolution) або EPC (Evolved Packet Core Network). (Рис. 1)
Малюнок 1. Архітектура мережі LTE
Основним досягненням такої архітектури, в порівнянні з попередніми поколіннями є менші затримки при передачі як призначених для користувача даних, так і керуючої інформації в зв'язку з проходженням через менше число проміжних елементів.
Обмін даними в мережі EPC відбувається тільки по IP протоколу з комутацією пакетів, що суттєво відрізняє мережу LTE від мереж попередніх поколінь, в яких використовувалася комутація каналів між окремими елементами. До цієї мережі входять елементи, що відповідають за управління, маршрутизацію, комутацію і зберігання різних даних, про які далі буде розказано більш докладно.
Мережа E-UTRAN, що складається з базових станцій (eNodeB) бере на себе функції радіоінтерфейсу і є сполучною ланкою між терміналами (UE) і мережею EPC. Основною особливістю, що відрізняє мережу LTE від мереж інших поколінь, є те, що базові станції eNodeB можуть обмінюватися між собою інформацією по протоколу X2 і здійснювати функції управління. На відміну від стандарту GSM, де підсистема базових станцій BSS складалася з базового приймача BTS і контролера базових станцій BSC в мережі LTE в одному елементі eNodeB об'єднані функції передавача і контролера.
У мережі LTE існує два види трафіку: передача даних користувача (UP - User Plane) і передача сигнальної інформації (CP - Control Plane). На рис.1 вони позначені суцільною і пунктирною лініями відповідно.
Призначення основних елементів мережі
БС (EnodeB) в мережі LTE виконує наступні функції:
- Управління радиоресурсами (RRM-Radio Resource Management): розподіл радіоканалів, динамічний розподіл ресурсів в висхідних і низхідних напрямках - так зване диспетчеризація ресурсів (scheduling).
- Вибір блоку управління мобільністю (MME) при включенні в мережу призначеного для користувача терміналу при відсутності у того інформації про минуле підключенні.
- Вимірювання і складання відповідних звітів для управління мобільністю та диспетчеризації.
- Маршрутизація в призначеній для користувача площині пакетів даних у напрямку до обслуговуючому шлюзу (S-GW).
- Диспетчеризація і передача викличної і мовної інформації, отриманої від блоку управління мобільністю (MME).
- Диспетчеризація і передача повідомлень PWS (Public Warning System, система тривожного сповіщення), отриманих від блоку управління мобільністю (MME).
- Стиснення заголовків IP-пакетів, шифрування потоку даних користувача.
MME (Вузол Управління Мобільністю - Mobility Management Entity)
Це основний керуючий елемент в мережі LTE. Він осуществляе тільки функції управління і не працює з одними даними. Має безпосередній зв'язок з UE через протокол сигналізації поза рівня доступу (NAS -Non Access Stratum).
- сигналізація між мережею EPC і UE.
- сигналізація в разі якщо виконує хендовер між різними мережами.
- вибір P- GW і S- GW
- вибір SGSN в разі коли здійснюється хендовер в мережі 2G або 3G
- роумінг
- законний перехоплення сигналізації
- аутентифікація: при реєстрації UE в мережі MME порівнює його постійний реєстраційний номер з номером знаходиться в базі даних HSS (Home Subscription Server) для перевірки його справжності.
- управління каналами на інтерфейсах до інших елементів мережі
S-GW (Serving Gateway - обслуговуючий шлюз):
Призначений для обробки і маршрутизації пакетних даних, що надходять з / в підсистему базових станцій. SGW маршрутизує і направляє пакети з одними даними, в той же час виконуючи роль вузла управління мобільністю (mobility anchor) для призначених для користувача даних при хендовера між базовими станціями (eNodeB), а так само як вузол управління мобільністю між мережею LTE і мережами з іншими технологіями 3GPP . Коли UE вільний і не зайнятий викликом, S-GW підключає спадний канал даних (DownLink - DL) і виробляє пейджинг, якщо потрібно передати дані по DL в напрямку UE. Він керує і зберігає стану UE (наприклад вимоги по пропускній здатності для IP-сервісів, внутрішню інформацію з мережевої маршрутизації). Він так само надає копію призначених для користувача даних при узаконене перехопленні.
S-GW відповідає за виконання таких функцій:
- Вибір точки прив'язки ( "якоря") локального місця розташування (Local Mobility Anchor) при хендовера.
- Буферизація пакетів даних в низхідному напрямку, призначених для UE, що знаходяться в режимі очікування, і ініціалізація процедури запиту послуги.
- Санкціонований перехоплення інформації користувачів.
- Маршрутизація і перенаправлення пакетів даних.
- відправляє різні події в PCRF (початок з'єднання, завершення з'єднання)
- Формування облікових записів користувачів і ідентифікатора класу якості обслуговування для тарифікації.
- Тарифікація абонентів.
PGW (Пакетний шлюз - Packet Data Network Gateway):
Пакетний шлюз забезпечує з'єднання від UE до зовнішніх пакетних мережах даних, будучи точкою входу і виходу трафіку для UE. UE може мати одночасно з'єднання з більш ніж одним P-GW для підключення до декількох мереж. PGW виконує функції захисту, фільтрації пакетів для кожного користувача, підтримку білінгу, узаконеного перехоплення і сортування пакетів. Інша важлива роль P-GW - бути вузлом управління мобільністю між 3GPP і не-3GPP технологіями, такими як WiMAX і 3GPP2 (CDMA 1X і EvDO).
P-GW забезпечує виконання таких функцій:
PCRF (Вузол виставлення рахунків абонентам - Policy and Charging Rules Function):
Policy Function (управління політикою) також може бути розділене на 2 функції: контроль шлюзу (gating control) і контроль якістю. Під контролем шлюзу (gating control) розуміється своєчасність і безпомилковість визначення таких подій як початок надання, зміна параметрів, завершення надання послуги і т.п. Управління якістю включає в себе безперервний моніторинг і підтримання заданих абонентськими параметрами характеристик якості надання послуг (QoS) причому не тільки для голосових з'єднань, але і для пакетних сесій.
Charging Function (управління нарахуванням плати) обов'язково передбачає on-line тарифікацію, тобто абонент і оператор можуть в реальному часі відстежувати стан рахунку. PCRF повинен підтримувати кілька моделей нарахування плати: за наданим обсягом послуг, по витраченому на послугу часу, за фактом надання послуги, а також комбіновані моделі.
PCRF повинен виконувати зазначені вище функції навіть коли абонент знаходяться за межами операторської мережі.
HSS (Home Subscriber Server - сервер абонентських даних мережі):
HSS являє собою велику базу даних і призначений для зберігання даних про абонентів. HSS фактично замінює набір регістрів (VLR, HLR, AUC, EIR), які використовувалися в мережах 2G і 3G.
HSS служить для зберігання такої інформації:
Генерує дані, необхідні для здійснення процедур шифрування, аутентифікації і т.п.
Мережа LTE може включати один або декілька HSS. Кількість HSS залежить від географічної структури мережі і числа абонентів.