LTE и WiFi
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
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
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
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
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
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
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
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.
14. Беспроводные локальные сети (Wi-Fi)
Беспроводные локальные сети сегодня рассматриваются как дополнение к проводным сетям, а не как конкурентное решение. Отношение к беспроводным локальным сетям не всегда было таковым, в середине 90-х было популярно мнение, в соответствии с которым все большее число локальных сетей будет переходить на беспроводные технологии. Преимущество беспроводных локальных сетей очевидно ‑ их проще и дешевле разворачивать и модифицировать, так как вся громоздкая кабельная и инфраструктура оказывается излишней. Еще одно преимущество — обеспечение мобильности пользователей. Однако за эти преимущества беспроводные сети расплачиваются большим перечнем проблем, которые несет с собой неустойчивая и непредсказуемая беспроводная среда.
Бурное развитие технологии беспроводной связи привело к тому, что пользователи, не успев привыкнуть к одному стандарту, вынуждены переходить на другой, предлагающий еще более высокие скорости передачи. Речь, конечно же, идет о семействе протоколов беспроводной связи, известном как IEEE 802.11, куда входят следующие протоколы: 802.11, 802.11b, 802.11b+, 802.11a, 802.11g. В последнее время стали говорить и о расширении протокола 802.11g.
Различные типы беспроводных сетей отличаются друг от друга и радиусом действия, и поддерживаемыми скоростями соединения, и технологией кодирования данных. Так, стандарт IEEE 802.11b предусматривает максимальную скорость соединения 11 Мбит/с, стандарт IEEE 802.11b+ — 22 Мбит/с, стандарты IEEE 802.11g и 802.11a — 54 Мбит/с.
Будущее стандарта 802.11a довольно туманно. Наверняка в России и в Европе этот стандарт не получит широкого распространения, да и в США, где он сейчас используется, скорее всего, в ближайшее время произойдет переход на альтернативные стандарты. А вот новый стандарт 802.11g имеет значительные шансы завоевать признание во всем мире. Другое преимущество нового стандарта 802.11g заключается в том, что он полностью совместим со стандартами 802.11b и 802.11b+, то есть любое устройство, поддерживающее стандарт 802.11g, будет работать (правда, на меньших скоростях соединения) и в сетях стандарта 802.11b/b+, а устройство, поддерживающее стандарт 802.11b/b+ — в сетях стандарта 802.11g, хотя и с меньшей скоростью соединения.
Совместимость стандартов 802.11g и 802.11b/b+ обусловлена, во-первых, тем, что они предполагают использование одного и того же частотного диапазона, а во-вторых, что все режимы, предусмотренные в протоколах 802.11b/b+, реализованы и в стандарте 802.11g. Поэтому стандарт 802.11b/b+ можно рассматривать как подмножество стандарта 802.11g.
14.1. Стек протоколов ieee 802.11
Естественно, что стек протоколов стандарта IEEE 802.11 соответствует общей структуре стандартов комитета 802, то есть состоит из физического уровня и уровня MAC, над которыми работает уровень LLC. Как и у всех технологий семейства 802, технология 802.11 определяется нижними двумя уровнями, то есть физическим уровнем и уровнем МАС, а уровень LLC выполняет свои стандартные общие для всех технологий LAN функции. Так как искажения кадров в беспроводной среде более вероятны, чем в проводной, уровень LLC должен, скорее всего, использоваться в режиме LLC2. Но это уже не зависит от технологии 802.11, режим работы уровня LLC выбирается протоколами верхних уровней.
Структура стека протоколов IEEE 802.11 показана на рис. 14.1.
На физическом уровне существует несколько вариантов спецификаций, которые отличаются используемым частотным диапазоном, методом кодирования и как следствие – скоростью передачи данных. Все варианты физического уровня работают с одним и тем же алгоритмом уровня MAC, но некоторые временные параметры уровня MAC зависят от используемого физического уровня.
Рисунок 14.1. Стек протоколов IEEE 802.11