О интерфейсах в LTE

Сегодня мы поговорим о интерфейсах в LTE.
В сетях LTE используется масса интерфейсов для взаимодействия компонентов и сервисов и основные из них мы сегодня рассмотрим:
У eNodeB имеются два основных интерфейса.

• S1-MME – интерфейс обмена сигнальной информацией с MME. По данному интерфейсу передаются данные управления.

Протокол:

Используется SCTP (Stream Control Transmission Protocol) поверх IP для обеспечения надёжной и упорядоченной доставки сигнализации.

Уровни сигнализации (контрольного плана):

1. Включает следующие протоколы:
2. S1AP (S1 Application Protocol) — основной для организации коммуникации между eNodeB и MME.
3. NAS (Non-Access Stratum) — используется для обмена сигнализацией между UE (абонент) и MME через узлы eNodeB.

Назначение:

Обеспечивает:

1. Инициацию и управление сессией UE (например, Attach, TA/RA Update, Paging).
2. Аутентификацию и авторизацию абонента.
3. Управление сеансами EPS и безопасности.
4. Управление ресурсами мобильноя сети (например, Handover контроль).

• S1-U – интерфейс с S-GW для трафика, по которому передаются пользовательские данные.

Он используется исключительно для передачи пользовательских данных (например, интернет-трафика, VoIP, видео и т.д.), а не для сигнализации.

Ключевые особенности

• Протокол транспорного уровня: используется GTP-U (GPRS Tunneling Protocol – User Plane) поверх UDP/IP для инкапсуляции пользовательских пакетов.
• Передача данных UE: весь трафик с устройств (UE) перенаправляется в туннеле через S1-U и затем далее в EPC (Evolved Packet Core).
• Назначение туннеля: для каждого UE создаётся GTP-U туннель, через который организуется двунаправленная передача (uplink/downlink).
• Направление взаимодействия:
• eNodeB → S-GW: данные от UE проходят в сторону ядра сети.
• S-GW → eNodeB: доставляются данные из EPC к UE.

• X2 (опциональный) – интерфейс обмена сигнальной информацией с соседнимиeNodeB и (опционально) для передачи трафика. Базовые станции в сети  LTE  соединены по принципу «каждый с каждым». Интерфейс может быть организован между соседними eNB. Интерфейс используется для обмена сигнальной информацией при подготовке handover и в некоторых другихслучаях. Также интерфейс может использоваться для временной пересылкитрафика в процессе handover.

Что такое X2-интерфейс?

• X2-C (Control Plane) — предназначен для управления, сигнальных сообщений и обмена информацией о состоянии радиоресурсов между базовыми станциями (например, передача LOAD, handover и др.).
• X2-U (User Plane) — используется для передачи пользовательских данных между eNodeB во время handover с минимальной задержкой, без участия ядра сети.

Основные особенности

1. Снижение задержки при handover
2. Благодаря X2-интерфейсу данные могут передаваться напрямую между eNodeB при перемещении абонента, что устраняет необходимость маршрутизации через EPC — MME или S-GW.
3. Процедуры handover
4. Handover Preparation: инициируется исходным eNodeB, который отправляет X2-AP сообщение «Handover Request» целевому eNodeB.
5. Handover Execution: трафик начинает перенаправляться по X2-U от исходного к целевому eNodeB, происходит переключение UE на новый узел.
6. SCTP + X2-AP
7. Сигнализационный трафик по X2-C осуществляется через SCTP и протокол X2-AP, схожий по смыслу с S1-AP, но применяется между eNodeB.

У MME имеются следующие основные интерфейсы.

• S1-MME – интерфейс обмена сигнальной информацией с eNodeB.

• S11 – интерфейс обмена сигнальной информацией с SGW.Интерфейс основан на Gn/GTP-Control (GTP-C) (интерфейс между SGSN-GGSN) с некоторыми дополнительными функциями для координации поисковых запросов.

Что такое S11-интерфейс?

Интерфейс S11 создаёт связь между Mobility Management Entity (MME) и Serving Gateway (S-GW) в архитектуре EPC (Evolved Packet Core). Он отвечает за передачу сигнализации, связанной с управлением сессиями туннелей GTP-C (GPRS Tunneling Protocol – Control plane).

Ключевые функции S11:

1. Управление GTP-C туннелями
2. Создание, модификация и удаление GTP-C туннелей, по которым осуществляется пользовательский трафик (через GTP-U).
3. Эти туннели связывают eNodeB и S-GW, и дальше P-GW, обеспечивая путь для обмена данными UE.
4. Процедуры
5. Create Session Request / Response: инициация сессии (например, при Attach UE).
6. Modify Bearer Request / Response: изменение конфигурации bearer'ов (например, добавление новых QoS, PDN, др.).
7. Delete Session Request / Response: удаление сессии (например, при Detach или при завершении PDP).
8. Протокол
9. Использует GTP-C протокол над UDP/IP для передачи сигнализации между MME и S-GW.

• S6a - интерфейс обмена сигнальной информацией с HSS.

S6a — это контрольный (сигнальный) интерфейс между Mobility Management Entity (MME) и Home Subscriber Server (HSS).

Основные задачи:

• Аутентификация и авторизация абонента: MME запрашивает от HSS информацию о подписке, ключи безопасности и проверку доступа.
• Получение данных о подписке: включает PDN-GW адреса, APN-профили, QoS, ограничения и т.д.
• Поддержка процессов управления мобильностью: например, обновления местоположения (Update Location), deregistration (Cancel Location) и запросы для передачи абонента из другой сети (Insert Subscriber Data).
• Роуминг и межсетевое взаимодействие: S6a выполняет такие задачи, как Authentication Information Request (AIR/AIA), Purge UE, Notify Uplink Data Status.

Протокол и транспорт:

• Работает поверх DIAMETER protocol, использующего TCP или SCTP для транспортировки.
• DIAMETER — наследник RADIUS, ориентирован на телекоммуникационные специфики взаимодействия с AAA (Authentication, Authorization, Accounting) системами.

• S10 – интерфейс обмена информацией с другими MME.

Интерфейс S10 обеспечивает связь между двумя MME (Mobility Management Entity) внутри EPC (Evolved Packet Core) и используется для координции при изменении MME, когда абонент передаётся из одной зоны обслуживания (TA — Tracking Area) другой.

Основные задачи:

• MME-to-MME communication: включает обмен состоянием абонента, контекстом сессий (MME Context), и подписочной информацией (Subscriber Context).
• Handover и TAU (Tracking Area Update): обеспечивает корректное продолжение сессии, когда UE перемещается и его нужно обслуживать другим MME.
• Context Transfer: перенос контекста, включая bearer-конфигурации, ключи безопасности, и другие параметры абонента, чтобы можно было быстро и безопасно продолжить обслуживание.
• Контроль -- семантика: взаимодействие сигнализации GTP-C (Control plane) между MME.

Протокол и транспорт:

• Используется GTP-C (GPRS Tunneling Protocol – Control plane) поверх UDP/IP, аналогично тем, что применяются на интерфейсах S1-, S5/S8- и других.
• Обеспечивает создание, модификацию и удаление туннелей между MME, аналогично S11-функционалу, но в пределах MME-MME.

У SGW имеются следующие основные интерфейсы.

• S1-U интерфейс с eNodeB для трафика.

• S5/S8 – интерфейс с PGW для сигнализации и трафика.

• S5 — используется внутри одной сети оператора для связи S-GW и P-GW.
• S8 — фактически тот же интерфейс, но используется в роуминге между сетью посещения (VPLMN) и домашней сетью (HPLMN).

Разница между S5 и S8 — только в топологии и расположении шлюзов:

• S5 — локальное взаимодействие.
• S8 — через границы сетей (с применением дополнительных политик и защиты).

2. Функции

• Передача пользовательских данных (User Plane) по GTP-U туннелям.
• Управление туннелями (Control Plane) по GTP-C:
• Create Session Request/Response (создание туннеля UE к PDN)
• Modify Bearer (изменение параметров QoS и маршрутизации)
• Delete Session (удаление туннелей при Detach или сессии завершения)
• QoS enforcement — P-GW применяет политики, полученные от PCRF через Gx.

3. Протоколы

• Контрольный план: GTP-C (описан в 3GPP TS 29.274)
• Пользовательский план: GTP-U (описан в 3GPP TS 29.281)
• Альтернатива — PMIP (Proxy Mobile IPv6), но в LTE в основном используется GTP.

• S11 - интерфейс обмена сигнальной информацией с MME.

У PGW имеются следующие основные интерфейсы.

• S5/S8 – – интерфейс с PGW для сигнализации и трафика.

• Gx – интерфейс обмена сигнальной информацией с PCRF.

Gx нужен для того, чтобы P-GW получал от PCRF правила политики и тарификации для каждого установленного у абонента bearer'а.

Через него PCRF управляет:

• QoS (Quality of Service) — гарантированные скорости, приоритет трафика.
• Политикой доступа — разрешённые/запрещённые сервисы.
• Правилами тарификации — в реальном времени для биллинга.

2. Типичные процедуры

• Establish Session — при установлении PDN-сессии P-GW отправляет в PCRF запрос (CCR – Credit-Control Request) с информацией о абоненте, APN, IP-адресе и т.д.
• Policy Update — PCRF может в любой момент прислать новые правила (например, при изменении тарифа или активации услуги).
• Session Termination — при завершении сессии P-GW уведомляет PCRF (Session Termination Request).

3. Протокол и транспорт

• Протокол: DIAMETER (приложение Policy and Charging Control — PCC, Application ID 16777238).
• Транспорт: TCP или SCTP.
• Сообщения: CCR (Credit-Control-Request), CCA (Credit-Control-Answer), RAR (Re-Auth-Request), RAA (Re-Auth-Answer) и др.

• SGi – интерфейс с PDN для трафика.

• SGi — это логический интерфейс между PDN Gateway (P-GW) и внешними пакетными сетями.
• К внешним сетям относятся:
• Публичный интернет
• IMS (IP Multimedia Subsystem) для VoLTE/VoNR
• Корпоративные или частные сети
• Специализированные платформы услуг (например, CDN, IoT-сервера)

2. Функции SGi

Через SGi пользовательский трафик UE покидает EPC и попадает в соответствующую PDN (Packet Data Network).

P-GW на этом интерфейсе выполняет:

• NAT (Network Address Translation) и выделение IP-адреса UE
• Маршрутизацию в нужную сеть
• QoS и фильтрацию трафика (в соответствии с политиками, полученными по Gx от PCRF)
• Тарификацию и формирование CDR (Call Detail Records)
• Применение DPI (Deep Packet Inspection) для некоторых сервисов

3. Протоколы и стек

• SGi — это не специфичный для LTE протокол, а обычная IP-интерфейсная точка.
• Может работать поверх:
• IPv4 / IPv6
• TCP, UDP и любых IP-протоколов в зависимости от приложения.
• Для сервисов IMS через SGi передаются SIP/RTP трафик, для интернета — HTTP, HTTPS и т.д.

 Важные моменты

• SGi — это точка, где EPC «встречается» с обычным IP-миром.
• Здесь же находятся элементы безопасности (firewalls, CGNAT, DPI).
• Через SGi часто подключаются сервисные платформы оператора, например, видео-порталы или Zero-Rating-сервисы.