LTE nə üçün yaradıldı: sürət, gecikmə və maya dəyəri tələbləri

Əvvəlki kursda (gsm) biz ikinci və üçüncü nəsil mobil şəbəkələrin necə qurulduğunu ətraflı öyrəndik — darzolaqlı 2G GSM (TDMA $200\text{ kHs}$) səs kanallarından və ilk paket üstqurumu GPRS/EDGE-dən tutmuş genişzolaqlı kodlu radiointerfeys 3G UMTS (WCDMA $5\text{ MHs}$) və sürətləndirilmiş HSPA / HSPA+ texnologiyalarına qədər. 2007–2008-ci illərdə elə görünürdü ki, 3G-nin təkamülü mobil İnternetin bütün ehtiyaclarını ödəyə biləcək. Lakin sensor ekranlı smartfonların (iPhone və Android), axın videosunun, mobil sosial şəbəkələrin və daim fonda bildiriş göndərən messencerlərin kütləvi yayılması paket trafikinin həcmini onlarla dəfə artırdı və 3G şəbəkələrinin fundamental arxitektura tavanını üzə çıxardı. lte kursunun bu ilk dərsində biz 3GPP konsorsiumunun TR 25.913 spesifikasiyasında nə üçün LTE (Long Term Evolution) layihəsini başlatdığını, 3GPP Release 8 standartının təməlinə hansı dörd sərt mühəndis tələbinin — pik sürət, istifadəçi və idarəetmə müstəvilərində gecikmə, radiospektrin çevikliyi və bir meqabaytın ötürülmə maya dəyərinin — qoyulduğunu və bu hədəflər naminə mühəndislərin tarixdə ilk dəfə həm radioşəbəkə nəzarətçisindən (RNC), həm də kanalların kommutasiyası domenindən (CS Domain) niyə tamamilə imtina etdiyini araşdıracağıq.

Məqsəd və nə bilmək lazımdır

Dərsdən sonra siz bacaracaqsınız:

• smartfonlar dövründə 3G UMTS/HSPA şəbəkələrinin dörd böhranını izah etməyi: hər meqabayta düşən gəlirin azalması fonunda trafik partlayışı («trafik və gəlir qayçısı»), messencerlərin tez-tez göndərdiyi qısa fon paketləri üzündən RNC nəzarətçilərində yaranan siqnalizasiya fırtınası (Signaling Storm), dördpilləli iyerarxiyanın (NodeB → RNC → SGSN → GGSN) yüksək gecikməsi və WCDMA-nın sərt $5\text{ MHs}$ zolaq məhdudiyyəti;
• 3GPP Release 8 LTE (TR 25.913) standartının hədəf mühəndis göstəricilərini sadalamağı: $20\text{ MHs}$ zolaqda aşağı xətdə (Downlink) $\ge 100\text{ Mbit/s}$ pik sürət ($5\text{ bit/s/Hs}$ spektral effektivlik) və yuxarı xətdə (Uplink) $\ge 50\text{ Mbit/s}$ ($2{,}5\text{ bit/s/Hs}$), radioşəbəkədə bir istiqamətdə $< 5\text{ ms}$ gecikmə və yuxu rejimindən aktiv rejimə $< 100\text{ ms}$ keçid vaxtı;
• LTE radiokanalının altı standart zolaq enini ($1{,}4$; $3$; $5$; $10$; $15$ və $20\text{ MHs}$) göstərməyi və bu çevikliyin 2G/3G tezliklərinin mərhələli refarminqi üçün niyə həlledici olduğunu əsaslandırmağı;
• yastı All-IP arxitekturasına keçidin (istifadəçi trafikinin yolunda dörd əvəzinə iki qovşaq və paralel CS domeninin ləğvi) iqtisadi və texniki qazancını hesablamağı.

Əvvəlcədən nəyi bilmək lazımdır:

• «2G/3G mobil rabitə» (gsm 1, 3, 6) kursundan 1G → 5G nəsillərinin təkamülünü, tezlik diapazonlarını və FDD ilə TDD dupleksinin fərqini;
• «2G/3G mobil rabitə» (gsm 70–79) kursundan 2G/3G paket domeninin (SGSN, GGSN, GTP tunelləri) və 3G UMTS radioşəbəkəsinin (NodeB, RNC nəzarətçisi, WCDMA $5\text{ MHs}$ zolağı, HSPA+) quruluşunu;
• «Rabitə mühəndisi üçün IP şəbəkələri» (ipnet 1, 9, 17) kursundan IP paketi, buraxma qabiliyyəti, gediş-gəliş gecikməsi RTT (Round-Trip Time) və protokol başlıqlarının əlavə yükü anlayışlarını.

Həyatdan tapşırıq

2009–2010-cu illərdir. Siz iri mobil operatorun texniki direktorusunuz (CTO). Son 18 ay ərzində 3G UMTS/HSPA şəbəkənizdə ilk 500 000 smartfon sahibi qeydiyyatdan keçib, marketinq şöbəsi isə sabit aylıq ödənişli limitsiz İnternet tarifləri təqdim edib. Səhər müşavirəsində masanızın üzərində üç həyəcanlı hesabat var:

• Verilənlər (3G şəbəkəsinin istismar və maliyyə mənzərəsi):
• Gəlirin sabit qalması fonunda trafik partlayışı: şəbəkədə paket verilənlərinin həcmi $12\text{ dəfə}$ artıb, lakin abunəçilər ayda sabit məbləğ ödəyirlər. Zərərlə işləməmək üçün operator $1\text{ MB}$ trafikin çatdırılma maya dəyərini ən azı $4\text{–}5\text{ dəfə}$ azaltmalıdır.
• RNC prosessorlarının həddindən artıq yüklənməsi («siqnalizasiya fırtınası»): hətta HSPA radiokanalının zolağı verilənlərlə cəmi $35\%$ yükləndikdə belə, RNC nəzarətçilərinin mərkəzi prosessorları $95\text{–}100\%\text{ CPU}$ həddinə dirənir! Səbəb: smartfonlardakı messencerlər və poçt proqramları hər $30\text{–}60\text{ saniyədən}$ bir kiçik keep-alive paketi ($60\text{ bayt}$) göndərir. Həmin $60\text{ baytı}$ ötürmək üçün 3G şəbəkəsi hər dəfə telefonu enerjiyə qənaət vəziyyətindən ayrılmış radiokanala və geriyə keçirir, telefon, NodeB, RNC və SGSN arasında 20–25-dən çox siqnalizasiya mesajı mübadilə edir və «oyanmaya» təxminən $2\text{ saniyə}$ vaxt sərf edir.
• Tezlik refarminqi dalana dirənib: şəhərətrafı $900\text{ MHs}$ diapazonunda operatorun cəmi $3\text{ MHs}$ boş spektri var, halbuki 3G WCDMA standartı fiziki olaraq düz $5\text{ MHs}$ ($3{,}84\text{ Mçip/s}$) bütöv zolaq tələb edir — orada 3G qaldırmaq mümkün deyil!

Qərar verməlisiniz: 3G şəbəkəsi üçün bahalı RNC nəzarətçi rəfləri və SGSN/GGSN şlüzləri almağa davam etmək, yoxsa radioşəbəkə və nüvə arxitekturası sıfırdan qurulmuş dördüncü nəsil LTE (3GPP Release 8) şəbəkəsinin tikintisinə başlamaq.

Nə üçün 3G UMTS/HSPA şəbəkələri arxitektura tavanına dirəndi

1990-cı illərin sonunda 3G UMTS (Release 99) standartı layihələndirilərkən operatorun əsas xidməti kanalların kommutasiyası ilə səs (CS) olaraq qalırdı, mobil İnternet isə noutbukdan veb-səhifələrin və ya faylların vaxtaşırı yüklənməsi kimi qəbul edilirdi. Məhz buna görə 3G arxitekturası smartfonlar və interaktiv IP tətbiqləri dövründə kritik problemə çevrilən dörd fundamental məhdudiyyəti miras aldı:

1. Bir şəbəkədə iki paralel nüvə (CS Domain + PS Domain): operator eyni vaxtda iki müstəqil avadanlıq zəncirini — səs nüvəsini (MSC Server + MGW, SS7 / SIGTRAN / BICC / H.248 siqnalizasiyası) və paket nüvəsini (SGSN + GGSN, GTPv1 tunelləri) almalı, elektrik enerjisi ilə qidalandırmalı, soyutmalı və xidmət göstərməli idi.
2. Hər istifadəçi paketinin yolunda dörd qovşaq və RNC «dar boğazı»: 3G-də abunəçinin hər IP paketi ardıcıl olaraq dörd şəbəkə elementindən keçirdi: Baza stansiyası (NodeB) $\rightarrow$ Radioşəbəkə nəzarətçisi (RNC) $\rightarrow$ Xidmətçi qovşaq (SGSN) $\rightarrow$ Şlüz qovşağı (GGSN). Eyni zamanda RNC nəzarətçisi yüzlərlə baza stansiyası üçün radiokanalın şifrlənməsini, RLC paketlərinin yığılmasını, yumşaq hendoverin (Soft Handover) idarə olunmasını və radioresursların paylanmasını yerinə yetirirdi. Smartfonların sayının hər artımı RNC-ni şəbəkənin ən bahalı və həddindən artıq yüklənmiş həlqəsinə çevirirdi.
3. Radiokanalın mürəkkəb vəziyyətlər maşını və yüksək gecikmə (RTT $50\text{–}150\text{ ms}$): WCDMA-da smartfonun batareyasını qorumaq üçün RNC nəzarətçisi abunəçini daim dörd vəziyyət (IDLE, CELL_PCH, CELL_FACH, CELL_DCH) arasında keçirirdi. Gözləmə vəziyyətindən tam sürətli kanalın qaldırılması $1{,}0\text{–}2{,}5\text{ saniyə}$ çəkirdi, paketin gediş-gəliş gecikməsi (ping / RTT) isə hətta HSPA şəbəkələrində $40\text{–}100\text{ ms}$ təşkil edirdi ki, bu da bulud oyunları, interaktiv video və real vaxt sistemləri üçün kifayət deyildi.
4. Düz $5\text{ MHs}$ sərt radiokanal eni və WCDMA kod bölgüsünün həddi: WCDMA-nın çip sürəti sərt şəkildə $3{,}84\text{ Mçip/s}$ səviyyəsində təsbit edilib, ona görə də bir 3G daşıyıcısını nə dar $1{,}4\text{–}3\text{ MHs}$ spektr parçasına yerləşdirmək, nə də bir neçə ayrı daşıyıcını birləşdirmədən vahid geniş $15\text{–}20\text{ MHs}$ zolağa çevirmək mümkündür. Bundan əlavə, $5\text{ MHs}$ genişzolaqlı kanalda yüksək sürətlərdə çoxşüalı əksolunmalar OVSF kodlarının qarşılıqlı ortoqonallığını pozur.

3GPP-nin LTE standartına hədəf tələbləri (TR 25.913 və TS 36.300)

2004-cü ilin sonunda Torontoda keçirilən seminarda 3GPP konsorsiumu Long Term Evolution («UTRAN radiogirişinin uzunmüddətli təkamülü») işçi layihəsini və dayaq şəbəkəsinin yenilənməsi üzrə paralel SAE (System Architecture Evolution — «Sistem arxitekturasının təkamülü») layihəsini başlatdı. 3GPP TR 25.913 texniki hesabatında Release 8 standartının (2008-ci ilin dekabrında dondurulub, ilk kommersiya şəbəkələri 2009-cu ilin dekabrında Stokholm və Osloda işə salınıb) müəllifləri qarşısında dörd sərt mühəndis hədəfi qoyuldu:

1. Pik sürətin və spektral effektivliyin 3–4 dəfə sıçrayışı

Etalon $20\text{ MHs}$ tezlik zolağında LTE radiointerfeysi aşağıdakıları təmin etməlidir:

• Aşağı xətdə (Downlink, baza stansiyasından telefona): ən azı $100\text{ Mbit/s}$ pik sürət ($2\times 2\text{ MIMO}$ antena konfiqurasiyasında təcrübədə $150\text{ Mbit/s}$-dək, $4\times 4\text{ MIMO}$-da isə $300\text{ Mbit/s}$-dək). Bu, $\ge 5{,}0\text{ bit/s/Hs}$ pik spektral effektivliyə uyğundur ($100\text{ Mbit/s} / 20\text{ MHs} = 5\text{ bit/s/Hs}$).
• Yuxarı xətdə (Uplink, telefondan baza stansiyasına): ən azı $50\text{ Mbit/s}$ pik sürət (64-QAM modulyasiyası ilə $75\text{ Mbit/s}$-dək), bu isə $\ge 2{,}5\text{ bit/s/Hs}$ pik spektral effektivliyə bərabərdir ($50\text{ Mbit/s} / 20\text{ MHs} = 2{,}5\text{ bit/s/Hs}$).
• Sektorun orta tutumu və hüceyrə kənarında (Cell Edge) sürət: etalon 3G HSPA (Release 6) şəbəkəsi ilə müqayisədə Downlink-də $3\text{–}4\text{ dəfə}$, Uplink-də isə $2\text{–}3\text{ dəfə}$ yüksək.

2. Gecikmənin kəskin azaldılması (User Plane və Control Plane)

LTE-də ilk dəfə olaraq iki növ gecikmə ciddi şəkildə ayrıldı və normalaşdırıldı:

• İstifadəçi müstəvisinin gecikməsi (User Plane Latency): yüksüz hüceyrədə IP paketinin radioşəbəkədən bir istiqamətdə (UE telefonu ilə radioşəbəkənin sərhəd qovşağı arasında) keçmə vaxtı $5\text{ ms}$-dən az olmalıdır! Bunun üçün 3G Rel-99-da $10\text{–}20\text{ ms}$, HSPA-da isə $2\text{ ms}$ olan minimal radioresurs planlaşdırma intervalı (TTI — Transmission Time Interval) LTE-də $1\text{ ms}$-yə endirildi. Real şəbəkədə bu, naqilli ev İnterneti səviyyəsində — təxminən $10\text{–}20\text{ ms}$ uçdan-uca pinq (E2E RTT) verir!
• İdarəetmə müstəvisinin gecikməsi (Control Plane Latency): smartfonun enerjiyə qənaət edən yuxu vəziyyətindən (IDLE) tam aktiv verilənlərin ötürülməsi vəziyyətinə (ACTIVE / CONNECTED) keçid vaxtı $100\text{ ms}$-dən az (aktiv rejim daxilində fasiləli qəbuldan çıxış isə $50\text{ ms}$-dən az) olmalıdır; eyni zamanda $5\text{ MHs}$ zolaqlı bir hüceyrə ən azı $200$ aktiv abunəçini (daha geniş zolaqlarda isə $400$-dək) saxlamalıdır.

3. Spektr çevikliyi (Spectrum Flexibility: 1,4-dən 20 MHs-dək + FDD/TDD)

$5\text{ MHs}$ zolağa sərt bağlanmış 3G WCDMA-dan fərqli olaraq, ortoqonal altdaşıyıcılara (OFDMA / SC-FDMA) əsaslanan LTE radiointerfeysi konstruktor kimi miqyaslanır və altı standart kanal enini dəstəkləyir:

• $1{,}4\text{ MHs}$ (cəmi $7$ ədəd $200\text{ kHs}$-lik 2G GSM daşıyıcısını boşaltmaqla hətta kiçik spektr parçasında belə LTE qaldırmağa imkan verir!);
• $3\text{ MHs}$ (900 və 1800 MHs diapazonlarının tədricən refarminqi üçün əlverişlidir);
• $5\text{ MHs}$ (bir 3G UMTS daşıyıcısının birə-bir əvəzlənməsi);
• $10\text{ MHs}$, $15\text{ MHs}$ və $20\text{ MHs}$ (yüksəksürətli magistral 4G zolaqları).
• Bundan başqa, vahid LTE arxitekturası həm tezlik dupleksində (FDD — cüt Uplink/Downlink zolaqları), həm də zaman dupleksində (TDD — tək zolaq) eyni dərəcədə effektiv işləyir.

4. Yastı All-IP arxitekturası və meqabaytın maya dəyərinin azaldılması

Şəbəkəni köklü şəkildə ucuzlaşdırmaq və gecikmələri aradan qaldırmaq üçün LTE-də və yeni EPC (Evolved Packet Core) paket nüvəsində üç arxitektura qərarı qəbul edildi:

1. Kanalların kommutasiyası domeninin (CS Domain) tam ləğvi: LTE-də nə MSC kommutatorları, nə MGW media şlüzləri, nə də $64\text{ kbit/s}$ kanalları var. Bütün şəbəkə 100% paket əsaslı (All-IP PS Only) oldu — həm veb-səhifələr, həm video, həm də səs (VoLTE) yalnız IP paketləri şəklində ötürülür.
2. Radioşəbəkə nəzarətçisinin (RNC / BSC) ləğvi — yastı radioşəbəkə: radioresursların idarə olunması, şifrləmə və paketlərin $1\text{ ms}$ intervalla planlaşdırılması funksiyalarının hamısı birbaşa dördüncü nəsil baza stansiyasına — eNodeB (Evolved NodeB) qovşağına köçürüldü.
3. Nüvədə idarəetmə və istifadəçi müstəvilərinin ayrılması: mobilliyin idarə olunması üzrə siqnalizasiya qovşağı (MME) istifadəçi trafikinin yolundan tamamilə çıxarıldı! Ağır video və fayl axınları eNodeB baza stansiyasından birbaşa paket şlüzləri (S-GW $\rightarrow$ P-GW) vasitəsilə İnternetə gedir — 3G-dəki dörd qovşaq (NodeB → RNC → SGSN → GGSN) əvəzinə cəmi iki növ qovşaqdan keçir.

Həll nümunəsi: 3G HSPA → 4G LTE miqrasiyasının mühəndis və maliyyə hesabatı

Dərsin əvvəlindəki texniki direktorun tapşırığına qayıdaq və 3G HSPA-dan 4G LTE-yə keçidin operatorun hər üç problemini (sürət/tutum, RNC-də siqnalizasiya fırtınası və meqabaytın maya dəyəri) dəqiq rəqəmlərlə necə həll etdiyini yoxlayaq:

# Spektral effektivlik və pik sürətin müqayisəsi: 3G HSPA və 4G LTE (Release 8)
spectral_and_throughput_comparison:
  legacy_3g_hspa_rel6:
    channel_bandwidth_mhz: 5.0
    dl_peak_rate_mbps: 14.4
    ul_peak_rate_mbps: 5.76
    dl_spectral_efficiency_bps_per_hz: 2.88   # 14.4 Mbit/s / 5 MHs = 2.88 bit/s/Hs
  lte_rel8_target_tr25913:
    channel_bandwidth_mhz: 20.0
    dl_target_rate_mbps: 100.0                # 2x2 MIMO üçün 150 Mbit/s (4x4 MIMO üçün 300 Mbit/s)
    ul_target_rate_mbps: 50.0                 # 64-QAM ilə 75 Mbit/s-dək
    dl_spectral_efficiency_bps_per_hz: 5.0    # 100 Mbit/s / 20 MHs = 5.0 bit/s/Hs
    ul_spectral_efficiency_bps_per_hz: 2.5    # 50 Mbit/s / 20 MHs = 2.5 bit/s/Hs

İndi isə dördpilləli 3G sxemindən yastı 4G LTE sxeminə keçərkən paket gecikməsinin, smartfonun oyanma vaxtının və $1\text{ QB}$ verilənlərin ötürülmə maya dəyərinin necə dəyişdiyini hesablayaq:

# Gecikmələrin və tranzit qovşaq sayının müqayisəsi (User Plane & Control Plane)
latency_and_hierarchy_audit:
  3g_umts_hspa_4_nodes:
    user_plane_path: "NodeB -> RNC -> SGSN -> GGSN (4 qovşaq)"
    transmission_time_interval_tti_ms: 2.0
    user_plane_ran_one_way_ms: 25.0
    end_to_end_ping_rtt_ms: 65.0
    idle_to_active_wakeup_ms: 1800.0          # 1.8 s (RNC vasitəsilə IDLE -> CELL_DCH)
  4g_lte_epc_flat_2_tiers:
    user_plane_path: "eNodeB -> S-GW/P-GW (2 növ qovşaq, RNC-siz və MME-dən yan keçməklə)"
    transmission_time_interval_tti_ms: 1.0
    user_plane_ran_one_way_target_ms: 5.0     # TR 25.913 üzrə < 5 ms
    end_to_end_ping_rtt_ms: 15.0              # canlı şəbəkədə 10..20 ms
    idle_to_active_wakeup_target_ms: 100.0    # < 100 ms (yalnız 2 vəziyyət: IDLE və CONNECTED)

3GPP TR 25.913 (LTE Release 8) hədəf göstəricilərini və 3G UMTS / HSPA parametrlərini vahid normativ cədvəldə birləşdirək:

💡 Arxitektura verdikti (dərsin tapşırığındakı CTO üçün qərar): Smartfon trafikinin partlayışı zamanı yeni RNC nəzarətçiləri almaqla köhnəlmiş 3G iyerarxiyasını genişləndirmək iqtisadi intihardır. 4G LTE (3GPP Release 8) standartına keçid hər üç problemi kökündən həll edir: (1) RNC qovşağının ləğvi və oyanma vaxtı $< 100\text{ ms}$ olan iki sadə radiokanal vəziyyətinə keçid radioşəbəkə nəzarətçisinin «dar boğazını» tamamilə aradan qaldırır; (2) çevik $1{,}4\text{ və }3\text{ MHs}$ zolaqları WCDMA daşıyıcısının ($5\text{ MHs}$) yerləşmədiyi $900\text{ MHs}$ diapazonundakı boş $3\text{ MHs}$ resursu dərhal işə salmağa imkan verir; (3) CS domeni olmayan və istifadəçi trafikini MME siqnalizasiya qovşağından yan keçirən yastı All-IP arxitekturası hər meqabaytın ötürülməsinə çəkilən əsaslı və əməliyyat xərclərini $4\text{–}5\text{ dəfədən}$ çox azaldır.

# Operatorun maliyyə-mühəndis modeli (1 QB trafik üçün OPEX/CAPEX): 3G və 4G LTE
operator_unit_economics_model:
  narrow_spectrum_900mhz_3mhz_block:
    wcdma_3g_deployment: "Mümkün deyil (ən azı 5.0 MHs bütöv spektr tələb olunur)"
    lte_4g_deployment: "Uğurlu: standart 3.0 MHs LTE zolağı (15 resurs bloku)"
  cost_and_signaling_efficiency:
    relative_cost_per_mb_3g_hspa: 1.00        # Baza səviyyəsi (NodeB+RNC+SGSN+GGSN üzərindən 100% xərc)
    relative_cost_per_mb_4g_lte: 0.22         # 22% (RNC və CS olmadan yastı şəbəkə hesabına -78% xərc)
    capacity_gain_per_mhz_factor: 3.5         # Hər MHs spektrdən 3.5 dəfə çox trafik

Nə xarab ola bilər və bunu necə tapmaq olar

2G/3G-dən LTE-yə miqrasiyanı planlaşdırarkən və şəbəkənin real göstəricilərini qiymətləndirərkən mühəndislər müntəzəm olaraq üç tipik layihələndirmə və diaqnostika xətası ilə qarşılaşırlar:

⚠️ Yeni başlayanların tipik xətası: LTE-nin hədəf $100\text{–}150\text{ Mbit/s}$ sürətinin tezlik resursundan asılı olmayaraq istənilən 4G baza stansiyasında avtomatik əldə edildiyini düşünmək. Yadda saxlayın: 3GPP TR 25.913 hədəf göstəriciləri (Downlink-də $\ge 100\text{ Mbit/s}$ və Uplink-də $\ge 50\text{ Mbit/s}$) $R = \eta \cdot \Delta F$ düsturuna əsasən maksimal $20\text{ MHs}$ radiokanal eni üçün normalaşdırılıb. Əgər operatorun həmin diapazonda yalnız $5\text{ MHs}$ və ya $10\text{ MHs}$ zolağı varsa, sektorun pik buraxma qabiliyyəti müvafiq olaraq düz $4$ və ya $2\text{ dəfə}$ azalacaq!

Təcrübə

Çətinlik dərəcəsi artan beş tapşırığı yerinə yetirin (nəticənin proqnozlaşdırılmasından ulduzlu müstəqil hesabata qədər):

1. Nəticəni proqnozlaşdırın: Operator $1800\text{ MHs}$ diapazonunda $2{,}4\text{ MHs}$ enində bütöv zolaq təmizləyib (hər biri $200\text{ kHs}$ olan $12$ ədəd 2G GSM tezlik kanalını boşaldıb). O, həmin zolaqda bir 3G UMTS (WCDMA) daşıyıcısı işə sala bilərmi? Bəs 3GPP standartının icazə verdiyi altı standart 4G LTE zolağından ($1{,}4$; $3$; $5$; $10$; $15$; $20\text{ MHs}$) ən çox hansını orada qaldıra bilər?
2. Spektral effektivlik düsturu ilə yoxlayın: 3GPP TR 25.913 sənədinə görə LTE Release 8-in hədəf pik spektral effektivliyi Downlink-də $5{,}0\text{ bit/s/Hs}$, Uplink-də isə $2{,}5\text{ bit/s/Hs}$ təşkil edir. Operator LTE-ni $10\text{ MHs}$ zolaqda işə salarsa, Downlink və Uplink üçün hədəf pik sürətləri hesablayın.
3. Arxitektura qərarını izah edin: Nə üçün 4G LTE-də 3GPP mühəndisləri ayrılmış radioşəbəkə nəzarətçisi (RNC) qovşağını tamamilə yığışdıraraq onun vəzifələrini eNodeB baza stansiyasına verdilər və bu, eyni vaxtda həm User Plane gecikməsinə, həm də smartfonun IDLE → ACTIVE oyanma vaxtına necə təsir etdi?
4. Giriş şərtlərini dəyişin: Tutaq ki, RNC nəzarətçili 3G HSPA şəbəkəsində paketin radioşəbəkədən bir istiqamətdə keçmə gecikməsi $25\text{ ms}$, paket nüvəsi və serverə qədər transport isə bir istiqamətdə daha $10\text{ ms}$ çəkir (cəmi uçdan-uca $\text{RTT} = 2 \times (25 + 10) = 70\text{ ms}$). 4G LTE-yə keçdikdən sonra radioşəbəkənin bir istiqamətdə gecikməsi 3GPP TR 25.913 hədəfinə ($4{,}5\text{ ms}$) enərsə, transport və yastı EPC nüvəsi isə aralıq qovşaqlardan imtina hesabına bir istiqamətdə $5{,}5\text{ ms}$ tutarsa, uçdan-uca RTT nə qədər olar?
5. Özünüz edin ⭐: Operator $2100\text{ MHs}$ diapazonunda $15\text{ MHs}$ zolağa malikdir; hazırda orada sektorun orta spektral effektivliyi $1{,}2\text{ bit/s/Hs}$ olan üç ədəd $5\text{ MHs}$-lik 3G HSPA daşıyıcısı işləyir (sektorun ümumi orta buraxma qabiliyyəti $15\text{ MHs} \times 1{,}2 = 18\text{ Mbit/s}$). Bütün $15\text{ MHs}$ resurs vahid genişzolaqlı 4G LTE ($15\text{ MHs}$) daşıyıcısına refarminq edildikdə sektorun orta spektral effektivliyi $3\text{ dəfə}$ artaraq $3{,}6\text{ bit/s/Hs}$-ə, pik effektivliyi isə ($2\times 2\text{ MIMO}$ rejimində) $7{,}5\text{ bit/s/Hs}$-ə çatır. $15\text{ MHs}$ LTE sektorunun yeni orta və pik sürətini hesablayın, həmçinin $100\%$ orta yüklənmə zamanı pik saatda ($3600\text{ saniyə}$ ərzində) belə bir sektorun neçə tam giqabayt trafik ötürəcəyini müəyyən edin ($1\text{ bayt} = 8\text{ bit}$, $1\text{ QB} = 1000\text{ MB}$ qəbul edin).

Özünüyoxlama

Ətraflı izahlı iki yoxlama sualı ilə özünüzü sınayın, sonra isə praktiki tapşırıqların həllərini tutuşdurun:

Sual 1. Nə üçün 3G UMTS şəbəkəsində messencerli smartfon ötürülən meqabaytların ümumi həcmi az olduqda belə RNC nəzarətçisinin prosessorlarında həddindən artıq yüklənmə («siqnalizasiya fırtınası») yaradırdı və bu problem 4G LTE arxitekturasında necə həll edilib?

• Cavabın təhlili: 3G UMTS/HSPA şəbəkəsində batareya enerjisinə qənaət etmək üçün mərkəzləşdirilmiş şəkildə RNC nəzarətçisi tərəfindən idarə olunan mürəkkəb radiokanal vəziyyətləri zənciri (IDLE, CELL_PCH, CELL_FACH, CELL_DCH) istifadə edilirdi. Smartfondan gələn hər kiçik keep-alive fon mesajı RNC-ni radioresursların ayrılması və sonradan boşaldılması üzrə uzun proseduru ($\sim 1{,}5\text{–}2{,}5\text{ s}$ və UE, NodeB, RNC, SGSN arasında $20$-dən çox siqnalizasiya mesajı) yerinə yetirməyə məcbur edirdi. 4G LTE-də RNC qovşağı tamamilə ləğv edilib, $1\text{ ms}$ addımlı planlaşdırıcı birbaşa eNodeB baza stansiyasına quraşdırılıb, gözləmə və aktiv ötürmə arasındakı keçid isə aralıq radioşəbəkə nəzarətçisi olmadan $< 100\text{ ms}$ ərzində baş verir.

Sual 2. «4G LTE / EPC standartında kanalların kommutasiyası domeni (CS Domain) tamamilə ləğv edilib» ifadəsi nə deməkdir və bu, rabitə operatoru üçün hansı iki nəticəni doğurur?

• Cavabın təhlili: İki nüvənin — səs üçün telefon CS (MSC/VLR, MGW) və İnternet üçün paket PS (SGSN, GGSN) domenlərinin paralel işlədiyi 2G GSM və 3G UMTS şəbəkələrindən fərqli olaraq, 4G arxitekturasında yalnız All-IP paket nüvəsi (EPC) saxlanılıb. Birinci nəticə (iqtisadi): operator artıq iki paralel transport və kommutasiya şəbəkəsi qurmalı və saxlamalı deyil. İkinci nəticə (texniki): LTE-də klassik $64\text{ kbit/s}$ səs kanalı açmaq mümkün deyil — telefon zəngi üçün smartfon ya səsi multimedia alt-sistemi (VoLTE) üzərindən prioritetli IP paketləri şəklində ötürməli, ya da zəng vaxtı avtomatik olaraq 2G/3G radioşəbəkəsinə (CSFB) keçməlidir.

Təcrübənin cavabları

1. 1-ci tapşırığın cavabı: $2{,}4\text{ MHs}$ zolaqda 3G UMTS (WCDMA) işə salmaq olmaz, çünki bir WCDMA daşıyıcısı sərt şəkildə $5{,}0\text{ MHs}$ zolaq tələb edir. 4G LTE standartında isə $2{,}4\text{ MHs}$ zolağa $1{,}4\text{ MHs}$ enində standart kanal yerləşir (növbəti pillə olan $3{,}0\text{ MHs}$ artıq $2{,}4\text{ MHs}$-ə sığmır).
2. 2-ci tapşırığın cavabı: $\Delta F = 10\text{ MHs}$ zolağı üçün Downlink-də hədəf pik sürət $10\text{ MHs} \times 5{,}0\text{ bit/s/Hs} = \mathbf{50\text{ Mbit/s}}$ ($2\times 2\text{ MIMO}$ ilə təcrübədə $75\text{ Mbit/s}$-dək), Uplink-də isə $10\text{ MHs} \times 2{,}5\text{ bit/s/Hs} = \mathbf{25\text{ Mbit/s}}$ təşkil edəcək.
3. 3-cü tapşırığın cavabı: Aralıq RNC nəzarətçisinin çıxarılması hər paketin yolundan əlavə tranzit qovşağını və Iub transport sahəsini yığışdırdı. Radioresurs planlaşdırıcısı və radiokanalın idarəetmə protokolu $1\text{ ms}$ kadr/subkadr intervalı ilə birbaşa eNodeB baza stansiyasına köçürüldüyü üçün radioşəbəkədə bir istiqamətdə paket gecikməsi $< 5\text{ ms}$-yə, yuxu rejimindən aktiv radiobirləşmənin qurulma vaxtı isə $< 100\text{ ms}$-yə endi.
4. 4-cü tapşırığın cavabı: 4G LTE-də bir istiqamətdə gecikmə $4{,}5\text{ ms} + 5{,}5\text{ ms} = 10{,}0\text{ ms}$ olacaq. Uçdan-uca gediş-gəliş gecikməsi $\text{RTT} = 2 \times 10{,}0\text{ ms} = \mathbf{20\text{ ms}}$ təşkil edəcək (3G-dəki $70\text{ ms}$ ilə müqayisədə $3{,}5\text{ dəfə}$ azalma!).
5. 5-ci tapşırığın cavabı ⭐:
   * LTE sektorunun ($15\text{ MHs}$) yeni orta buraxma qabiliyyəti: $15\text{ MHs} \times 3{,}6\text{ bit/s/Hs} = \mathbf{54\text{ Mbit/s}}$ (3G-dəki $18\text{ Mbit/s}$-ə qarşı).
   * LTE sektorunun ($15\text{ MHs}$) yeni pik buraxma qabiliyyəti: $15\text{ MHs} \times 7{,}5\text{ bit/s/Hs} = \mathbf{112{,}5\text{ Mbit/s}}$.
   * $54\text{ Mbit/s}$ ($54 / 8 = 6{,}75\text{ MB/s}$) orta sürətlə $1\text{ saat}$ ($3600\text{ s}$) ərzində trafik həcmi: $6{,}75\text{ MB/s} \times 3600\text{ s} = 24\,300\text{ MB} = \mathbf{24{,}3\text{ QB}}$ (bir sektordan saatda!).

Təkrar və növbəti dərsə keçid meyarı

• gsm kursundan qısa təkrar: 2.5G/3G PS Core paket domenini hansı iki qovşağın (SGSN və GGSN) təşkil etdiyini və onları hansı tunel protokolunun (GTP) birləşdirdiyini xatırlayın — cəmi üç dərsdən sonra onların 4G EPC nüvəsində nəyə çevrildiyini görəcəyik.
• Növbəti dərsə keçid meyarı: əgər mətnə baxmadan LTE-nin altı standart kanal enini ($1{,}4 \dots 20\text{ MHs}$), 3GPP TR 25.913 hədəf göstəricilərini ($20\text{ MHs}$-də $\ge 100 / 50\text{ Mbit/s}$, User Plane $< 5\text{ ms}$, Control Plane $< 100\text{ ms}$) və yastı 4G şəbəkəsinin iyerarxik 3G-dən üç əsas arxitektura fərqini sadalaya bilirsinizsə, irəli getməyə hazırsınız.

Növbəti dərsdə (lte-vs-4g) biz «4G» adının paradoksunu araşdıracağıq: nə üçün kommersiya LTE Release 8 standartı formal olaraq əvvəlcə Beynəlxalq Telekommunikasiya İttifaqının IMT-Advanced ($1\text{ Qbit/s}$) sərt tələbinə çatmadı və bu zirvəni LTE-Advanced (Rel-10) və LTE-Advanced Pro (Rel-13+) relizləri necə fəth etdi.

Standartlar və mənbələr

• 3GPP TR 25.913 — Requirements for Evolved UTRA (E-UTRA) and Evolved UTRAN (E-UTRAN) ($100/50\text{ Mbit/s}$ sürət, $< 5\text{ ms}$ / $< 100\text{ ms}$ gecikmə və $1{,}4\text{–}20\text{ MHs}$ spektr çevikliyi üzrə ilkin hədəf tələblər sənədi).
• 3GPP TS 36.300 — Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2 (yastı LTE radioşəbəkəsinin və $1\text{ ms}$ intervalının ümumi təsviri).
• 3GPP TS 23.401 — General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access (CS kanalların kommutasiyası domeni olmayan təmiz paket əsaslı EPC nüvəsinin arxitekturası).