Частные сети LTE: как они устроены и зачем нужны

Рынок частных мобильных сетей активно растет в рамках цифровой трансформации предприятий в различных отраслях. В отличие от публичных, частные сети LTE позволяют компаниям организовать автономную инфраструктуру связи — с минимальными задержками и полным контролем над данными. Это особенно важно для «умных» фабрик, автономного транспорта, автоматизированных производственных линий и других сценариев, где нестабильная связь напрямую влияет на операционные риски. 

Такая сеть остается внутри периметра компании, не зависит от внешнего оператора и может быть развернута даже в местах без инфраструктуры — например, в удаленных районах, где нет покрытия сотовых операторов. 

Привет! На связи Михаил Бухтеев, ведущий технический менеджер продукта в YADRO ^[1]. Сегодня предлагаю разобраться, что такое частные сети LTE, как они устроены и где применяются. 

Преимущества частных мобильных сетей LTE

Для начала определимся с терминами, в чем нам поможет РБК ^[2]. Частная мобильная сеть LTE — это сеть, созданная в пределах одной организации. Она основана на той же технологии, что и общедоступные сети этого стандарта, но не присоединена к инфраструктуре общего пользования. Все ее элементы — от датчиков до центра управления — находятся в закрытом контуре.

По данным ^[3] аналитического агентства Oneside, в России чаще всего частные сети LTE применяются в горнодобывающей, нефтегазовой и нефтехимической промышленности, транспорте и логистике, металлургии, машиностроении и электроэнергетике. Почему компании выбирают для построения частных сетей именно LTE?

• Использование одной технологии для разных сценариев: подключение персональных мобильных устройств (смартфоны/планшеты) сотрудников, умных устройств, автономного транспорта, развертывания голосовых сервисов и так далее.

• Различные варианты передачи голоса: OTT (Over-The-Top), MCPTT (Mission Critical Push-To-Talk), VoLTE (Voice over LTE).

• Подключение устройств узкополосного интернета вещей (NB-IoT).

• Совместное использование радиосети для частной сети и для сети оператора связи.

• Хорошее покрытие, поддержка мобильности и высокая пропускная способность сети.

• Безопасность, автономность и изолированность сети.

• Совместимость решений от разных поставщиков оборудования благодаря использованию стандартизированных интерфейсов, описанных спецификациями 3GPP ^[4].

Недостатки  других популярных беспроводных технологий по сравнению с LTE: 

• TETRA ^[5] (TErrestrial Trunked RAdio) и DMR ^[6] (Digital Mobile Radio) обеспечивают голосовые сервисы, но относительно невысокие скорости передачи данных. 

• Wi-Fi ^[7] отличается высокими скоростями передачи данных, но не обеспечивает покрытие на большие расстояния.

• LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), например технология LoRa ^[8], подходит только для сценариев подключения устройств с небольшими объемами передаваемых данных.

Обзор стандартных архитектур

Для предоставления базовых услуг, таких как доступ к сети и передача голоса поверх IP-сети, достаточно базовой архитектуры LTE. Она включает устройства, базовые станции, а также ключевые компоненты ядра сети LTE: 

На радиоинтерфейсе вещается PLMN ID частной сети — уникальный идентификатор, включающий коды MCC (Mobile Country Code) и MNC (Mobile Network Code). Обычно в качестве MCC для частной сети используют код 999, следуя рекомендации МСЭ-T E.212 ^[9] (09/2016) Международного союза электросвязи по использованию идентификаторов. Так частные сети отличают от публичных сетей операторов связи в России, которые используют MCC 250. Приведем рекомендации ^[10] одного из известных производителей мобильных устройств по поддержке MCC 999.

Дивизион Телеком компании YADRO разрабатывает ряд собственных продуктов, в том числе базовые станции GSM/LTE. Присоединяйтесь к нашей команде:

→ Архитектор безопасности (RAN) ^[11].
→ TechLead / Lead SW developer (Platform) ^[12].
→ Component Architect ^[13].

Технология LTE работает в лицензионных диапазонах, таких как 800, 900, 1800, 2100, 2300, 2600 МГц, поэтому при внедрении предприятию нужно получить разрешение на использование частот. В большинстве случаев частную сеть запускают в партнерстве с мобильным оператором. В отдельных случаях частотным ресурсом для LTE-сетей может владеть не оператор связи, а крупное ведомство — например, РЖД ^[14]. 

Стоит учитывать, что часть устройств по умолчанию использует режим Combined Attach (одновременная регистрация устройства в доменах пакетной (EPS) и голосовой (CS) коммутации). Однако в частных мобильных сетях, как правило, реализован только пакетный домен, что может вызывать отказ в подключении. Эту проблему можно решить двумя способами.

Первый — настроить на стороне устройства регистрацию только в пакетном домене (на рекомендации ^[10] одного известного производителя мобильных устройств.

Второй — добавление функционала в опорную сеть для поддержки ответа на Combined Attach-запрос, даже при отсутствии голосового домена. В этом случае сеть возвращает успешный ответ на Combined Attach, но фактически обрабатывает только пакетную часть подключения.

Разобраться в архитектурах сетей сотовых операторов в России, которые обеспечивают работу более 260 миллионов абонентских устройств, поможет предыдущая статья ^[15] автора. А еще вы узнаете, почему 3G уходит, а 2G и 4G — с нами надолго.

Если в частной мобильной сети LTE нужно реализовать узкополосный интернет вещей (NB-IoT), то дополнительно к системам, описанным выше в базовой архитектуре, требуется:

• устройства с поддержкой NB-IoT,

• поддержка функционала NB-IoT на базовой станции и в опорной сети.

Использование системы SCEF (Service Capability Exposure Function) — опционально, может потребоваться в следующих сценариях:

• передача non-IP трафика (Non-IP Data Delivery, NIDD) по пути UE → MME → SCEF → приложение,

• поддержка специальных функций контроля состояния UE (MONTE – Monitoring Events), 

• триггеринг устройств.

Если в частной мобильной сети LTE нужно реализовать передачу голоса с помощью технологий MCPTT, то дополнительно к системам, описанным выше в базовой архитектуре, требуются:

• Устройства с поддержкой MCPTT.

• Поддержка на базовой станции и в опорной сети идентификаторов класса качества (QCI) — 65 для передачи MCPTT-данных и 69 для передачи сигнализации. 

• Система PCRF с Rx-интерфейсом в опорной сети, так как в соответствии со спецификацией 3GPP TS 23.379 система MCPTT должна запрашивать ресурсы у PCRF по интерфейсу Rx. В запросе ресурсов через Rx нужно указывать приложение MCPTT с соответствующим идентификатором, чтобы PCRF мог назначить корректный QCI.

• Сервер MCPTT.

Если в частной мобильной сети LTE нужно реализовать передачу голоса с помощью технологий VoLTE, то дополнительно к системам, описанным выше в базовой архитектуре, требуются:

• устройства с поддержкой VoLTE;

• поддержка на базовой станции и в опорной сети QCI 1 для передачи голоса и QCI 5 для передачи сигнализации IMS;

• система PCRF с Rx-интерфейсом в опорной сети;

• сервер IMS.

При использовании частных сетей часто нужен не только доступ к собственным сервисам через выделенную сеть, но и подключение к публичной сети оператора связи. Такой сценарий может быть реализован через архитектуру совместного использования сети.

Ниже показан вариант совместной работы частной сети и оператора мобильной связи по модели MOCN (Multi-Operator Core Network). На сотах базовой станции (БС) настраивается список из двух PLMN ID: один для частной сети, второй — для публичного оператора. При этом БС одновременно подключается к двум опорным сетям: предприятия и оператора связи. Технология LTE позволяет базовой станции одновременно транслировать до шести PLMN ID на одной соте.

Возможен вариант совместного использования по архитектуре MORAN (Multi-Operator Radio Access Network), при котором каждому PLMN ID назначается отдельный частотный канал.

Заключение

LTE, в отличие от конкурирующих технологий, максимально универсальна для построения частных мобильных сетей: передача голоса и мобильных данных без заметных ограничений, поддержка разных технологий и устройств благодаря соответствию спецификациям 3GPP, а также возможности развертывания узкополосных IoT-сетей. Конкретная архитектура зависит от требований заказчика. 

В России крупные предприятия уже запустили несколько десятков частных сетей LTE, и их число будет только расти — ведь построить такую сеть можно, используя решения от отечественных производителей.

Все спецификации 3GPP, которые упомянуты в статье, можно найти на портале консорциума ^[16].