רשתות סלולאריות – מדור ראשון לחמישי חלק שני – רשתות הדור הרביעי

קצת באיחור (אבל בארץ זה מה שיש עדיין, וכנראה לעוד כמה שנים…), בואו נדבר על רשתות סלולריות בדור הרביעי, או בשם הטכני – LTE – Long Term Evolution Networks.

כמו שאנחנו רואים, הפעלת רשתות הדור הרביעי התחילה בעולם אמצע שנות ה- 2000, בגרסה R8  של ארגון ה- 3GPP (Release 8), ונקראה LTE, המשיכה עם גרסה 9, ולאחר מכן, עם מספר רב של שיפורים יצקה בגרסאות R10  עד R13/14 כ- LTE-A או LTE-Advanced, ובהמשך המאמר ניכנס לנושאים הטכניים ומה בדיוק נכנס בכל דר גרסה. החל משנת 2018 כבר מתחילות להיות מוקמות רשתות בגרסאות מוקדמות של הדור החמישי, אבל על זה אדבר במאמרים הבאים.

אז בואו ניכנס לפרטים. הדור הרביעי הכניס מספר שינויים עיקריים, בכניסה לרשת מבוססת IP מקצה לקצה, בטכנולוגיות הרדיו, ובעיקר בנושא השירותים השונים המתאפשרים ברשת.

מה חדש בדור הרביעי

הדור הרביעי הגדיר מספר נושאים עיקריים כמטרות:

  • ביצועים: כאן הוגדרה כרוחבי פס של מאות Mbps (ואני בכוונה לא נכנס למספרים מדוייקים), ו- delay של mSec בודדים. המטרות כאן הושגו, וברשתות LTE בשנים האחרונות בד"כ נקבל עשרות Mbps ועד למעלה מ- 100Mbps למכשיר, עם Delay שינוע בין מילי-שניות (mSec) לעשרות מילי-שניות. הנתון של ה- Delay והשינויים ב- Delay (Jitter) הם קריטיים ליישומים רבים, ובתקינה לדור החמישי ניתן להם דגש מיוחד.
  • רשת מבוססת IP מקצה לקצה, כולל Voice, Video  ו- Data: מטרה זו הושגה במלואה, למרות שברשתות מסוימות עדיין שיחות הטלפון עוברות דרך רשת הדור השלישי הקיימת, אבל הכיוון הוא ביטול רשתות הדור השלישי ומעבר לרשתות IP  מלאות
  • שירותים חדשים: שידורי טלוויזיה באיכות גבוהה, שירותים מבוססי מיקום, תשתית ל- PTT Over IP מעל רשת הסלולר, והכי חשוב – תשתית לשירותי בטחון מדינתיים (Public Safety), שירותי חירום למיניהם וכד' שזהו הנושא העיקרי בתקינה המתקדמת יותר (12  והלאה).

כמו כן הוגדרו נושאים רבים נוספים כמו כמות משתמשים לתא, ביצועים מהירויות נסיעה גבוהות, דחיסה של יותר רוחב פס בפסי תדרים קטנים יותר (High Spectral Efficiency) ועוד, אבל אפשר לאמר כי המטרה העיקרית של הדור הרביעי היא שיפור רמות שירות וכניסת שירותי Public Safety.

מבנה הרשת החדש

רשתות הדור החמישי מבוססות על EPC (Evolved Packet Core), שהוא שדרת הרשת. ה- EPC, שנראה אותו היום גם בשם vEPC כלומר Virtual EPC כולל את רכיבי הניתוב והניהול של המערכת.

 

מה שאנחנו רואים זה את מרכז הרשת, ה- EPC, שכולל מספר רכיבים עיקריים:

  • נתב מרכזי – aGW שכולל את ה- sGW (מקביל ל- SGSN בדור השלישי) ו- pGW (מקביל ל- GGSN בדור השלישי). תפקידם לנתב את התנועה מהמנויים ואליהם, כולל פונקציות של הקצאת כתובות, סינון, Caching ו-Buffering של התנועה היורדת אל המנוי וכד'. כל מה שנתבים עושים.
  • הרכיב השני הוא ה- HSS (מקביל ל- HLR בדור השלישי) שכולל את בסיס הנתונים של המנויים, כולל קודי הזיהוי שלהם ומה הם רשאים לעשות
  • הרכיב השלישי הוא ה- MME, שהוא רכיב הבקרה העיקרי שמנהל את הקמת וסיום השיחה, ניהול מיקום משתמשים, העברת בקשות רישום ל- HSS וכד'.
  • הרכיב הרביעי הוא ה- PCRF שהוא רכיב של Policing כלומר הגדרת מדיניות תעבורה למשתמשים (רוחב פס מינימלי/מקסימלי וכד') וכן אפשרויות Charging כלומר יכולות חיוב לפי פרמטרים שונים כמו כמות תעבורה, יעד התעבורה (למשל הגדרת חבילת גלישה רגילה אבל שימוש חופשי ביישומים מסויימים).

ומה שהכי יפה, כמו שרואים מדובר ברכיבים שהם רכיבים פונקציונליים, כלומר היישום של ה- CORE הינו תוכנתי, ומעשית ברכישה של EPC נקבל חומרה – שרת Linux סטנדרטי שהתוכנות מותקנות עליו, וכל מה שנצטרך להפעלת ה- CORE זה רישיונות לרכיבים שאותם נפעיל.

טכנולוגית הרדיו

כמו שראינו באחד מהמאמרים הקודמים, למספר הביטים שאפשר לעביר על טווח תדרים מסוים, שנקראת גם יעילות ספקטרלית (Spectral Efficiency – Bits/Sec/Hz) יש מגבלה פיסיקלית שהוגדרה כבר לפני כמאה שנים בחוק שנון-הרטלי (Shannon-Hartley Theorem), שקובעת שכמות ה- Bits/Sec שניתן להעביר בתחום תדרים מסויים הינו:

כאשר C הוא רוחב הפס ב- Bits/Se, B הוא תחום התדרים המאופנן, ו- S/N הינו יחס האות לרעש.

מכיוון שאת חוקי הפיסיקה כבר קבעו לפנינו, מה שאנחנו יכולים לעשות כדי להעלות את קצב ההעברה הוא:

  1. להשתמש בטווחי תדרים גדולים יותר (כפי שנראה בדור החמישי), או להשתמש במספר טווחי תדרים במקביל
  2. לאפנן במנגנונים חכמים יותר וככה להעביר יותר Bits לכל תדר. כאשר האפנון והקידוד יותר חכמים, ניתן לפענח טוב יותר את האות הנקלט ועל ידי כך לשפר את יחס האות לרעש. ככל שהמכשירים נהיו יותר חזקים במשך השנים, כך גם ניתן היה להשתמש במנגנונים חזקים יותר.
  3. להשתמש במספר אנטנות לשידור ולקליטה (טכנולוגיית MIMO) ואז לקבל מכפלות של רוחב פס. MIMO מסדר 2 (שתי אנטנות לשידור ושתיים לקליטה), וב- LTE כבר הוגדרו 4X4 ו- 8X8.
  4. לשדר בכיוון המדויק של המכשיר ולא לפזר את אנרגיית השידור לכל הכיוונים (טכנולוגיית Beam Forming) וכך לשפר את יחס האות לרעש.ר

ב- LTE אופן העבודה הוא ב- OFDMA ב- Downlink ו- SC-FDMA ב- Uplink.  לגבי רוחבי הפס, בכוונה לא אכנס למספרים מדוייקים, אבל כולנו כבר מכירים שניתן לקבל כמה עשרות עד סביבות 100Mbps ב- Downlink ובערך חצי מזה ב- Uplink, עם Delay שנע בין mSec בודדים לכמה עשרות mSec, מה שמספיק לרוב היישומים שאינם Realtime. חשוב להדגיש כי ב- LTE ניתן לקבל במקרים רבים רוחבי פס שהינם זולים משמעותית מתקשורת קווי במיוחד ב- Uplink.

את אחד המאמרים הבאים אקדיש לנושא הרדיו שהוא נושא מרתק בפני עצמו, ונראה את השיפורים המאוד מעניינים שחלו בטכנולוגיה זו בשנים האחרונות.

לקראת הדור החמישי

במאמר הבא אכנס לדור החמישי (בכל העולם כבר נכנסות רשתות הדור החמישי, אבל בארץ משרד התקשורת וספקיות הסלולר "דואגות" שהטכנולוגיה תיכנס רק עוד כמה שנים..).

אם בדור השלישי הדגש היה על שירותי Data מהירים, ובדור הרביעי הדגש הינו על רוחבי פס גבוהים ובהמשך בגרסאות 12-13 של התקינה גם על תקשורת אמינה יותר לרשתות Public Safety (משטרה, מכבי אש וכד'), בדור החמישי הדגש הוא על הכנה ל- IoT (Internet of Things) שזה אומר דגש על אמינות מוחלטת כי מכונית שנוסעת במהירות לא יכולה להתנתק מהרשת, מאותה הסיבה הושם דגש נוסף על Delay ו- Jitter  מאוד נמוכים, עבודה במהירויות גבוהות (למשל מכונית שנוסעת 250 קמ"ש כביד מהיר בגרמניה או רכבת במהירות 400 קמ"ש ביפן..) ודגש נוסף על צפיפות גבוהה מאוד של התקנים סלולריים ביחידות שטח קטנות, שחלק מהם צריכים רוחב פס נמוך מאוד עם Delay של מיקרו-שניות, וחלק רוחב פס גבוה מאוד ללא חשיבות ל- Delay. במאמרים הבאים אכנס לטכנולוגיות שיאפשרו לכל זה לקרות.

בקרוב אתחיל גם להעלות הדרכות וידאו לאינטרנט, נתחיל עם Wireshark.