Интеграция 5G: как обеспечить непрерывность связи между поколениями сетей

Привет, Хабр! На связи Михаил Бухтеев, технический эксперт по продукту в YADRO. Я занимаюсь планированием функциональностей базовых станций LTE и 5G.

В прошлой статье я рассказал, как устроены сети 2G, 3G и 4G. Недавно в России операторам разрешили развертывать 5G и на новых частотах, и в диапазонах, уже используемых для LTE. Но как встроить новое поколение связи в существующую инфраструктуру, чтобы абоненты могли бесшовно переключаться между сетями и не терять связь?

Разберемся, как это устроено на практике.

Глоссарий

Эти термины и сокращения пригодятся на протяжении всей статьи: 

• MME (Mobility Management Entity) — узел управления мобильностью. По сути «диспетчер» LTE-сети: отслеживает, где находится устройство, управляет его подключением к сети и помогает ему переключаться между базовыми станциями.

• SGW (Serving Gateway) — обслуживающий шлюз, через который проходит пользовательский трафик устройств. 

• eNB (eNodeB / Master eNB) — базовая станция LTE, которая обеспечивает радиосвязь с устройством и в режиме 5G NSA выступает главным узлом, управляющим подключением к сети.

• en-gNB (более часто в спецификациях 3GPP встречается термин Secondary gNB, SgNB, который мы и будем использовать) — базовая станция 5G, которая в режиме 5G NSA подключается к eNB и добавляет к LTE-соединению 5G-радиоканал.

• gNB (Next-Generation NodeB) — базовая станция сети 5G в архитектуре Standalone.

• AMF (Access and Mobility Management Function) — это функция управления доступом и мобильностью в ядре сети 5GC.

• UPF (User Plane Function) отвечает за обработку и пересылку пользовательского трафика.

• SMF (Session Management Function) — функция управления сессиями, отвечающая за обработку сессий данных.

Виды архитектур 5G

Различают две основные архитектуры построения сети 5G, предложенные спецификациями 3GPP 15-го релиза:

Неавтономная архитектура 5G (5G non-standalone, NSA). Такой вариант также называют «E-UTRA-NR Dual Connectivity (EN-DC)» или «Опция 3». Он предполагает использование опорной сети LTE: MME, SGW, PGW, HSS, PCRF. К ней подключены не только базовые станции LTE, но и 5G. Устройство по радиоинтерфейсу передает данные одновременно и по 4G, и по 5G, что увеличивает скорость передачи данных.

Такой вариант позволяет развернуть сеть пятого поколения в минимальные сроки и с минимальными изменениями в существующей сети

Автономная архитектура 5G (5G standalone, SA), также «Опция 2». В такой архитектуре используются только компоненты сети пятого поколения: базовые станции и опорная сеть 5G. Благодаря такой конфигурации можно реализовать все сервисы 5G: сетевой слайсинг (Network Slicing), граничные  вычисления (edge computing — MEC) и другое. При этом такая архитектура требует существенных изменений в опорной сети, поэтому могут потребоваться годы для перехода.

Приглашаем разрабатывать телекоммуникационное оборудование, которое поддерживает новое поколение связи, вместе с нами!

Открытые вакансии можно посмотреть на карьерном сайте.

Интеграция 5G NSA

Если 5G запускается в существующем частотном ресурсе, например 800-2600 МГц, то достаточно перенастройки установленной базовой станции.  Если же 5G запускается в новом диапазоне, например TDD 4900 (диапазон n79), потребуется дополнительное оборудование. Возможны два варианта: 

1. Добавить радиомодули к существующей базовой станции и тем самым сохранить моновендорное решение. 

2. Установить отдельную базовую станцию 5G и подключить ее к существующей базовой станции 4G по стандартному интерфейсу EN-DC X2, предназначенному как раз для такого соединения. Может быть использована базовая станция другого производителя — тогда получится мультивендорное решение.

О последнем варианте поговорим более подробно.

Базовая станция 5G подключается к LTE, используя процедуру установки EN-DC X2, обычно она инициируется базовой станцией LTE. Теперь они работают «в связке».

Мобильное устройство подключается к сети LTE, устанавливает PDN-сессии с несущими по умолчанию (default bearer). Например, несущая по умолчанию (default bearer) с классом обслуживания (QoS) QCI 9 обычно используется для передачи данных, а несущая по умолчанию с QCI 5 — для передачи сигнальной информации для голосового звонка (VoLTE). Выделенная несущая с QCI1 для передачи голосового трафика (VoLTE). От опорной сети до базовой станции данные идут по S1-U интерфейсу и далее по радиоинтерфейсу до устройства. На схеме выше (Архитектура сети 2G/3G/4G/5G NSA) — указано зеленым цветом.

При поддержке устройством 5G NSA базовая станция 4G (MeNB/MN) может сконфигурировать для устройства передачу данных сразу по двум технологиям — LTE и 5G. Этот процесс называется процедурой SgNB Addition (Secondary gNodeB Addition).

Теперь данные идут по новому пути: от SGW до 5G базовой станции по S1-U интерфейсу. На БС данные разделяются (Split Bearer): часть идет по 5G-радиоинтерфейсу до устройства, а часть — по X2-U до БС 4G и далее по радиоинтерфейсу 4G до устройства. В результате увеличивается скорость передачи данных. На архитектурной схеме сети выше и на рисунке это обозначено синим цветом.

Сеть может отключить 5G-соединение (5G bearer) для устройства, оставив его работать только в сети 4G LTE с помощью процедуры SgNB Release. Это происходит, например, если устройство не передает данные или при потере радиосвязи между устройством и базовой станцией (Radio Link Failure, RLF).

Помимо описанных выше процедур есть и другие. Например:

• Secondary Node Modification (MN- or SN-Initiated) — позволяет изменить, установить или удалить контекст несущей (bearer contexts).

• PSCell Change — это смена главной обслуживающей соты на стороне вторичной станции SgNB.

• Inter-MN Handover with/without SN Change — обеспечивает мобильность между MeNB со сменой, либо без смены SgNB.

Процедуры мобильности между технологиями, например CSFB, SRVCC или Release with Redirect в сеть GSM, остаются без изменений.

Интеграция сетей 5G SA

Архитектура 5G SA, как я уже писал выше, включает в себя базовые станции, опорную сеть 5G и поддерживает все сервисы нового поколения связи.

На схеме ниже:

• UE (User Equipment) — мобильное устройство;

• (R)AN (Radio Access Network) — базовая станция 5G; 

• UPF (User Plane Function) — компонент, отвечающий за обработку трафика в опорной сети; 

• остальные элементы — сигнальные узлы опорной сети. 

Устройство регистрируется в сети и устанавливает пакетную сессию (PDU session). Данные идут от устройства до базовой станции по радиоинтерфейсу, затем до UPF по транспортной сети оператора (N3) и затем выходят в интернет (DN, Data Network). При движении между базовыми станциями происходит хэндовер (handover) — процедура переключения. В сети оператора связи требуется обеспечить непрерывность обслуживания в том числе и при переходе между LTE и 5G SA. Архитектура, представленная на схеме ниже, позволяет обеспечить такую мобильность. Это достигается благодаря использованию:

• совмещенной базы данных LTE/5G (HSS + UDM);

• интерфейса N26 между сигнальными функциями 4G (MME) и 5G (AMF);

• объединенной функции управления сессиями 4G/5G (SMF + PGW-C);

• объединенной функции обработки трафика 4G/5G (UPF + PGW-U).

Какие есть виды мобильности в сетях LTE и 5G SA? Рассмотрим три основных способа, которые обеспечивают переход устройства между двумя технологиями связи.

EPS Fallback

EPS Fallback — процедура перевода устройства из сети 5G в LTE для осуществления голосового вызова по VoLTE (Voice over LTE), если сеть не поддерживает голосовые вызовы через 5G (Voice over New Radio, VoNR). 

Процедура может выполняться как при наличии интерфейса N26 между AMF и MME, так и без него:

• При наличии интерфейса N26 устройство переходит из 5G в LTE с помощью хэндовера или перенаправления в сеть LTE (inter-system redirection). После перехода устройство инициирует процедуру обновления зоны отслеживания (Tracking Area Update, TAU).

• При отсутствии интерфейса N26 устройство перенаправляется в сеть LTE, после чего инициирует процедуру присоединения с запросом на установление PDN-соединения и типом запроса handover.

Мобильность в активном режиме

Мобильность в активном режиме при переходе из 5G в LTE тоже зависит от наличия интерфейса N26:

• При наличии интерфейса N26 используется процедура хэндовера (5GS to EPS handover using N26 interface), которая позволяет сохранить сессию при переходе из 5G в LTE.

• При отсутствии интерфейса N26 при переходе из 5G в LTE сервис прерывается, но IP-адрес устройства можно сохранить.

  В этом случае, как показано на схеме ниже, в режиме single-registration процедура мобильности начинается с шага 5: устройство инициирует процедуру регистрации в сети LTE. На шаге 13 устройство инициирует процедуру UE requested PDN Connectivity, указывая тип запроса handover или handover of emergency bearer services.

Мобильность в неактивном режиме

В неактивном режиме (idle mode) устройство может самостоятельно перейти из 5G в LTE, выбрав подходящую LTE-соту. Для поиска таких сот оно может использовать информацию о соседних частотах LTE (E-UTRA), передаваемую в системной информации SIB4 сети 5G. Выбор соты также зависит от радиоусловий и параметров приоритета частот, заданных сетью.

Интеграция 5G в существующую сеть оператора — это не только развертывание новых базовых станций, но и настройка взаимодействия между поколениями связи. Выбор архитектуры определяет, насколько полно удастся использовать уже имеющуюся инфраструктуру, какое оборудование придется добавить и как будет организована мобильность абонентов между 5G и LTE.

Такая интеграция естественна: новые поколения связи не могут просто заменить предыдущие. LTE еще долго будет соседствовать с 5G, а GSM, кажется, и вовсе переживет еще не одно поколение мобильных технологий. Поэтому это прежде всего задача по развитию существующей инфраструктуры: нужно внедрить новые технологии, сохранив работоспособность старых и обеспечив бесшовное взаимодействие между ними.

Полезные ссылки

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

• Обзор названий «опций» 5G представлен на сайте GSM Association.