Universitatea Politehnica din Bucuresti [615826]

​ Universitatea Politehnica din Bucuresti
Facultatea de Automatica si Calculatoare
Departamentul Ingineria Sistemelor
Specializarea Sisteme Informatice Integrate

Proiect de Cercetare

Rutare dinamica intr-o retea LTE 4G

Coordonator stiintific, Masterand: [anonimizat]. Ioan Sacala Gabriel Brînzea
SII, Anul 2

Bucuresti, 2017

Cuprins

1. Privire de ansamblu asupra retelei LTE
2. Protocoale LTE
– Protocolul RRC
– Protocolul X2-AP
– Protocolul S1-AP
3. Modele si exemplificari
4. Concluzii
5. Bibliografie

1

Privire de ansamblu asupra retelei LTE

De obicei, operatorii realizeaza teste la nivel de utilizator cu ajutorul echipamentelor.
Masuratorile efectuate de un utilizator pentru mobilitate intra sau inter-frecventa pot fi controlate de
catre eNodeB. Aceste masuratori pot fi diferentiate in:
– masuratori in cadrul aceleasi frecvente
– masuratori intre frecvente diferite.
Masuratorile invecinate (celulare) intra-frecvente sunt efectuate de catre echipamentul
utilizator atunci cand celula curenta si cea tinta functioneaza pe aceeasi frecventa. Echipamentul de
test ar trebui sa poata efectua astfel de masuratori fara lacune de masurare.
Pentru fiecare tip de masuratori se utilizeaza o identitate de masurare de catre elementele
retelei, la configurarea masuratorilor, precum si de catre terminalul utilizat la raportarea rezultatelor
masuratorilor. Cantitatea de masurare si evenimentele de raportare sunt luate in considerare separat
pentru fiecare tip de masurare. Comenzile de masurare sunt utilizate de partea administrativa a
retelei pentru a dispune echipamentului sa inceapa, sa modifice sau sa opreasca masuratorile.
Se utilizeaza trei criterii de raportare:
– raportarea declansata de eveniment;
– raportarea periodica;
– raportarea periodica declansata de evenimente.
Utilizatorul final comunica folosind un dispozitiv electronic portabil, ce poate fi un telefon
inteligent sau un dispozitiv incorporat intr-un laptop. Dispozitivul este alcatuit din doua elemente
esentiale: modulul universal de identificare al abonatului (USIM) si restul terminalului. USIM este
o aplicatie folosita in scopul identificarii si autentificarii utilizatorului pentru obtinerea cheilor de
securitate. Aceasta aplicatie este plasata intr-o banda indetasabila numita card universal de circuit
integrat (UICC – Universal Integrated Circuit Card). Echipamentul, in general, reprezinta platforma
utilizatorilor finali care, prin utilizarea semnalizarii cu reteaua, stabilesc, intretin si elimina
legaturile de comunicare necesare. Utilizatorul ajuta involuntar la procedura de trimitere si de
rapoarte cu privire la locatia terminalului in retea.
Arhitectura protocoalelor LTE poate fi impartita in doua parti principale:
– planul de control: furnizeaza mesaje ș i proceduri pentru a sprijini fiecare interfata in
efectuarea functiilor oferite;
– planul de utilizator: poarta informatii cu privire la identitatea utilizatorului in retea.
2

Exista doua interfete prin care se realizeaza si se asigura mobilitatea si continuitatea unui
terminal in retea, acestea sunt interfetele X2 si S1. Ambele proceduri se folosesc in procesul de
handover, dar cu scopuri diferite.
Mai jos este o exemplificare grafica a acestor doua interfete si legaturile intre care sunt
folosite.

Fig.1 – Interfetele eNodeB-eNodeB si E-UTRAN-EPC

Infrastructura retelei LTE include protocoale software, o parte din ele vor fi explicate in
randurile urmatoare. Infrastructura de retea 4G interconecteaza echipamentele clientilor cu Core-ul
central scopul fiind asigurarea unei conexiuni cat mai stabile.
In arhitectura LTE, nucleul retelei include echipamentul de gestiune a mobilitatii (MME –
Mobility Management Entity), modulul de gestiune a serviciilor (SGW – Serving Gateway),
echipamentul pentru gestiunea comutatiei de pachete (PDNGW – Packet Data Network Gateway)
iar zona E-UTRAN este reprezentata de eNodeB-uri.
3

Fig. 2 – Protocoale din planul de control

Datorita ratelor binare ridicate, a eficientei spectrale imbunatatite si a sistemului optimizat
pentru pachete, tehnologia LTE este calibrata pentru a opera aplicatii de date care necesita o rata
binara foarte mare.
Mai sus este o reprezentare grafica a catorva protocoale folosite la nivelul retelei pe care am
decis sa le studiez. Acestea sunt descrise sumar in randurile de mai jos. Ma voi axa ulterior pe
legatura X2 cea dintre doua sau mai multe eNodeB-uri si procedeele aferente.

4

Protocoale LTE

Protocolul RRC (Radio Resource Control)
Interfata dintre echipamentul utilizatorului si eNodeB este singura interfata din retea care
este intotdeauna wireless (se noteaza Uu). Ratele binare teoretice depind de incarcarea spectrului
folosit de celula. LTE este flexibil din punct de vedere al folosirii benzilor. De asemenea, pe aceasta
interfata se foloseste si tehnologia MIMO (Multiple Input Multiple Output). Vitezele maxime atinse
pot ajunge pana la 150 Mbps, depinzand de multi factori precum: interferente, incarcarea celulei,
distanta de la antena la utilizator, etc.
Protocolul de control al resurselor radio (RRC) este utilizat in LTE pe interfata de transfer
aerian. Este un strat care este prezent la legatura dintre echipamentul utlizatorului si antena
(eNodeB), la nivelul IP. Stratul protocolului exista intre dispozitivul clientului si antena
operatorului.
RRC este un protocol cheie de semnalizare care suporta mai multe functii intre terminal si
eNodeB. Protocolul RRC permite transferul informatiilor comune catre protocolul stratului
non-acces (Non Access Stratum Protocol – NAS) care se aplică tuturor terminalelor, precum si
numai unui anumit terminal. In plus, pentru terminalele in status asteptare (idle) RRC sustine
notificarea apelurilor primite.
Principalele functii ale protocolului RRC sunt:
– raspandirea informatiilor despre sistem: gestioneaza difuzarea informatiilor de sistem care
includ informatii comune ale sistemului NAS; unele informatii de sistem se refera doar la
terminalele aflate in stare de asteptare pe cand altele fac referire la statusul conectat (connected).
– gestionarea conexiunii: acoperă toate procedurile legate de stabilirea, modificarea si
eliberarea unei conexiuni RRC, incluzand paginarea, actvarea initiala a securitatii, infiintarea
radiodifuzorilor de semnalizare (SRB) si a purtatorilor de radio care transmit date de utilizator
(radiodifuzori de date, DRB-uri), predarea in cadrul LTE, inclusiv transferul informatiilor despre
contextul terminalului, configuratia celui mai mic straturile de protocol, blocarea clasei de acces si
esecul conexiunii radio.
– generarea si eliberarea resurselor radio: se refera la alocarea de resurse radio, resurse
pentru transportul mesajelor de semnalizare sau a datelor de utilizator intre terminal si antena.
5

– paginarea: aceasta se realizeaza prin canalul de control logic (PCCH – Paging Control
Channel); utilizarea paginarii ajuta la realizarea unui recensamant al terminalelor care se afla in
mod asteptare.
– transmiterea mesajelor de semnalizare catre si dinspre core-ul retelei (EPC): aceste mesaje
(cunoscute ca NAS) sunt transferate catre si de la terminal, dar, cu toate acestea sunt tratate de RRC
ca mesaje transparente.
– mobilitatea terminalului: transferul (handover) este declansat de eNodeB, pe baza datelor
primite de la utilizator.
RRC detine, de asemenea, un set de functii legate de mobilitatea utilizatorilor finali pentru
terminale aflate in starea “connected”. Acestea includ:
– controlul masuratorilor: se refera la configuratia masuratorilor efectuate de terminal,
precum si metoda de a le raporta catre eNodeB.
– sprijinul procedurilor de mobilitate inter-celulara: care sunt, de asemenea, cunoscute sub
numele de handover.

Fig. 3 – Legatura Terminal – eNodeB

Alte detalii de notat sunt, cele referitoare la implicarea RRC in controlul calitatii serviciilor
(QoS), inclusiv atribuirea/modificarea informatiilor de configurare semi-persistente pentru
descarcari si incarcari, gestiunea ratei de transfer si alocarea unei prioritati, de asemenea, participa
si la semnalizarea si recuperarea conexiunilor radio pierdute.
6

Functionarea RRC este ghidata de un echipament din retea, care defineste anumite stari
specifice in care echipamentul utilizatorului se poate afla. Diferitele stari dictate de acest
echipament au diferite resurse radio asociate, acestea reprezentand resursele pe care le poate folosi
utilizatorul atunci cand este prezent intr-o stare specifica. Din moment ce resurse diferite sunt
disponibile in diferite stari, calitatea serviciului si consumul de energie pe care le experimenteaza
dispozitivul final sunt influentate si ele de acesti factori.
Configurarea cronometrelor de inactivitate RRC in retea, are un impact considerabil asupra
duratei de viata a bateriei unui telefon atunci cand este deschisa o conexiune de pachete de date.
Modul asteptare (idle) are cel mai mic consum de energie, iar in timpul unui transfer in curs creste
cu aproximativ 50%.

7

X2 Application Protocol (X2-AP)
O alta interfata, folosita pentru comunicarea, de acesta data intre statiile de baza LTE este
interfata X2.
Aceasta comunicare are doua scopuri: in primul rand, controlul de handover este facut de
statiile de baza, prin comunicare directa intre acestea, nemaisolicitand interfata S1 (cea care se
refera la legatura dintre eNodeB si MME), iar in al doilea rand, statiile de baza se folosesc de
aceasta interfata pentru coordonarea interferentelor si a pierderilor de lagaturi. Interfata X2 este
folosita la nivel de layer 3 ​ .

Fig. 4 – Legatura eNodeB -eNodeB

Transferul utilizatorului de la o antena la alta prin interfata X2 se realizeaza in mod implicit
si automat, insa pot sa apara si erori doar in cazul in care comunicatia dintre antene prin acest
protocol nu s-a realizat deja sau daca nu cumva eNodeB-ul donor este configurat sa foloseasca
cedarea legaturii catre Core-ul retelei prin interfata S1.
ENodeB-urile se coordonează dinamic pentru a asigura programarea in comun a
transmisiei, precum si pentru a procesa in comun semnalele receptionate. In acest mod, un terminal
aflat la marginea unei celule este capabil sa fie servit de doua sau mai multe eNB-uri pentru a
imbunatati receptia/transmisia semnalelor si pentru a mari viteza de transfer, in special in zonele de
margine ale celulei.
8

Pentru a atinge oricare dintre aceste moduri, este necesar un feedback foarte detaliat asupra
proprietatilor canalului intr-o maniera rapida, astfel incat modificarile sa poata fi facute. Cealalta
cerinta consta in coordonarea foarte stransa intre eNodeB-uri pentru a facilita combinarea datelor
sau comutarea rapida a celulelor.
Protocolul X2-AP este folosi pentru a manipula mobilitatea utilizatorului intre celule, de
asemenea este principalul mod prin care acestea la randul lor comunica intre ele. La stratul 1 al
acestui protocol este gestionata si calitatea transmisiei de la acest nivel.
X2-AP (Application Protocol) reprezinta interfata si protocolul de interconectare dintre doua
sau mai multe eNodeB-uri in reteaua LTE. Principala utlilizare este reprezentata de canalele logice
si de transport pe care acest protocol le gestioneaza, ajutandu-se si de proprietatile unui alt protocol,
protocolul de control al fluxurilor de transmisie, SCTP (Stream Control Transmission Protocol).

Fig. 5 – Protocoale pe interfata X2

Interfata X2 are un rol-cheie in operatia de handover. ENodeB-ul sursa va utiliza interfata
X2 pentru a trimite mesajul cu solicitarea de transfer la eNodeB-ul tinta. Daca interfata X2 nu exista
intre cele doua eNodeB atunci alte proceduri sunt initiate catre MME inainte ca transferul
terminalului sa se realizeze. Mesajul de solicitare de transfer primit de antena acceptoare, o
determina pe acesta sa initieze demersuri pentru rezervarea de resurse pentru terminalul ce va fi
preluat si va trimite un mesaj de acceptare a cererii de preluare atunci cand resursele sunt gasite.
Exista diferite elemente furnizate (unele optionale) in mesajul de informare cu privire la
solicitarea de hndover, cum ar fi:
-solicitarile purtatorilor de a fi cedati.
9

-lista de restrictie de transfer, care poate restrictiona transferurile ulterioare pentru terminal;
acesta situatie este intalnita la zonele de granita cand terminalul nu are acces la roaming si astfel nu
i se permite accesul la reteaua partenera.
-ultimele celule vizitate la care telefonul a fost conectat, in cazul in care colectarea de
informatii istorice este activata; acest lucru a fost considerat util, astfel se evita efectele
ping-pong-ului intre diferite celule atunci cand au fost furnizte informatii despre modul in care
eNodeB-ul donor s-a schimbat in trecut.
LTE X2-AP este responsabil pentru urmatoarele functii:
– gestiunea mobilitatii (Mobility Management), acaesta permite eNodeB-ului deservit de un
utilizator sa asigure transferul acestuia catre un alt eNodeB acceptor;
– gestionarea incarcarii (Load Management), ce reprezinta o procedura de raportare a starii
resurselor, a indicatiilor de suprasarcina si a gradului de incarcare al traficului intre eNodeB-uri;
– raportarea situatiilor generale de eroare catre celelalte antene vecine si catre core-ul
reletelei, MME;
– setarea sau resetarea interfetelor X2, prin intermediul schimbului de informatii necesare
intre eNodeb-uri;
– actualizarea datelor de configurare la nivel de aplicatie, intre antenele vecine, necesare ca
acestea sa functioneze in retea.

10

S1 Application Protocol (S1-AP)
Interfata dintre statia de baza si nucleul retelei se numeste interfata S1. De obicei, aceasta
presupune o legatura de fibra optica sau cablu de cupru de mare viteza.
Aceasta interfata este impartita in doua parti logice, care transporta informatia prin acelasi
canal fizic. Acestea sunt S1 planul utilizatorului (S1 User Plane) pentru datele utilizatorilor si S1
planul de control (S1 Control Plane) pentru datele de control ale retelei LTE.
S1 Control Plane are doua functii: prima este de a se asigura ca eNodeB-ul interactioneaza
cu nucleul retelei, iar a doua este de a gestiona mesajele de semnalizare care tin de utilizatori. Acest
protocol are la baza stiva IP.

Fig. 6 – Planurile interfetei S1

Semnalarea retelei radio pe S1 consta din partea de aplicatie S1 (S1-AP). Protocolul S1-AP
se ocupa de toate procedurile intre EPC si E-UTRAN. Este, de asemenea, capabil sa transmita
mesaje in mod transparent intre EPC si terminal. Peste interfata S1, protocolul S1-AP suporta in
primul rand procedurile generale ale Core-ului retelei. De la EPC, transfera semnalarea in mod
transparent fara acces si ofera mobilitate utilizatorului.
Un domeniu de simplificare in LTE este maparea directa a protocolului de aplicatii S1-AP.
Acesta rezulta dintr-o stiva simplificata de protocoale, fara intermediari. Este un protocol de
gestionare a conexiunii, deoarece conexiunile sunt manipulate la nivelul aplicatiei, multiplexarea
are loc intre S1-AP si SCTP, prin care fiecare flux al unei asociatii SCTP este multiplexat cu
traficul de semnalizare al lui, rezultand astfel conexiuni individuale multiple.
11

LTE a construit, de asemenea, flexibilitate in protocoalele de nivel inferior, oferind
operatorului optiunea completa cu privire la alegerea versiunii IP si a stratului de legatura de date.
Un beneficiu este ca se permite operatorului sa inceapa implementarea folosind versiunea IPv4 cu o
legatura de date adaptata scenariului de implementare a retelei.
In fiecare zona de acoperire, un terminal este asociat cu un anumit MME pentru toate
comunicarile sale in timpul sejurului sau in acel areal.Acest lucru creeaza un context prin care
acestui utilizator i se aloca un MME special odata ce a intrat in arealul de acoperire. Ori de cate ori
terminalul devine activ (adica face o tranzitie de la modul inactiv-idle la modul activ -connected)
sub acoperire unui eNodeB, MME furnizeaza echipamentului informatii cu privire la acest eNodeB
utilizand setarea initială a contextului, la randul sau, antena poate crea un context si poate gestiona
terminalul pe durata activitatii sale in modul activ.
Protocolul S1 Application ofera servicii de semnalizare intre eUTRAN si EPC (Evolved
Packet Core) si are urmatoarele functii:
– Transferul contextului initial
– Indicarea informatiei capabilitatii terminalului
– Functii de mobilitate
– Functii de management al interfetei S1
– Transferul status-ului
– Functii de urmarire
– Raportarea localizarii
– Transmiterea mesajelor de avertizare
– Transferul de configurare
Purtatoarea de semnalizari S1 (S1 signaling bearer) indeplineste urmatoarele functii:
– Ofera transfer sigur a mesajelor S1-AP prin interfata S1-MME
– Ofera functii de rutare si functii de retea
– Ofera redundanta in reteaua de semnalizare
– Ofera suport pentru controlul transferului si al congestiei
S1 Signaling bearer, la nivelul 2, al legaturii de date (data link layer), ofera suport pentru
orice protocol potrivit pentru legatura de date.
La nivelul stratului IP, eNode-B si MME ofera suport pentru IPv4 si/sau IPv6. Stratul IP al
interfetei S1-MME suporta doar transmisiuni punct la punct ale mesajelor S1-AP.

12

Modele si exemplificari

X2 este configurat astfel incat in momentul in care este necesara trecerea dispozitivului de la
o celula la alta, eNodeB-ul donor sa initieze procedura prin trimiterea cererii catre celula
acceptoare. ENodeB-ul acceptor va rezerva resursele necesare si va trimite notificarea de acceptanta
a transferului catre primul eNodeB.
In vederea simularii traficului si a posibilelor incarcari pe linkuri am folosit un emulator a
celor de la Riverbad.
Pornind de la o arhitectura standard a unei retele de telefonie mobila, am simulat o
aglomerare de terminale si eNOdeB-uri care se vor lega la acelasi MME (asa cum se poate observa
in figura de mai jos).

Fig. 7 – Model de aglomerare eNodeB

13

In figura urmatoare este exemplificat fluxul de trafic intre doua terminale care erau
conectate la eNodeB-uri diferite insa in cadrul aceluiasi MME

Fig. 8- Conexiune intre doua terminale legate la acelasi MME

Acesta este o privire a semnalelor transferate intre eNodeB-uri, valoarea incarcarii traficului
pe interfetele X2 (in acest caz a fost distribuita in mod egal).

Fig. 9 – Distribuire trafic intre eNodeB-uri
14

De asemenea, la o simulare mai indelungata (6 minute) am realizat un grafic al traficului pe
o astfel de interfata X2.

Fig. 10 – Evolutia traficului pe interfata X2

15

Concluzii

In aceasta lucrare, am descris structura sistemului 4G si elementele ce sustin performanta
acesteia si despre noua generatie de tehnologie de acces la retea dezvoltata de 3GPP. Am discutat,
de asemenea, felul in care mobilitatea este tratata si asigurata de elementele componente LTE.
Obiectivele LTE avute in vedere au fost: viteza de transfer si asigurarea unei continuitati a
transmisiei in cazul in care una dintre entene este suprasolicitata sau nu mai este operationala din
diferie evenimente, am descris lantentele ce pot si intalnite in cadrul unui transfer, de asemenea si
obinerea unui trafic cat mai mic intre eNodeB-urle retelei si evitarea pe cat posibil a acelui
ping-pong datorat handover-ului.
LTE este destinat sa furnizeze o experienta bogata utilizatorului, livrarea de noi servicii de
telefonie mobila si va ramane un concurent puternic in competitia cu alte tehnologii wireless in
urmatorii zece ani pentru toate pietele dezvoltate in acest sens.

16

Bibliografie

1. ​ Martin Sauter – “F rom GSM to LTE”
2. ​ Andrei Alexandru Enescu – Curs LTE: The Journey to unlimited data dream
3. Mihai Ignat, Curs: Telefonia Mobila LTE, Facultatea de Electronica, Telecomunicatii si
Tehnologia Informatiei
4. Cosmin Tudorache, Tehnologia si arhitectura retelei LTE – Planificatoare de resurse
pentru retelele LTE – (LTE schedulers), Proiect de Cercetare, Universitatea Politehnica din
Timisoara
5. José Bruno Iñiguez Chavarría – “LTE Handover Performance Evaluation Based on Power
Budget Handover Algorithm”, Master degree of European Master of Research on Information and
Communication Technologies, Universitat Politècnica de Catalunya, 2014
6. Alcatel Lucent – “The LTE Network Architecture. A comprehensive tutorial”
7. Cosmin Tudorache, Mihai Oprea, Ioana Dirilici – Tehnologia si arhitectura retelei LTE –
Planificatoare de resurse pentru retelele LTE – (LTE schedulers), Universitatea Politehnica
Bucuresti, ETTI-TSAC, 2013
8. ​ www.marben-products.com
9. ​ http://www.telecomhall.com/what-is-rrc-and-rab.aspx
10. ​ http://www.artizanetworks.com/resources/tutorials/pro_sta.html
11. ​ http://www.pressreleasepoint.com/gl-announces-enhanced-lte-protocol-test-suite
12. ​ http://www.gl.com/lte-x2-application-protocol-testing-maps.html
13. ​ ​ www.lteworld.org
14. ​ http://lteworld.org/blog/measurements-lte-e-utran
15. ​ http://www.radio-electronics.com/info/cellulartelecomms/lte-long-term-evolution/4g-lte-
advanced-comp-coordinated-multipoint.php

17