רשתות סלולריות פרטיות ואלחוטיות – טכנולוגיה, רגולציה ופרקטיקה

מבוא

לאחרונה עולה יותר ויותר הנושא של הקמת רשתות סלולריות פרטיות, כתחליף ובמקביל לרשתות האלחוטיות (WiFi) שאנחנו מכירים. אולי זה יפתיע חלק מהקוראים, אולם במהותן טכנולוגיות אלו דומות מאוד, בעיקר בטכנולוגיות הרדיו. אז למה אנחנו צריכים את זה? התשובה היא שרידות, אמינות וזמינות הרשת. במאמר זה אנסה להסביר מדוע.

רשתות סלולריות ואלחוטיות – דומה ושונה

אז מה דומה ומה שונה? בואו נראה. טכנולוגיית הרדיו, שהיא החלק המרכזי בשתי סוגי הרשתות, התחילה כאן אנחנו מדברים על טכנולוגיות רדיו כמעט זהות לחלוטין. ברשתות אלחוטיות, כמעט מראשיתן, האפנון היה ב- OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), כאשר בתקינה ישנה יותר עבדו ב- BPSK, וב- QAM64, כאשר ב- 802.11n, בעוצמת קליטה טובה אפשר גם לעלות ל- QAM256 ויותר. ברשתות סלולריות הטכנולוגיות כמעט זהות, עם OFDM ו- OFDMA ושיטות אפנון זהות.

Multiple Input Multiple Output (MIMO), כלומר שידור וקליטה במספר אנטנות, התחיל ב- HSPA+ (3GPP R.7), וקצת לאחר מכן ב- 802.11n. Beam Forming, כלומר שידור בעוצמה גבוהה יותר לעבר מקורות רדיו (כלומר לכיוון הטלפון שלכם), היא טכנולוגית אנטנות שהתחילה בסלולר בדור הרביעי לפני מספר שנים, נכנסת בתקינת ה- 802.11ac שנמצאת בשוק מ- 2013.

רוחבי פס? בתחילת הדור הרביעי כבר הוגדר כמטרה רוחבי פס של 100Mbps לתא, ובהמשך הגיעו לרוחבי פס של מספר Gbps’s לתא. ברשתות אלחוטיות כבר ב- 802.11n הגיעו ל- 300Mbps, ב- 802.11ac ל- 1.2Gbps  וב- 802.11ac Wave2  ל- 2.4Gbps ל- Access Point (חשוב כמובן לזכור כי מדובר ברוחבי פס תאורטיים בתנאים אופטימליים, ובפועל נקבל משמעותית פחות).

בתקינה החדשה יותר, כלומר בסלולר דור חמישי (3GPP R.15/R.16/R.17) כבר מדובר על רוחבי פס גבוהים מאוד למעט מכשירים, ורוחבי פס נמוכים לכמות גדולה מאוד של מכשירם ובטווחים קצרים מאוד (עבור IoT  כמובן). אותו הדבר קורה ברשתות האלחוטיות – 802.11ac בתחום ה- 5GHz עם רוחבי פס של 1.2/2.4Gbps ל- Access Point, 802.11ad בתחום התדרים של 60GHz ברוחבי פס של עד 7Gbps ל- Access Point  ועוד.

נושא מהותי נוסף הינו כמובן מרכז הרשת. כאן ההבדל הוא משמעותי. בעוד לרשת סלולרית יש מרכז רשת, Evolved Packet Core (EPC)  בדור הרביעי ומבנה דומה מבוסס VMs  בדור החמישי. מבנה זה מאפשר גישה מכל מקום בארץ ובעולם, מבוסס על Roaming סלולרי סטנדרטי, ללא ניתוקים (בתלות באיכות הרשת) עם המשכיות הקשר בכל מקום בו נמצאים. ברשתות אלחוטיות כמובן שאין דבר כזה. מקימים רשת אלחוטית בלבד, עם בקר/ים של היצרן, עם שירות שמיועד לאתר מקומי בלבד.

יתרונות של הרשת הסלולרית – תקינה אחידה של מרכז הרשת, אבטחת מידע מובנית וסטנדרטית, תקינה אחידה  של ה- 3GPP  בניגוד לתקני 802.11 רבים, מעבר (Migration) מוגדר בין טכנולוגיות, רמות שירות ואיכות שירות מוגדרים ותקניים, תקינה ל- Delay/Jitter נמוכים שברשתות האלחוטיות הוגד רק לאחרונה ועוד.

היתרונות של הרשתות האלחוטיות הם קודם כל השימוש בתחומי תדרים ללא רישוי (גם הסלולר נכנס לשם), פשטות, עלויות נמוכות ביחס לסלולר (כבר פחות משמעותי, ונראה בהמשך מדוע).

לסיכום נושא זה, ההבדלים בין טכנולוגיות WiFi לטכנולוגיות הסלולריות הם בדיוק ההבדלים בין טכנולוגיות של רשתות ארגוניות (Enterprise/Organizational Network) לבין רשתות של ספקי תקשורת (Telco’s) – פשטות ועלויות נמוכות לעומת איכות ועלויות גבוהות. זה בתאוריה. בפועל מה שקורה בשנה-שנתיים האחרונות, ובשני הקרובות יקרה במהירות רבה, זה המעבר של רשתות תקשורת לרשתות מבוססות תוכנה שמוזילות את העלויות בסדרי גודל ומקרבות מאוד בין הטכנולוגיות.

מה אומרת הרגולציה

הרגולציה בתחום מאוד פשוטה ומבוססת על שני עקרונות:

שידורי רדיו:

עבור שידור של תדר רדיו באוויר נדרש רישיון. זה המצב בארץ ובעולם, והוא לא ישתנה. כאן קיימות שתי אפשרויות:

1. להשתמש ברשת הרדיו של אחד מספקי הסלולר המורשים, ולחברו לליבת רשת (EPC) פרטית.
2. להשתמש בתדרים בתחום ה- Unlicensed. גם אם הדבר אפשרי, ותקני ה- 4G מתייחסים לאפשרות זו, מדובר על קמה של רשת, כולל תרנים ואנטנות עם חשמל ותקשורת אליהם, עם כל העלויות הכרוכות בכך.

ליבת/מרכז הרשת – ה- EPC:

עבור הקמת ה- EPC, אומר חוק התקשורת ( כי:

1. סעיף 2א – למדינה הזכות לבצע פעולות בזק ולתת שירותי בזק
2. סעיף 2ב – לא יבצע אדם פעולות בזק ולא ייתן שירותי בזק אלא אם קיבל מאת השר רשיון לכך לפי חוק זה או מכוח היתר כללי לכך"

אולם בנוסף לכך נאמר כי:

3. סעיף 3 אומר כי "הוראות סעיף 2(ב) לא יחולו על:"
   1. סעיף 3(1) – " פעולת בזק שמבצע אדם לעצמו, בין בעצמו ובין באמצעות אחר, בשטח רצוף המוחזק בידו ובלי יצירת קשר אל מחוץ לאותו שטח;"

וגם:

1. סעיף 3(5) – " פעולת בזק שמבצע אדם באמצעות מתקניו של בעל רישיון, ובלבד שבעל הרישיון רשאי על פי הרישיון להרשות לאחר לבצע את פעולת הבזק האמורה;"

במילים פשוטות – כל עוד אנחנו מקימים ליבת רשת שלנו, ומשתמשים ברשת הרדיו של אחד מהספקים הקיימים, אין בעיה.

השאלות והאתגרים הינם איך נעשה החיבור, מה הפונקציונליות שתעבוד ברשת הפרטית ומה נשאר ברשת הציבורית, וכמובן נושא העלויות והכדאיות הכלכלית, ולזה ניכנס בהמשך.

האפשרויות הקיימות

מכיוון שכך, חוק התקשורת משאיר אותנו עם מספר אפשרויות לשימוש ברשת הסלולרית:

1. שימוש ב- APN סטנדרטי של אחד מספקי הסלולר, כלומר VPN בבעלות מלאה של ספק הרשת הסלולרית. אפשרות זו הינה סטנדרטית, ועובדת ברשתות רבות. היתרון כאן הוא הפשטות והעלות הנמוכה.
2. הקמת ליבת רשת עצמאית, בשימוש ברשת הרדיו של אחד מספקי הסלולר. אפשרות זו מוקמת השנה לראשונה בארץ, והיתרון העיקרי והמשמעותי שלה הוא שרוב תנועת הרשת נשארת בליבת הרשת הפרטית של הארגון.
3. הקמת רשת מלאה בטכנולוגיה סלולרית, תוך שימוש בתדרים בתחום ה- Unlicensed. אפשרות זו לא נוסתה עדיין בארץ.

איך זה עובד

האפשרות הראשונה קיימת ועובדת הרבה שנים ומתבצעת על ידי הגדרות ברשת המפעיל. מה שנדון כאן זה באפשרות השנייה והשלישית.

ליבת רשת עצמאית

הפעלת רשת LTE  פרטית באמצעות ליבת רשת עצמאית מבוססת על כך שאת רכיבי הליבה  של הרשת, ה- Core או במונחי LTE ה- EPC (Evolved Packet Core) הלקוח רוכש באופן פרטי, ומתממשק ל- EPC של ספק הסלולר מולו מתבצעת ההקמה. בשרטוט הבא אנחנו רואים את צורת החיבור.

במבנה הרשת אנחנו רואים כי מוקם Core (EPC)  סלולרי פרטי, המחובר לרשת הלקוח הפרטית מצד אחד, ול- Core של הרשת הציבורית מצד שני. באופן זה, ניתן להשאיר את המידע של הרשת הפרטית בתוך הרשת הפרטית, וזאת תוך עמידה בחוק התקשורת.

בשרטוט אנחנו רואים כי אתרי הרדיו (Cell Sites)  מחוברים ל- Core’s של הרשת הפרטית ו/או הציבורית, כאשר ה- Core הפרטי מחובר באופן מאובטח גם לרשת הציבורית וגם לרשת המחשבים ול- Data Center הארגוני.

בשרטוט הבא אנחנו רואים תכנון מפורט יותר של הרשת, שבו נמצאים רכיבי הרשת המרכזיים.

בשרטוט זה אנחנו רואים את הרכיבים והקישורים הבאים:

1. הרשת הציבורית, כולל הנתבים (sGW/pGW), שרת נתוני הלקוחות (HSS) האיתותים (MME) וה- PCRF.
2. הרשת הפרטית, עם רכיבי הרשת העיקריים בדומה לרשת הציבורית.
3. FWs עבור הגנה וסינון בין הרשתות
4. הרשת הפרטית, כולל מתגי DC/CORE והקישורים לשרתים

בתרשים המפורט הבא אנחנו רואים מספר תרחישים פשוטים:

1. מנוי של הלקוח שיתחבר לרשת באזור הלקוח, יתחבר לתאים שנמצאים בשטח הלקוח (שני התאים בצד שמאל למעטה), ומשם ינותב לרשת הלקוח דרך הנתבים המקומיים (sGW/pGW)
2. לקוח חיצוני המגיע לשטח הלקוח, יתחבר גם הוא לתאים שבשטח הלקוח, ומהם ינותב לרשת הציבורית
3. מנוי של הלקוח שייצא משטח הלקוח לרשת הארצית, ינותב דרך הרשת הארצית לרשת הלקוח, ויעבוד דרך ה- Core הפרטי לשרתי הלקוח.

כמובן שישנם תרחישים רבים נוספים, וישנם נושאים רבים שדורשים תכנון, למשל לאיזה MME יתחבר המנוי, איך יבוצע הסינכרון בין ה-HSS  של הספק לזה של הלקוח, איך יבוצעו הניתובים ברשת (שהרי בדור רביעי, ויתר מכך בדור החמישי, כל רכיבי הרשת הינם קודם כל נתבים שמעבירים IP Packets), איפה ירשמו המשתמשים ולאיזה שרת משתמשים (HSS) תינתן עדיפות ונושאים רבים נוספים, כאשר העיקרון המוביל הוא להשאיר ככל הניתן תנועה של הלקוח בתוך רשת הלקוח, עם שרידות וזמינות גבוהה של הרשת.

רשתות מסוג זה פועלות במקומות רבים בעולם, פרויקט מסוג זה מופעל בימים אלו לראשונה בארץ, ויש מתעניינים רבים ברשת מסוג זה.

רשת LTE בתחום תדרי ה- Unlicensed

LTE בתחום תדרי ה- Unlicensed, LTE-U או LTE-Unlicensed, הנו תחום שאין בו עדיין ניסיון רב, למרות שמבחינה טכנית הוא כבר תוקנן ב- 3GPP R.13, (גרסה 13 של התקן) ולאחר מכן.

ב- R.13 הוגדרה טכנולוגיה בשם  License Assisted Access (LAA), בעבודה בצורה של Carrier Aggregation בתחום ה- 5GHz, עם התדרים הרגילים, וזאת עבור שיפור ביצועים ב- Download. שמות רבים נתנו לאפשרות זו, למשל Assisted Access LTE (AA-LTE) ואחרים, כאשר הכוונה כאן היא להיעזר בתחום התדרים הפתוח כתגבור ל- LTE הרגיל, בעיקר ל- Download, כפי שרואים בשרטוט הבא.

מכיוון שכך, מכיוון שמדובר כאן בתחום התדרים של ה- 5GHz שבשלב זה אינו זמין בארץ, ומכיוון שגם בטכנולוגיה זו הוקמו מעט מאוד פרויקטים מסוג זה בעולם, אפשרות זו אינה רלבנטית בשלב זה.

כי שידוע לי היו ניסיונות בארץ לקבל תחומי תדרים עבור הקמת רשתות סלולריות עצמאיות בטכנולוגיית LTE, בעיקר עבור ארגונים שנחשבים כתשתית לאומית קריטית, אולם לא ידוע לי על רשתות שקמו באופן זה.

היבטים כלכליים/עסקיים

בנושא הכלכלי יש כאן מספר היבטים. ההיבט הראשון הוא, בכל מקרה, שיש לזכור שרשתות סלולאריות החל מדור 4 ובמיוחד בדור 5 הן רשתות מבוססות IP, פשוטות, זמינות ובעיקר זולות. העלויות כאן מתחלקות לשניים:

1. ברכיבי הרשת אנחנו כבר לא מדברים על עלויות ציוד ותוכנה של עשרות מיליונים, גם לא מיליונים בודדים, ואנחנו כבר לא מדברים על 2-3 ספקים גדולים אלא על עשרות רבות של יצרני תוכנה, כאשר ליבת הרשת הינה מספר תוכנות שמותקנות על VMs (Virtual Machines) בשרת סטנדרטי, ובדור החמישי כבר אין לנו "רכיבים" אלא "פונקציות" במודל ה- NFV (Network Function Virtualization), ובמילים פשוטות – חומרה סטנדרטית, מכונות וירטואליות ורישיונות תוכנה.
2. העלות השנייה הינה עלות זמן אויר, וכולנו מכירים את המחירים הנמוכים מאוד שניתן לקבל כאן. חשוב רק להקפיד לקבל מחירים לטווח ארוך (כי לפי כל האינדיקציות יש בהחלט סיכוי שתהיה עלייה מסוימת במחירים), וחשוב גם להתכונן לכמויות גדולות מאוד של רכיבי קצה, וזאת כאשר ניכנס באופן מסיבי ל- IoT.

סיכום

בפני גופים גדולים השוקלים הקמת רשת LTE פרטית ישנן מספר אפשרויות, שהמעשיות בינהן הינן VPN באחת מרשתות הסלולר הקיימות, או ליבת רשת פרטית עם שימוש ברשת הרדיו של אחת מהרשתות הקיימות. במאמר זה סקרנו אפשרויות אלו, כאשר לכל אחת היתרונות והחסרונות שלה.

בשנים הקרובות, ובמיוחד כאשר (ואם?) נעבור לדור החמישי, האפשרות לעבור לרשת פרטית הופכת ליותר זמינה וכלכלית, וניתן לצפות שרשתות רבות יעברו לעבוד באופן זה.