Частные сети LTE: как они устроены и зачем нужны

Частная мобильная сеть или 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.

Все термины и технологии, о которых я говорим в этой статье, можно подробнее изучить на портале 3GPP.

По данным аналитического агентства Oneside, в России частные сети LTE чаще всего применяются в горнодобывающей, нефтегазовой и нефтехимической промышленности, транспорте и логистике, металлургии, машиностроении и электроэнергетике. Но 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) — ниже в статье в подробностях я опишу каждый вариант.
• 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 интерфейсов, описанных спецификациями 3GPP.

Существует и ряд других беспроводных технологий, но они обладают недостатками по сравнению с LTE:

TETRA (TErrestrial Trunked RAdio) и DMR (Digital Mobile Radio) обеспечивают голосовые сервисы, но относительно невысокие скорости передачи данных.

Wi-Fi отличается высокими скоростями передачи данных, но не дает покрытия на большие расстояния.

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

Есть несколько видов реализации архитектуры частных LTE-сетей — от базового доступа к сети до организации узкополосного интернета вещей и передачи голоса. Рассмотрим каждый из них подробнее.

Для типовых услуг — доступа к сети и передачи голоса поверх IP-сети — достаточно базовой архитектуры LTE. Она включает устройства, базовые станции, а также ключевые компоненты ядра сети LTE:

Для начала расшифруем названия основных компонентов сети:

• HSS (Home Subscriber Server) — сервер абонентских данных мобильной сети. На нем хранятся сведения об абонентах.
• MME (Mobility Management Entity) — узел управления мобильностью.
• S-GW (Serving Gateway) — обслуживающий шлюз.
• P-GW (Packet Data Network Gateway) — шлюз взаимодействия с пакетными сетями.
• Опционально: система PCRF для управления политиками обслуживания пользователей.

На радиоинтерфейсе вещается идентификатор зоны обслуживания частной мобильной сети Public Land Mobile Network ID (PLMN ID). Это уникальный идентификатор, состоящий из кодов MCC (Mobile Country Code) и MNC (Mobile Network Code). Для частных сетей обычно используется MCC 999 — в соответствии с рекомендацией МСЭ-T E.212 (09/2016) Международного союза электросвязи по использованию идентификаторов. Это позволяет отличать частные сети от сетей публичных операторов связи, для которых в России используется код MCC 250.

Код MCC 999 поддерживается обычными смартфонами. В качестве примера можно привести рекомендации по его использованию на iPhone с iOS 17 и выше в частных сетях.

Теперь поговорим о частотах, на которых работают частные сети. Технология LTE работает в лицензионных диапазонах, например, 800, 900, 1800, 2100, 2300, 2600 МГц. Поэтому при внедрении частных сетей 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.

Стоит учитывать, что часть устройств по умолчанию использует режим Combined Attach — он подразумевает одновременную регистрацию 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 решают двумя способами.

Первый — настроить на стороне устройства регистрацию только в пакетном домене (EPS-only Attach), ориентируясь, к примеру, на рекомендации 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.

При реализации узкополосного интернета вещей (NB-IoT) в частной мобильной сети LTE к базовой инфраструктуре дополнительно требуются:

• сами устройства с поддержкой NB-IoT,
• поддержка функционала NB-IoT на базовой станции и в опорной сети.

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

• Передача non-IP трафика (Non-IP Data Delivery, NIDD) — данные передаются от пользовательского устройства (UE) до узла управления мобильностью (MME) внутри сигнальных сообщений NAS (non-access stratum), далее через SCEF в серверы приложения.
• Поддержка специальных функций контроля состояния UE (Monitoring Events, MONTE).
• Инициирование отправки команды на установку соединения для передачи данных на устройство, которое зарегистрировано в сети без активного PDN-соединения.

Для этого 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 этой системы по интерфейсу Rx.
• Сервер MCPTT.

Для этого дополнительно к системам, описанным выше в базовой архитектуре, требуются:

• устройства с поддержкой VoLTE;
• поддержка на базовой станции и в опорной сети идентификаторов класса качества 1 для передачи голоса и 5 для передачи сигнализации IMS;
• сама подсистема передачи мультимедийных данных на основе протокола IP (IP Multimedia Subsystem, IMS);
• система PCRF с Rx-интерфейсом в опорной сети.

При использовании частных сетей часто нужен не только доступ к собственным сервисам через выделенную сеть, но и подключение к публичной сети оператора связи. Это делается, чтобы связь была доступна не только сотрудникам предприятия, но и другим людям, находящимся в зоне покрытия базовой станции. 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 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.

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

Выбор конкретной архитектуры реализации частной LTE-сети зависит от требований заказчика. В России крупные предприятия уже запустили несколько десятков частных сетей LTE. И их количество будет только расти — отечественные производители выпускают всё больше решений.

Технология LTE используется не только в частных сетях, но и наиболее востребованная технология в сетях операторов связи. Будущему специалисту в телекоме полезно понимать не только особенности работы частных сетей, но и саму технологию LTE. Детально познакомиться с ней помогут ключевые спецификации 3GPP:

• 3GPP TS 36.300 — описывает радиоподсистему,
• 3GPP TS 23.401 — описывает системную архитектуру.

А если вы только начинаете знакомство с телекомом, статьи из списка ниже помогут плавно погрузиться в тему:

• Читайте «Как устроена архитектура мобильных сетей» — чтобы разобраться, как работают голосовые вызовы, передача данных и подключение IoT-решений в частных и публичных сетях LTE.
• Изучите «Проблемы поколений: история уязвимостей мобильных сетей от 1G до 5G» — чтобы понять эволюцию поколений мобильной сети и их слабые места.
• А потом выясните «Всё, что вы хотели знать про телеком: простыми словами об опорной сети 5G» — чтобы понять, что такое опорная сеть, почему без нее сигнал не пойдет от абонента к абоненту и чем пятое поколение связи отличается от предыдущих.