LTE-Architektur - Teil 2

LTE System Architektur - LTE-Tutorial Teil 2

3GPP SAE - System Architecture Evolution

von: Rudolf Riemer

• Einleitung
  • Einteilung
• Evolved Packet System
  • EPC - Kernnetwerk
    • Serving Gateway
    • Packet Data Network Gateway
    • Mobility Management Entity
    • Home Subscription Server
    • Policy and Charging Resource Function
  • E-UTRAN - Funknetzwerk
    • eNodeB
• Abkürzungen

Stand: August 2010

Einleitung

Die Weiterentwicklung der Architektur betrifft bei LTE nicht nur das Funknetzwerk (E-UTRAN) sondern genauso das Kernnetzwerk (EPC), um möglichst effiziente und qualitativ hochwertige Dienste anbieten zu können. Auffälligstes Kennzeichen der Kernnetzarchitektur von LTE ist, dass sie komplett für Paketdatentransport ausgelegt ist. Es gibt also keine eigene CS-Domain mehr, über die bisher Echtzeitdienste wie z.B. Sprach- oder Videotelefonie durchgeführt wurden. Sprachdienste werden somit über VoIP-Mechanismen realisiert. LTE folgt damit konsequent dem Trend der letzten Jahre, nämlich weg von leitungsvermittelten Dienstübertragungen. Ebenso ein markanter Unterschied zu früheren Funktnetzwerk-Architekturen ist, dass bei LTE der Weg von HSPA konsequent weiterverfolgt wurde und somit alle funkspezifischen Funktionalitäten in einem einzigen Netzwerkelement integriert wurden, nämlich der eNodeB: einen RNC bzw. BSC gibt es im E-UTRAN nicht mehr, die Basisstation eNodeB ist sehr autonom geworden (ähnlich also wie bei HSPA).

Allgemeine Anforderungen für die neue Architektur sind:

• Optimierung für paketvermittelte Dienste
• bessere Dienstgüte (QoS), wie z.B. geringere Latenzzeiten, höhere Datenraten
• besser bzw. effizienter strukturiertes Netzwerk für System-Vereinfachung und Dienst-Optimierung
• Zusammenarbeit mit anderen Funknetzwerken (sowohl 3GPP-Netzwerke als auch andere)

Die System Architektur besteht funktional aus vier Bereichen:

• Services - die Dienstplattform
• EPC - das Kernnetz
• E-UTRAN - das Funknetzwerk
• UE - das mobile Endgerät eines Benutzers

Einteilung in IP Connectivity Layer (EPS) und Services Connectivity Layer

Die Bereiche UE, E-UTRAN und EPC fasst man als IP Connectivity Layer zusammen und wird auch als EPS - Evolved Packet System bezeichnet, wie auch in Abb.1 zu sehen ist. Hiermit kommt anschaulich zum Ausdruck, dass über diese drei Netzbereiche eine auf IP basierende Verbindung realisiert wird und diese Netzbereiche dafür optimiert sind.
Sämtliche Dienste werden auf Basis dieser IP basierenden Verbindung durchgeführt. Das bedeutet natürlich, wie bereits erwähnt: CS-Mechanismen stehen bei LTE nicht mehr für Dienste zur Verfügung! Um nun z.B. herkömmliche Sprachtelefonie-Dienste anbieten zu können, kann im Service-Layer, der über dem IP Connectivity Layer liegt, speziell dafür entwickelte Dienst-Mechanismen implementiert sein, die letztlich eine Telefon-Verbindung zwischen UE (Handy) und einem externen Telefonnetz (PSTN, ISDN, ..) realisieren. So ein Sprachdienst kann z.B. per IMS - IP Multimedia Subsystem realisiert werden. Mit Hilfe des IMS kann ein VoIP Dienst realisiert werden und eine Verbindung über spezielle Gateways mit externen PSTN- bzw. ISDN-Telefonnetzen hergestellt werden. Das UE ist dann über den Services Connectivits Layer verbunden.

Abb.1: Schichtung der LTE-Netzwerk-Bereiche

EPS - Evolved Packet System

Das EPS besteht aus dem Kernnetzwerk (EPC), dem Funknetzwerk (E-UTRAN) und dem Userequipment (UE). In diesem Artikel soll primär auf das E-UTRAN und das EPC des EPSs eingegangen werden - die Dienste-Schicht und das UE werden separat in einem anderen Artikel beschrieben. Die Abb.2 gibt einen Überblick über die wichtigsten Netzelemente und deren Schnittstellen wieder. In dieser Abbildung sind auch jeweils ein angebundenes GERAN- und UTRAN-Funknetzwerk zu sehen, womit eine der optionalen Anforderungen an LTE verdeutlicht wird, nämlich wie andere Funknetzwerke gemeinsam an ein LTE-Kernnetzwerk angeschlossen werden können.

Abb.2: LTE System Architektur (mit angebundenen anderen 3GPP-Funknetzwerken)

Die Trennung im EPS zwischen UP (SAE GW) und CP (MME) ist zum Erwirken einer höheren Performance entscheidend. So kann das SAE GW für die zu erwartenden hohen Übertragungsraten und davon unabhängig die MME für Signalisierung optimiert werden - beide Netzelemente können also voneinander unabhängig skaliert werden. Abgesehen davon kann durch die Separierung das SAE GW und die MME örtlich unterschiedlich im Netzwerk positioniert werden - durch eine geschickte topologische Platzierung der Hardware können z.B. Latenzzeiten aber auch Verkehrslast optimiert werden.

EPC - LTE Kernnetzwerk

S-GW - Serving Gateway

Das S-GW ist primär für die Verwaltung seiner Ressourcen und das Routen der einzelnen User-Datenströme (in Form von UP-Tunneln) verantwortlich. Ein S-GW ist jeweils für die Versorgung eines bestimmten geographischen Gebietes zuständig. Wie groß dieses geographische Gebiet ist, für das das S-GW zuständig ist hängt bei der Netzwerkdimensionierung von der zu erwartenden Verkehrslast bzw. Kapazitätsanforderungen ab - je nach Verarbeitungskapazitäten des S-GWs. Für Vergebührungsaufgaben, muss das S-GW diverse Informationen sammeln und überwachen, damit der durchgeführte Dienst letztlich entsprechend korrekt vergebührt werden kann.

Zwei Übertragungsmethoden für die S5/S8-Schnittstelle:

• Sofern die S5/S8 Schnittstelle auf dem GTP - GPRS Tunneling Protocol - basiert verwendet das S-GW für alle Nutzdaten-Verbindungen GTP-Tunnel. Die IP-Datenflüsse werden in diesem Fall im P-GW den jeweiligen GTP-Tunneln zugeordnet (gemappt). Über die Anbindung an die MME ist eine Steuerung der GTP-Tunnels (bzw. IP-Datenflüsse) möglich. Die eigentliche Steuerung der Tunnel erfolgt also nicht im S-GW, sondern im P-GW und in der MME. Über die MME wird z.B. geregelt, zu welcher eNodeB das S-GW einen GTP-Tunnel terminieren soll - für Mobilitätssteuerungen hat die MME die erforderlichen Informationen zur Verfügung.

• Alternativ kann ein Netzbetreiber auf der S5/S8 Schnittstelle aber auch PMIP (Proxy Mobile IP) statt GTP verwenden. Für jedes UE werden dann anstatt von optional mehreren GTP-Tunneln nur ein GRE-Tunnel (Generic Routing Encapsulation) für die IP-Datenflüsse verwendet. Beim Einsatz von GTP muss hingegen für jeden einem UE zugeordneten Trägerkanal auch ein eigener GTP-Tunnel verwendet werden. In diesem Fall muss das S-GW an die PCRF über die Gxc Schnittstelle angebunden werden (bei Verwendung von GTP muss diese Anbindung nicht durchgeführt werden!), damit die PCRF Steuerungseinfluss auf die IP-Datenflüsse hat. So muss z.B. die über S5/S8 per GRE-Tunnel übertragenen verschiedenen IP-Datenflüsse, die für ein bestimmtes UE bestimmt sind, auf die GTP-Tunnel der S1-U Schnittstelle Richtung eNodeb zugeordnet werden. Für jeden IP-Datenfluss müssen QoS- und Policy-Kriterien stimmen. Dieser Funkionsblock im S-GW wird BBERF (Bearer Binding and Evenet Reporting Funkction) genannt, der seine notwendigen Steuerinformationen vom PCRF über die Gxc Schnittstelle bekommt.

Im Falle eines Handovers zwischen zwei eNodeBs fällt dem S-GW die Rolle eines Mobilitäsankers zu. Die MME signalisiert dem S-GW, zu welcher eNodeB es den Tunnel über die S1-U Schnittstelle legen soll.

Typischer Prozess des S-GW für Nutzdatenströme:
Ist ein UE im "connected mode" und überträgt gerade einen Datenstrom, agiert das S-GW als Relay zwischen UE und P-GW. Ist ein UE hingegen im "idle mode" so existieren, so gibt es momentan für das UE (noch) keine Übertragungsressourcen in der eNodeB und der Übertragungspfad endet somit momentan auch im S-GW: Bekommt das S-GW nun vom P-GW Datenpakete, so werden die Daten vorübergehend zwischengespeichert. Das S-GW beauftragt die MME, dass das UE, an das die Daten geliefert werden soll, ausgepaget wird (Ermittlung seines momentanen Aufenthaltsorts). Das UE verbindet sich dadurch wieder und geht in den "connected mode" - es besteht somit wieder ein Tunnel zwischen dem S-GW und jener eNodeb, in deren Zelle sich das UE gerade befindet. Die im S-GW zwischengespeicherten Daten können jetzt an das UE durchgestellt werden
 

Das S-GW ist verbunden mit:

• eNodeB über die S1-U Schnittstelle
• P-GW über die S5/S8 Schnittstelle. Das S-GW kann kann prinzipiell mit jedem P-GW innerhalb des kompletten Netzwerkes verbunden werden. Das macht schon Sinn aus Mobilitätsüberlegungen heraus: das P-GW bleibt bei einem Dienst fix zugeordnet, während das S-GW sich während eines Dienstes ändern kann, wenn z.B. ein UE (also ein Anwender) sich bewegt und ein neues S-GW zugeordnet werden muss.
• MME über die S11 Schnittstelle für die Mobilitätssteuerung des S-GWs und Steuerung des GTP-Tunnels sowie IP-Datenflüsse.
• PCRF über die Gxc Schnittstelle. Diese Anbindung ist jedoch nur dann erforderlich, falls die S5/S8 Schnittstelle auf PMIP (Proxy Mobile IP) statt auf GTP basiert. Das S-GW verbindet sich jeweils zu einer PCRF für jedes einzelne P-GW, das vom UE genutzt wird (z.B. wenn über ein UE verschiedenartige Dienste genutzt werden, für die verschiedene P-GWs notwendig sind).
• Ausnahmesituation: Verbindung mit einem anderen S-GW im Falle eines indirekte Daten-Weiterleitung bei einem Handover, bei dem aus geographischen Gründen verschiedene S-GWs involviert sind. Die Verbindung zwischen den beteiligten S-GWs erfolgt im S1-U Format.

P-GW oder PDN-GW - Packet Data Network Gateway (PDN GW)

Das P-GW bietet externen Paket-Datennetzwerken, die für sich nichts mit Mobilfunk zu tun haben, eine Verbindung zu einem UE an - es ist sozusagen für diensterbringende Netzwerke das Tor zum mobilen Endgerät. Hat ein UE Verbindung zu verschiedenen Paketdatennetzwerken, so kann das UE auch über verschiedene P-GWs über diese angebunden sein. Herkömmlicherweise kann man sagen, dass ein bestimmtes P-GW für den Anschluss an ein bestimmtes Paketdatennetz zuständig ist. Ein P-GW kann aber auch für mehrere externe Paketdatennetzwerke zuständig sein. In Analogie zu 3G-UMTS entspricht das P-GW dem GGSN.

Das P-GW ist zuständig für:

• die Zuweisung einer IP-Adresse für das UE, mit der das UE dann mit IP-Endgeräten in externen Paketdatennetzwerken, wie z.B. Webserver im Internet, kommunizieren kann;

• die Durchführung bzw. Einhaltung technischer Vorschreibungen und Richtlinien (policy) über die PCEF (Policy and Charging Enforcement Function);
• die Bereitstellung von Vergebührungsinformationen, die eventuell durch die Nutzung des extern angeschlossenen Paketdatennetzwerkes anfallen;

• die Paketdaten-Prüfung und -filterung;
• Bereitstellung einer Schnittstelle, an der der Gesetzgeber Datenströme anzapfen bzw. "abhören" kann;
• Anbindung mobiler Netzwerke, die nicht 3GPP-konform sind, wie z.B. WiMAX, EvDO (3GPP2).
• Falls auf der S5/S8 Schnittstelle GTP verwendet wird (siehe bei S-GW), führt das P-GW die Zuordnung der IP-Datenflüsse auf die GTP-Tunnel durch.

Das P-GW setzt also die Übertragungs-Träger auf, wenn es dazu beauftragt wird:

• entweder von der PCRF
• oder von der MME über das S-GW

Aber auch im zweiten Fall muss das P-GW Kontakt zur PCRF aufnehmen, um entsprechende Policy-Informationen für den Dienst zu bekommen. Wird auf der S5/S8 Schnittstelle GTP genutzt, muss für jeden IP-Datenfluss ein eigener GTP-Tunnel aufgebaut werden. Wird auf der S5/S8 Schnittstelle PMIP genutzt, ordnet das P-GW alle IP-Datenflüsse aus den externen Paketdatennetze, die für ein bestimmtes UE bestimmt sind, auf nur einem GRE-Tunnel zu - die Steuersignale werden nur mit der PCRF ausgetauscht. Wird GTP statt PMIP genutzt muss hingegen jeder einzelne IP-Datenfluss, der für ein UE bestimmt ist, auf einen eigenen GTP-Tunnel zugeordnet werden.

Das P-GW ist verbunden mit:

• Externes Paketdatennetzwerk über die SGi Schnittstelle. Über die SGi Schnittstelle werden die IP-Datenflüsse zwischen dem engeren LTE-Mobilfunknetz und Dienstplattformen, wie z.B. Internet oder VoIP-Server (IMS) ausgetauscht.
• S-GW über die S5/S8 Schnittstelle. Je nach Netzkonfiguration werden hier entweder GTP-Tunnel oder GRE-Tunnel verwendet.
• PCRF über die Gx Schnittstelle für Policy- und Vergebührungs-Aufgaben.
• Ausnahmesituation: Verbindung mit einem anderen S-GW im Falle eines indirekte Daten-Weiterleitung bei einem Handover, bei dem aus geographsichen Gründen verschiedene S-GWs involviert sind. Die Verbindung zwischen den beteiligten S-GWs erfolgt im S1-U Format.

MME - Mobility Management Entity

Die MME ist das wichtigste Steuerungselement im EPC, das nur für Steuersignale und nicht für Nutzdatensignale zuständig ist. In Analogie zu 3G-UMTS bzw. GPRS entspricht die MME der Mobilitätsmanagement-Einheit, die im SGSN integriert ist (im weiteren Sinne auch mit dem VLR vergleichbar). Jede MME ist (primär aus geographischen bzw. kapazitätsspezifischen Überlegungen) für die Steuerung einer bestimmten Anzahl von S-GWs und einer bestimmten Anzahl von eNodeBs zuständig. Wobei aber sowohl ein S-GW als auch eine eNodeB nicht nur einer bestimmten MME, sondern auch einer anderen MME zugeordnet sein kann. Das UE kann hingegen zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur einer MME zugeordnet sein.

Die MME ist primär zuständig für:

• Mobilitäts-Verwaltung:
  Die MME verwaltet die Aufenthaltsbereiche aller UEs, für die die MME zuständig ist.Wurden bei 3G-UMTS Location- bzw. Routing-Areas verwaltet, so nennt man bei LTE die verwalteten Zellgruppen jetzt "Tracking-Area". Am Konzept zur Mobilitätsverwaltung hat sich prinzipiell nichts geändert: Mehrere Zellen werden jeweils zu einer Tracking-Area zusammengefasst und per ID-Nummer eindeutig gekennzeichnet. In der Abb.3 ist dieses Prinzip schematisch mit vier Tracking-Areas (TA1, TA2, TA3 und TA4) dargestellt - Manche Tracking-Areas sind kleiner (z.B. TA4 mit nur 3 Zellen und einer eNodeB), manche größer (z.B. TA3 mit 6 Zellen und 2 eNodeBs):
  

  
  Abb.3: Tracking Areas (TA1 bis TA4) für die Mobilitätsverwaltung
  
  Wie funktioniert nun di eMobiltätsverwaltung? Befindet sich ein UE im nichtaktiven Zustand (idle mode) z.B. im grünen Flächenbereich der TA3 (siehe Abb.3) so ist in der MME für diesen Teilnehmer festgehalten, dass er sich in TA3 aufhält. In der MME steht NICHT drinnen, in welcher Zelle der TA3 das UE sich befindet. Solange sich das UE nur innerhalb dieses "grünen" Flächenbereichs TA3 bewegt, geschieht gar nichts - wechselt das UE also von einer grünen Zelle zu einer anderen grünen Zelle der TA3, nimmt das UE nicht Kontakt zum Netzwerk auf, um den Zellenwechsel bekannt zu geben. Erst wenn das nichtaktive UE die TA3 verlässt und z.B. eine Zelle von TA2 betritt, muss das UE von selbst aktiv werden und dem Netzwerk bekannt geben, dass es sich jetzt in der TA2 befindet. Dieser neue Aufenthaltsbereich TA2 muss in der MME abgespeichert werden. Man nennt diesen Prozess "Tracking Area Update" (bei GSM und UMTS spricht man von Location Update). Wird nun z.B, das UE von außen angerufen, so kennt das Kernnetzwerk den Aufenthaltsort nicht genau, sondern nur den Aufenthaltsbereich. Bevor der Anruf also in die Aufenthaltszelle durchgestellt werden kann, muss das Handy zellgenau gefunden werden. Dafür dient das Auspagen. Dazu nimmt die MME eine temporäre Kennnummer des UEs, die einerseits in der MME im Teilnehmerprofil und andererseits in der SIM-Karte des UEs abgespeichert ist, und veranlasst, dass diese Kennnummer in alle Zellen der aktuellen Tracking Area (aus dem Beispiel wäre das jetzt die gelbe TA2) gebroadcastet wird. Alle UEs, die sich in der TA2 befinden, müssen nun überprüfen, ob die ausgestrahlte Kennnummer die ihre ist, indem sie die empfangene Kennnummer mit der aus der SIM-Karte vergleichen. Jenes UE, zu dem die Kennummer passt, muss nun per Funk Kontakt mit dem Netzwerk aufnehmen, wodurch der Aufenthalt dieses UEs zellgenau erfasst ist und das hereinkommende Telefongespräch durchgestellt werden kann. Diesen Prozess nennt man "Paging". Wenn das UE in einer aktiven Dienst-Verbindung ist (connected mode), wird der Aufenthaltsort des UEs natürlich permanent zellgenau erfasst.

• Sicherheitsfunktionen:
  Wieder Analog zu 3G-UMTS führt die MME einerseits die Authentifizierung eines UEs beim Einbuchen (optional auch zu anderen Zeitpunkten) durch und andererseits werden für die Datenverschlüsselung und Datenintegrität jeweils Schlüssel berechnet, die beide dann dem PDCP-Protokoll der eNodeB zugeschickt werden, das für die Ausführung dieser Funktionen zuständig ist. Parallel werden in der SIM-Karte des UEs ebenfalls passende Schlüssel berechnet, damit die PDCP-Protokollschicht des UEs mit der PDCP-Protokollschicht der eNodeB über die prinzipiell unsichere Funkschnittstelle mit diesen Funktionalitäten kommunizieren kann. Siehe dazu auch: Sicherheitsfunktionen bei UMTS

• Verwaltung der Teilnehmer-Profile und -Dienste:
  Sobald sich ein Teilnehmer mit seinem UE im Netzwerk registriert, ordert die MME vom HSS dessen Teilnehmer-Profil an und speichert dies in der MME ab. Damit hat die MME Informationen zur Verfügung, welche Dienste für einen Teilnehmer möglich sind und welche nicht. So weiß die MME z.B. jetzt Bescheid, mit welchem externen Paketdatennetzwerk eine Verbindung hergestellt werden soll, wenn das UE eine Verbindung initialisiert.

HSS - Home Subscription Server

Der HSS entspricht analog zu GSM/GPRS und UMTS dem HLR und dem AuC und ist somitdie Hauptdatenbank des LTE-Netzwerkes für die primär nichttemporären Teilnehmerdaten. Zu den wenigen temporären Speicherdaten gehört z.B. welche MME gerade für einen Teilnehmer zuständig ist. Diese Information ist wichtig, da z.B. bei einem in das LTE-Netz hereinkommenden Anruf anhand der Rufnummer immer zuerst der HSS aufgesucht wird, damit das Netz weiß, zu welcher MME im Netzwerk (Ein Netzwerk ist normalerweise so groß wie ein Staat, weshalb mehrere MMEs notwendig sind, die jeweils für die Versorgung einer geographischen Teilfläche zuständig sind) weitergeroutet werden muss, um den Dienst schließlich aufsetzen zu können.

Zu den im HSS gespeicherten nichttemporären Teilnehmerdaten gehören z.B.:

• welche Dienste erlaubt sind,
• fixe Kennummern, wie z.B. IMSI,
• mit welchen externen Paketdatennetze eine Verbindung hergestellt werden darf,
• der fixe Hauptschlüssel, mit dem die AuC-Funktion im HSS Sicherheits-Sätze (z.B. Integritäts- und Verschlüsselungs-Schlüssel, Authentifikations-Vektor) generiert,
• eventuell Informationen, wie zu verfahren ist, falls über Non-3GPP-Funknetze zugegriffen werden darf,

PCRF - Policy and Charging Resource Function

Die PDRF ist verantwortlich für Vergebührungs- und Policy-Steuerung. Je nach Konfiguration des Netzbetreibers können z.B. mit Hilfe der PCRF IP-Datenflüsse am LTE-Eingangstor P-GW zugelassen oder abgelehnt werden, und je nach Dienstklasse entsprechende Vergebührungs-Tickets für jeden Dienst ausgestellt werden. Anhand dieser Vergebührungs-Tickets kann ein separates Vergebührungszentrum den jeweiligen Dienst monetär umsetzen - also dem Endkunden in Rechnung stellen. Mit Hilfe der Policy-Funktion wird z.B. auch die Dienstgüte (QoS) von Diensten gesteuert, wofür die PCRF entsprechende Funktionsblöcke (PCEF - Policy and Charging Enforcement Function) im P-GW mit parametrisiert - nämlich mit den sogenannten PCC Regeln (Policy and Charging Control). Die PCC Regeln werden jedesmal von der PCRF an das P-GW geschickt, wenn ein neuer Übertragungs-Träger aufgesetzt werden muss.

Sofern über die S5/S8 Schnittstelle PMIP verwendet wird, muss im S-GW eine BBERF (siehe bei S-GW)) implementiert sein, die ihre Steuerungsinformationen über die Gxc-Schnittstelle von der PCRF bekommt.

Die PCRF ist verbunden mit:

• AF (Application Function) der Service Domain über die Rx Schnittstelle. Über die Rx Schnittstelle werden PCC-Anfragen durchgeführt. So werden z.B. beim Aufsetzen eines Dienstes für ein UE QoS-Parameter vom externen Paketdatennetzwerk  angefordert bzw. angenommen und in der PCRF abgelegt. Anhand dieser Informationen kann jetzt die PCRF PCC-Regel für den Dienst aufstellen und an das P-GW weiterleiten (und an das S-GW, falls PMIP auf der S5/S8 Schnittstelle verwendet wird)
  Über die SGi Schnittstelle werden die IP-Datenflüsse zwischen dem engeren LTE-Mobilfunknetz und Dienstplattformen, wie z.B. Internet oder VoIP-Server (IMS) ausgetauscht.
• Optional falls PMIP auf der S5/S8 Schnittstelle verwendet wird: S-GW über die Gxc Schnittstelle (siehe bei S-GW). Übertragen von QoS-Regeln für die Zuordnung der einzelnen IP-Datenflüsse des GRE-Tunnels auf die S1-U Schnittstelle sowie von Anfragen zwecks QoS-Steuerung.
• P-GW über die Gx Schnittstelle für Policy- und Vergebührungs-Aufgaben (siehe P-GW), wie PCC-Anfragen und Übertragung von PCC-Regeln. Übertragen von QoS-Regeln falls PMIP auf S5/S8 verwendet wird.

E-UTRAN - LTE Funknetzwerk

Das E-UTRAN besteht aus einem vermaschten Netz mehrerer eNodeBs (Basisstationen), die mit benachbarten eNodeBs über die X2-Schnittstelle verbunden sind. Im Gegensatz zum UMTS/HSPA-Funknetzwerk gibt es beim E-UTRAN keinen RNC mehr.

eNodeB - LTE Basisstation

Bei LTE wurden sämtliche funkspezifischen Protokolle in die eNodeB verlegt, sodass die eNodeB auch das einzige Netzelement des E-UTRANs ist. Die eNodeB entspricht also einer Basisstation, in der sämtliche funkspezifischen Funktionalitäten implementiert sind und die für ein bestimmtes geographisches Gebiet verantwortlich ist, eine Funkverbindung mit den darin sich befindlichen LTE-Nutzern zu ermöglichen. Technisch gesehen agiert die eNodeB als L2-Brücke zwischen dem UE und dem EPC: einerseits terminiert sie gegenüber dem UE die funkspezifischen Protokolle, andererseits terminiert sie eine Verbindung zum EPC. In Abb.4 ist dazu der Protokollstack für die Userplane zu sehen.

Abb.4: Protokollstack User Plane

Zu den funkspezifischen Protokollen gehören primär - analog zum UTRAN:

• in der User Plane
  • PHY (Physikalische Schicht)
    Hier sind sämtliche Funktionen gemeint, die für eine Funkübertragung über die Luft notwendig sind, wie z.B. Modulation, MIMO, OFDM usw. - auf diese Funktionen wird in einem anderen Artikel eingegangen.
  • MAC - Media Access Control
    Die MAC entspricht der Zugriffssteuerung und -kontrolle für den Funkkanal. Da z.B. mehrere Endnutzer sich einen einzigen Funkkanal teilen müssen, um ihre Daten zu übertragen, muss es eine Regelsteuerung geben, die dafür Sorge trägt, dass alle gemeinsam über die Luft übertragenen Datenpakete eindeutig dem richten Benutzer bzw. dem richtigen Dienst zugeordnet werden können. Es handelt sich hier also um die Aufgabe, mehrere Dienste auf einen Datenstrom zu multiplexen (bzw. beim Empfangen wieder zu demultiplexen). Die MAC hat auch Möglichkeiten, um einem bestimmten Dienst die Übertragungsbandbreite zu reduzieren bzw. anzuheben, um so einer vorherrschenden Verkehrslast auf der Funkschnittstelle gerecht werden zu können (die MAC ist diesbezüglich nur die Auftragsausführende der RRC-Schicht). Auch die Aufgabe des Schedulings und der Prioritätssteuerung übernimmt die MAC - sodass die von mehreren Diensten gemeinsam verwendeten Funkressourcen möglichst fair und optimal auf diese aufgeteilt werden (beim Internetsurfen z.B. sollen alle Benutzer der gleichen Funkzelle gleichviel übertragen können, damit nicht der Fall eintritt, dass ein Nutzer eine Extremdatenrate hat, während alle anderen Nutzer warten müssen, bis jener Extrem-Nutzer fertig ist).
    Analog zu HSPA übernimmt auch bei LTE die MAC wieder Aufgaben einen schnellen effizienten Rückbestätigungsmodus durchzuführen: sie terminiert dazu entsprechende schnelle HARQ Prozesse.
  • RLC - Radio Link Control
    Das RLC ist für die Zerlegung und Wiederzusammensetzung der Übertragungspakete verantwortlich. Da die Paketgröße, die per Funk übertragen werden soll, limitiert ist, müssen größere Pakete in Teilpakete zerkleinert werden, damit sie abgesendet werden können. Umgekehrt muss der Empfänger natürlich diese Teilpakete wieder zum größeren Ursprungspaket zusammensetzen.
    Einer der wichtigsten Aufgaben der RLC ist die Flusssteuerung. IM optionalen AM-Modus (Acknowledged Mode - Bestätigungsmodus) muss z.B. der Empfänger gegenüber dem Absender rückbestätigen, ob das Sendepaket fehlerfrei empfangen wurde oder nicht. Sollte es nicht fehlerfrei übertragen worden sein, dann holt der Sender das Paket nochmals aus seinem Buffer-Speicher und überträgt es nochmals - diesmal hoffentlich fehlerfrei, sodass der Empfänger ihm die Fehlerfreiheit rückbestätigen kann und der Sender mit dem nächsten eigentlichen Paket fortsetzen kann. Die RLC überprüft diese Rückbestätigung auf einer zeitlich längeren Basis und sollte nur selten aktiv werden, da bereits die MAC-Schicht mit schnelleren Rückbestätigungs-Methoden für Fehlerfreiheit gesorgt hat.
    LTE kennt wie UMTS drei Übertragungs-Modi: TM (Transparent Mode) für Echtzeitdienste, AM (Acknowledged Mode) für fehlerfreie Übertragung, UM (Unacknowledged Mode) für Streaming.
  • PDCP - Packet Data Convergence Protocol
    Diese Protokollschicht kann optional eine Header-Kompression (bzw. Dekompression) der IP-Pakete durchführen, um Übertragungsbandbreite einzusparen. Verwendet wird ROHC (Robust Header Compression) der IETF.
    Neu bei LTE ist, dass im Gegensatz zum UTRAN von UMTS die PDCP die Ver- und Entschlüsselung von Daten übernommen hat, da bei LTE sämtliche Nutzerdaten über die PDCP-Schicht geführt werden. Ebenso ist die PDCP für Integritätsschutz und -überprüfung verantwortlich.
• in der Control Plane
  • RRC - Radio Ressource Control
    Die RRC ist für primär für die Funkressourcenverwaltung und die Steuerung der Funkressourcen verantwortlich. Mit Hilfe von RRC-Nachrichten an die entsprechenden beteiligten Netzgeräte, wie z.B. UEs, kann die RRC das Funknetzwerk für einen optimalen Betrieb regeln. So ist die RRC z.B. für die Auswertung diverser Messungen verantwortlich, anhand derer die RRC feststellen kann, ob die momentanen Verkehrslast zu hoch für einen optimalen Betrieb ist und daher Maßnahmen von der RRC getroffen werden müssen, damit die Verkehrslast kleiner wird. Die RRC ist auch dafür zuständig, wenn Übertragungskanäle neu aufgebaut werden müssen, um z.B. ein hereinkommendes Telefonat durchstellen zu können. Da die RRC-Funktionen sehr zahlreich ist, muss in einem separaten Artikel darauf eingegangen werden.

Die eNodeB hat Schnittstellen zu vier LTE- Netzelementen:

• UE
  Über die LTE-Uu Funkschnittstelle wird das UE und damit der mobile Nutzer/Kunde drahtlos mit dem LTE-Mobilfunknetz vernetzt bzw.  an dieses angeschlossen.
• S-GW
  Über die S1-U-Schnittstelle ist die eNodeB mit dem S-GW verbunden, um die Nutzdaten der an ihr angeschlossenen Endnutzer mit dem EPC bzw. im weiteren Sinne mit externen Netzwerken austauschen zu können.
  Die eNodeB kann dank der flexiblen S1-Schnittstelle mit einem ganzen Pool von S-GWs assoziiert sein. Für ein individuell betrachtetes UE bedeutet dies natürlich, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt dieses UE nur mit einem S-GW verbunden ist (das kann sich z.B. durch ein Inter-eNodeB-Handover ändern) - die eNodeB hingegen ist mit mehreren S-GWs verbunden (andere UEs - andere Möglichkeiten).
• MME
  Analog zu oben: Über die S1-MME-Schnittstelle ist die eNodeB mit dem MME verbunden, um die Steuerungsdaten mit dem EPC austauschen zu können. Durch den Austausch von Steuerinformationen über diese Schnittstelle, sind Sicherheitsfunktionen wie z.B. Authentifikation, Mobilitätsmanagement wie z.B. Tracking Area Update (entspricht Location Update bei GSM/UMTS) und dergleichen möglich - Funktionen also analog zu GSM/UMTS, die vom VLR bzw. SGSN zur Verfügung gestellt werden.
  Die eNodeB kann dank der flexiblen S1-Schnittstelle wiederum mit einem ganzen Pool von MMEs assoziiert sein. Für ein individuell betrachtetes UE bedeutet dies natürlich, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt dieses UE nur mit einem MME verbunden ist (das kann sich z.B. durch ein Inter-eNodeB-Handover ändern) - die eNodeB hingegen ist mit mehreren MMEs verbunden (andere UEs - andere Möglichkeiten).
• eNodeB
  Über die X2-Schnittstelle können die eNodeBs miteinander kommunizieren, was im Fall eines Handovers eine funktionale Notwendigkeit ist. Primär tauschen die eNodeBs über die X2-Schnittstelle Steuerungssignale für deren gegenseitige Konfiguration bei einer bestimmten Situation aus. Nutzerdaten werden über die X2-Schnittstelle nur unmittelbar während des Handovers in Downlinkrichtung zwischen den beteiligten eNodeBs weitergereicht - ansonsten werden nur Steuerdaten übertragen.

(c) Rudolf Riemer, UMTSlink.at

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