Dlaczego zaczynamy od GSM?

Sieci komórkowe rozwijają się generacjami – każda nowa generacja rozwiązuje problemy poprzedniej i stawia nowe wymagania. Żeby zrozumieć 5G, trzeba znać 2G (GSM) i 4G (LTE), bo 5G nie powstało w próżni: przejęło wiele koncepcji i musiało zachować wsteczną współpracę z istniejącą infrastrukturą.

• 1G (lata 80.): sieci analogowe – wyłącznie głos, brak szyfrowania.
• 2G – GSM (1991): cyfrowa transmisja głosu, SMS, skromne dane (GPRS/EDGE).
• 3G – UMTS (2000): szybszy internet mobilny, wideorozmowy.
• 4G – LTE (2010): szerokopasmowy internet, VoLTE, niskie opóźnienia.
• 5G – NR (2019): ekstremalnie wysoka przepustowość, mMTC, uRLLC.

Na tym wykładzie omówimy dokładnie GSM i 4G/LTE – fundament, na którym stoi 5G.

Global System for Mobile Communications

GSM (Global System for Mobile Communications) to standard cyfrowej telefonii komórkowej opracowany przez europejskie konsorcjum ETSI w latach 80. Komercyjnie uruchomiony w 1991 r. w Finlandii. Przeszedł błyskawiczną ekspansję i stał się standardem globalnym, wypierając sieci analogowe (1G). W odróżnieniu od swoich poprzedników, GSM od początku obsługuje szyfrowanie połączeń, weryfikację abonenta i roaming (możliwość korzystania z sieci innego operatora za granicą).

• Zakresy częstotliwości: 850, 900, 1800, 1900 MHz.
• Technika dostępu: TDMA (podział czasu) + FDMA (podział częstotliwości).
• Przepustowość danych: do 9,6 kb/s (CSD), ok. 114 kb/s z GPRS, do 384 kb/s z EDGE.

Trzy podsystemy GSM

Sieć GSM dzieli się na trzy główne części:

• MS (Mobile Station) – telefon abonenta wraz z kartą SIM.
• BSS (Base Station Subsystem) – infrastruktura radiowa: stacje bazowe (BTS) i kontroler (BSC).
• NSS (Network Switching Subsystem) – „serce” sieci: centrala MSC, rejestr abonentów HLR/VLR, uwierzytelnianie AuC, rejestr sprzętu EIR.

Do NSS dołączone jest połączenie z siecią telefoniczną PSTN (Public Switched Telephone Network) oraz z siecią pakietową przez GPRS Core (SGSN, GGSN) do Internetu.

BTS (Base Transceiver Station)

BTS to urządzenie radiowe, które bezpośrednio komunikuje się z telefonami. Zawiera nadajniki, odbiorniki i anteny. Jedna BTS obsługuje jedną komórkę (ang. cell) – wydzielony obszar geograficzny. Kilka anten sektorowych (zwykle 3 x 120°) tworzy wiele sektorów z jednej lokalizacji. BTS jest podłączona do kontrolera BSC przez interfejs Abis (zazwyczaj linia E1 lub łącze mikrofalowe).

• Parametry typowej BTS: moc nadawania 20–40 W, zasięg komórki 500 m – 35 km.
• BTS nie podejmuje żadnych decyzji o routingu – robi to BSC i MSC.
• Każda komórka ma swój identyfikator CGI (Cell Global Identity).

BSC i MSC – dwa poziomy zarządzania

BSC (Base Station Controller) steruje grupą BTS (od kilku do kilkudziesięciu). Odpowiada za przydział kanałów radiowych, regulację mocy nadawania i obsługę handoveru poziomego (przekazywanie połączenia między komórkami tej samej sieci).

MSC (Mobile Switching Centre) to centrala telefoniczna sieci komórkowej. Komutuje połączenia głosowe, obsługuje roaming, łączy się z PSTN i innymi operatorami. Przechowuje dane o abonentach w rejestrach VLR (lokalni) i konsultuje HLR (rejestr macierzysty).

• Interfejs między BSC a MSC nosi nazwę A-interface.
• Interfejs MSC–PSTN: ISDN lub analogowy (SS7 do sygnalizacji).

Bazy danych sieci GSM

• HLR (Home Location Register) – centralny rejestr wszystkich abonentów operatora. Przechowuje numer MSISDN (numer telefonu), IMSI (identyfikator SIM), usługi, na które abonent jest zapisany, oraz aktualny VLR obsługujący abonenta.
• VLR (Visitor Location Register) – tymczasowy rejestr w MSC; przechowuje dane abonenta przebywającego w danym obszarze. Skraca czas odpytywania HLR.
• AuC (Authentication Centre) – przechowuje klucze Ki i algorytmy uwierzytelniania. Generuje triplet (RAND, SRES, Kc) do weryfikacji tożsamości i szyfrowania.
• EIR (Equipment Identity Register) – baza numerów IMEI telefonów (whitelist/blacklist skradzionych urządzeń).

Co kryje się w karcie SIM?

Karta SIM (Subscriber Identity Module) to mała karta mikroprocesorowa przechowująca tożsamość i klucze kryptograficzne abonenta. Bez niej telefon nie może zarejestrować się w sieci.

• IMSI (International Mobile Subscriber Identity) – 15-cyfrowy identyfikator abonenta (np. 260010123456789); pierwsza część to kod kraju (MCC), potem kod operatora (MNC), potem MSIN.
• Ki – tajny klucz 128-bitowy, nigdy nie opuszcza karty SIM; używany w algorytmie A3/A8 do uwierzytelniania i generowania klucza sesji Kc.
• MSISDN – zwykły numer telefonu widoczny dla świata (np. +48 601 123 456); powiązany z IMSI w HLR.
• IMEI – numer seryjny samego urządzenia (nie karty SIM), przechowywany w EIR.

Jak telefon loguje się do sieci?

Po włączeniu telefon wykonuje tzw. procedurę Location Update:

1. Telefon odczytuje sąsiednie sygnały BTS i wybiera najsilniejszy (BCCH – Broadcast Control Channel).
2. Telefon wysyła do sieci swoje IMSI przez kanał sygnalizacyjny RACH.
3. Sieć (AuC) generuje wyzwanie RAND i odsyła je do telefonu.
4. Telefon oblicza odpowiedź SRES algorytmem A3 (RAND + Ki) i odsyła SRES do sieci.
5. Sieć weryfikuje SRES – jeśli się zgadza, abonent jest uwierzytelniony.
6. Sieć aktualizuje VLR i HLR: abonent jest „widziany” przez dany MSC.
7. Inicjowane jest szyfrowanie (klucz Kc, algorytm A5).

Wielodostęp TDMA/FDMA

Pasmo radiowe GSM jest zasobem współdzielonym. Aby wielu abonentów mogło jednocześnie korzystać z jednej BTS, stosuje się kombinację dwóch technik wielodostępu:

• FDMA (Frequency Division Multiple Access) – pasmo 25 MHz (np. 880–915 MHz) jest podzielone na kanały o szerokości 200 kHz. Każdy kanał to jeden nośnik (ARFCN). W paśmie GSM 900 mieści się ok. 124 nośników.
• TDMA (Time Division Multiple Access) – każdy nośnik 200 kHz jest podzielony na ramki czasowe (frame) trwające 4,615 ms. Każda ramka ma 8 szczelin (timeslotów, TS). Jeden timeslot to jeden kanał fizyczny zdolny obsłużyć jeden kanał głosowy (TCH).

Razem: jeden nośnik GSM 200 kHz obsługuje 8 rozmów głosowych jednocześnie.

2.5G i 2.75G – pakietowe dane

GPRS (General Packet Radio Service) – rozszerzenie GSM z 1997 r., tzw. 2.5G. Zamiast komutacji łączy (jak przy głosie), transmituje dane jako pakiety IP. Kilka timeslotów TDMA można przydzielić jednemu użytkownikowi. Maksymalna przepustowość teoret.: 171 kb/s (12 timeslotów, kodowanie CS-4). W praktyce: 20–60 kb/s.

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) – tzw. 2.75G. Zmiana modulacji z GMSK na 8-PSK trzykrotnie zwiększa przepustowość. Maks. 384 kb/s (teoria), 100–200 kb/s (praktyka).

Do obsługi danych pakietowych w sieci GSM dodano dwa nowe węzły: SGSN (Serving GPRS Support Node – obsługuje abonenta) i GGSN (Gateway GPRS Support Node – brama do Internetu).

Handover, czyli zmiana komórki w trakcie rozmowy

Gdy abonent przemieszcza się i sygnał BTS słabnie, sieć musi przekazać aktywne połączenie do sąsiedniej komórki bez jego przerwania. Nazywamy to handoverem (ang. handover lub handoff).

• Intra-BSC handover: obie BTS podlegają temu samemu BSC – najszybszy, BSC zarządza nim samodzielnie.
• Inter-BSC handover: BTS podlegają różnym BSC, ale temu samemu MSC – koordynuje MSC.
• Inter-MSC handover: BTS podlegają różnym MSC – wymaga komunikacji między centralami (MSC-a wysyła do MSC-b polecenie przejęcia).

Kryteria triggerowania handoveru: poziom sygnału (RxLev), jakość BER, odległość (Timing Advance). Telefon co 480 ms mierzy poziomy sąsiednich komórek i raportuje do BSC.

UMTS – Universal Mobile Telecommunications System

UMTS, znany też jako 3G, to standard z przełomu 2000 r. Kluczowa zmiana: zamiast TDMA/FDMA stosuje W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) – każdy użytkownik używa całej szerokości kanału 5 MHz równocześnie, ale każdy ma unikalny kod rozpraszający (spreading code). Sygnały różnych użytkowników są od siebie odseparowane matematycznie.

• Architektura: RNC (Radio Network Controller) zamiast BSC; Node B zamiast BTS; SGSN/GGSN jak w GPRS.
• HSDPA (3.5G): do 14,4 Mb/s w downlinku; HSUPA: do 5,76 Mb/s w uplinku.
• HSPA+ (3.75G): do 42 Mb/s (64-QAM + 2x2 MIMO).

UMTS ustanowiło fundamenty koncepcje, które LTE rozwinęło: separację płaszczyzny danych od sterującej, IP w rdzeniu sieci i modulacje adaptywne.

LTE (Long Term Evolution)

LTE to standard czwartej generacji opracowany przez 3GPP (3rd Generation Partnership Project) w specyfikacji Release 8 (2008 r.). Komercyjnie uruchomiony w 2009 r. (TeliaSonera, Sztokholm i Oslo). Nie jest to rewolucja w jednym miejscu ale pełna przebudowa sieci:

• Nowa warstwa radiowa: E-UTRAN – eNodeB zamiast BTS/Node B.
• Nowy rdzeń: EPC (Evolved Packet Core) – w pełni pakietowy (IP), bez komutacji łączy.
• Technika radiowa: OFDMA w downlinku, SC-FDMA w uplinku.
• Docelowe parametry: 150 Mb/s DL / 50 Mb/s UL (20 MHz, 2x2 MIMO, Release 8).

LTE-Advanced (Release 10, 2011) – do 1 Gb/s DL: agregacja nośnych (CA), 8x8 MIMO, MNO+ relay.

E-UTRAN + EPC

Sieć LTE składa się z dwóch głównych bloków:

• E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) – sieć radiowa. Jedynym urządzeniem jest tu eNodeB (evolved Node B). eNodeB pełni role, które w GSM były podzielone między BTS i BSC. Łączą się ze sobą bezpośrednio przez interfejs X2 (handover, interference management).
• EPC (Evolved Packet Core) – rdzeń sieci, złożony z MME, SGW, PGW, HSS, PCRF. Obsługuje wyłącznie ruch IP.

Interfejs między eNodeB a EPC nosi nazwę S1: S1-MME (sterowanie) i S1-U (dane).

Składniki Evolved Packet Core

• MME (Mobility Management Entity) – zarządza mobilnością UE (User Equipment): rejestrację, uwierzytelnianie, handover, sesje. Odpowiednik MSC+VLR z GSM, ale dla płaszczyzny sterowania.
• SGW (Serving Gateway) – brama obsługująca bieżące połączenie RAN–rdzeniowe. Obsługuje mobilność między eNodeB. Przesyła dane (płaszczyzna użytkownika).
• PGW (PDN Gateway) – brama do zewnętrznych sieci (Internet, IMS). Przydziela adresy IP, egzekwuje reguły QoS/PCRF. Odpowiednik GGSN z GPRS.
• HSS (Home Subscriber Server) – centralny rejestr abonentów. Odpowiednik HLR+AuC.
• PCRF (Policy and Charging Rules Function) – decyduje o polityce QoS i zasadach naliczania opłat.

eNodeB (evolved Node B)

eNodeB to stacja bazowa sieci LTE. W porównaniu z BTS w GSM, eNodeB ma znacznie więcej odpowiedzialności – wykonuje zadania, które w GSM wymagały BTS + BSC + część MSC:

• Zarządza zasobami radiowymi (przydział bloków PRB).
• Wykonuje pomiary kanału radiowego i adaptuje modulację (AMC).
• Obsługuje handover do sąsiednich eNodeB przez interfejs X2 bez udziału EPC (dla idealnych warunków).
• Szyfruje i kompresuje nagłówki danych użytkownika (PDCP).
• Planuje transmisję w czasie rzeczywistym – scheduler działa co 1 ms (subramka TTI).

Dzięki bezpośredniemu połączeniu X2 między eNodeB czas handoveru LTE wynosi ok. 50 ms (vs. 100–300 ms w 3G).

OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access)

LTE w kierunku downlink (stacja do telefonu) stosuje OFDMA. Idea: zamiast jednego szerokiego kanału, dane dzielone są na tysiące wąskich podnośnych (subcarriers) o szerokości 15 kHz. Podnośne są wzajemnie ortogonalne – nie zakłócają się. Grupy 12 sąsiednich podnośnych tworzą Resource Block (RB) o szerokości 180 kHz.

• Kanał 20 MHz → 100 RB → 1200 podnośnych.
• Scheduler eNodeB przydziela RB różnym użytkownikom co 1 ms (TTI).
• Każdy RB może używać innej modulacji (QPSK, 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM w LTE-A).
• Prefiks cykliczny CP (~4,7 µs) chroni przed wielodrogowością (multipath).

Zalety OFDMA: odporność na zniekształcenia wielodrogowe, efektywne planowanie zasobów w domenach częstotliwości i czasu jednocześnie.

SC-FDMA (Single Carrier FDMA) – dlaczego uplink jest inny?

W uplinku (telefon do stacji) LTE używa SC-FDMA zamiast OFDMA. Powód: OFDMA ma wysoki współczynnik PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) – sygnał ma duże wahania mocy, co wymaga drogiego wzmacniacza w telefonie. SC-FDMA redukuje PAPR, co oznacza:

• Niższe zużycie energii przez telefon (ważne dla baterii).
• Tańszy wzmacniacz mocy (PA) w UE.
• Mniejszy zasięg nie jest problemem – UE nadaje do eNodeB, który jest zwykle bliżej.

SC-FDMA zachowuje ortogonalność podnośnych i efektywne planowanie zasobów, ale dodaje etap DFT przed mapowaniem podnośnych (stąd inna nazwa: DFT-spread OFDM).

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

MIMO to technika używania wielu anten nadawczych i odbiorczych jednocześnie w celu zwiększenia przepustowości lub zasięgu. W LTE Release 8: maksymalnie 4 anteny po stronie stacji i 2 po stronie telefonu (4x2 MIMO).

• Spatial Multiplexing: kilka niezależnych strumieni danych wysyłanych jednocześnie na tych samych częstotliwościach. 2x2 MIMO doubles throughput teoret.
• Transmit Diversity: ten sam sygnał wysyłany wieloma antenami w innym kodowaniu – poprawia zasięg i niezawodność.
• Beamforming: skupienie wiązki energii w kierunku konkretnego UE (w LTE ograniczony, pełny w 5G Massive MIMO).

LTE-Advanced (Release 10) wprowadził 8x8 MIMO w downlinku.

EPS Bearer i klasy QoS (QCI)

LTE gwarantuje jakość usług przez mechanizm EPS bearer (ang. bearer – nośnik). Każda sesja danych UE polega na zestawieniu bearera między UE a PGW. Każdy bearer ma przypisaną klasę QCI (QoS Class Identifier):

GBR (Guaranteed Bit Rate) – sieć rezerwuje pasmo. Non-GBR – best-effort, pasmo dzielone.

VoLTE (Voice over LTE)

LTE to sieć w pełni pakietowa – nie ma w niej komutacji łączy jak w GSM. Głos jest więc przesyłany jako strumień IP (VoIP), dokładnie jak videocall przez Internet. Wymaga to specjalnej infrastruktury zwanej IMS (IP Multimedia Subsystem) – zestaw serwerów SIP zarządzający sesjami głosowymi/wideo.

• Kodek głosu: AMR-WB (wideband) – wyraźnie lepsza jakość dźwięku niż w GSM (HD Voice).
• Bearer dla głosu ma QCI=1 (najwyższy priorytet), GBR ~96 kb/s.
• Czas zestawiania połączenia VoLTE: ok. 2–3 s (vs. 5–8 s w 3G CS Fallback).
• CS Fallback (CSFB) – jeśli operator nie ma VoLTE, LTE opuszcza w tryb 3G/2G dla połączenia głosowego.

Zakresy częstotliwości LTE (wybrane)

Niższe pasmo = większy zasięg, mniejsza przepustowość. Wyższe pasmo = mniejszy zasięg, wyższa przepustowość. Operatorzy stosują oba rodzaje równolegle (Carrier Aggregation).

CA (Carrier Aggregation) – LTE-Advanced

Carrier Aggregation, wprowadzone w Release 10 (LTE-A), umożliwia jednoczesne używanie kilku nośnych (komponentów) z różnych pasm przez jednego użytkownika. Przepustowości sumują się:

• UE Cat. 6: CA 2x20 MHz → do 300 Mb/s DL.
• UE Cat. 9: CA 3x20 MHz → do 450 Mb/s DL.
• UE Cat. 20 (LTE-A Pro): CA do 32 pasm → do 2 Gb/s DL.

Nośne mogą być w tym samym paśmie (intra-band CA) lub różnych pasmach (inter-band CA). Konfiguracja CA jest negocjowana między UE a eNodeB podczas połączenia. Telefon musi obsługiwać odpowiednie kombinacje pasm (band combinations).

Porównanie generacji sieci

MikroTik RouterBOARD + R11e-LTE

MikroTik produkuje routery RouterBOARD z gniazdami miniPCIe, do których można wpiąć moduły LTE. Popularny przykład: karta R11e-LTE lub R11e-LTE6.

• R11e-LTE: LTE Cat. 4 (150 Mb/s DL / 50 Mb/s UL), pasma: B1, B3, B7, B8, B20, B28.
• R11e-LTE6: LTE Cat. 6 (300 Mb/s DL / 50 Mb/s UL), CA 2x pasma.
• W RouterOS karta pojawia się jako interfejs lte1.
• Obsługuje tryb routera (NAT) lub bridge z zewnętrznym routerem.

RouterBOARD z modułem LTE może pracować jako router LTE zastępujący łącze xDSL lub jako backup WAN.

Podstawowa konfiguracja LTE w RouterOS

Po wpiciu karty R11e-LTE do routera i uruchomieniu, interfejs jest widoczny jako lte1. Konfiguracja w CLI RouterOS:

# Sprawdzenie stanu interfejsu LTE
[admin@Router] > interface lte print
Flags: X - disabled, R - running
  0  R  name="lte1"  mtu=1500  ...

# Wyświetlenie sygnału i stanu połączenia z siecią
[admin@Router] > interface lte info lte1
  status: connected
  pin-status: no-pin
  operator: Play (260-06)
  access-technology: LTE
  signal-strength: -75dBm
  rsrp: -90dBm  rsrq: -10dB  sinr: 12dB

# Przypisanie adresu IP przez DHCP (operator przydziela)
[admin@Router] > ip dhcp-client add interface=lte1 disabled=no

APN – punkt dostępowy do Internetu

APN (Access Point Name) to identyfikator sieci danych operatora. Odpowiada konfiguracji używanej przez PGW, by wybrać właściwą bramę IP. Bez poprawnego APN modem LTE nie zestawie sesji PDP/PDN.

# Ustawienie profilu APN dla Play (PL)
[admin@Router] > interface lte apn add name=play \
    apn=internet user="" password="" \
    authentication=none ip-type=ipv4

# Przypisanie profilu do interfejsu
[admin@Router] > interface lte set lte1 apn-profiles=play

# Typowe APN polskich operatorów:
#  Play:    internet
#  T-Mobile: internet
#  Orange:  internet
#  Plus:    plus

Parametry jakości sygnału LTE

Do oceny jakości łącza LTE z poziomu RouterOS służą trzy kluczowe parametry:

• RSRP (Reference Signal Received Power) – moc referencyjnych pilotów LTE. Zakres: -44 do -140 dBm. Powyżej -80 dBm – dobry sygnał; poniżej -110 dBm – słaby.
• RSRQ (Reference Signal Received Quality) – jakość sygnału z uwzględnieniem zakłóceń. Zakres: -3 do -20 dB. Powyżej -10 dB – dobra jakość.
• SINR (Signal to Interference plus Noise Ratio) – stosunek sygnału do zakłóceń. Powyżej 20 dB – doskonały; poniżej 0 dB – słaby.

[admin@Router] > interface lte monitor lte1 once
  rsrp: -87dBm
  rsrq: -9dB
  sinr: 15dB
  rssi: -65dBm
  band: 3  channel: 1300  earfcn: 1300

LTE jako WAN – NAT Masquerade

Gdy LTE ma pełnić rolę łącza WAN (dostęp do Internetu), należy skonfigurować NAT (masquerade), by urządzenia w sieci LAN mogły korzystać z jednego publicznego adresu IP przydzielonego przez operatora na interfejsie lte1.

# Włącz masquerade (SNAT) na wyjściu LTE
[admin@Router] > ip firewall nat add \
    chain=srcnat out-interface=lte1 \
    action=masquerade

# Trasa domyślna przez lte1
[admin@Router] > ip route add dst-address=0.0.0.0/0 \
    gateway=lte1 distance=10

# Sprawdź routing
[admin@Router] > ip route print
DAC  0.0.0.0/0   lte1  dist=10

LTE jako zapasowe łącze WAN (failover)

RouterOS umożliwia automatyczne przełączenie na LTE, gdy główne łącze (np. Ethernet/xDSL) ulegnie awarii. Realizuje się to przez trasy z różnymi dystansami (distance) i skrypty monitorujące ping do serwera zewnętrznego.

# Trasa główna – przez ether1-WAN (niższy distance = wyższy priorytet)
[admin@Router] > ip route add dst-address=0.0.0.0/0 \
    gateway=192.168.1.1 distance=1 check-gateway=ping

# Trasa zapasowa – przez lte1 (wyższy distance = niższy priorytet)
[admin@Router] > ip route add dst-address=0.0.0.0/0 \
    gateway=lte1 distance=10

# Gdy check-gateway=ping nie odpowie, RouterOS automatycznie
# dezaktywuje trasę przez ether1 i aktywuje trasę lte1 (failover)

Blokowanie pasma LTE

W miejscach z wieloma pasmami modem może łączyć się z pasmem o gorszym sygnale. RouterOS pozwala ręcznie wskazać, których pasm modem ma używać (band locking). Przydatne gdy np. pasmo B3 (1800 MHz) daje lepszy RSRP niż B7 (2600 MHz).

# Wyświetlenie obsługiwanych pasm przez modem
[admin@Router] > interface lte info lte1
  bands: 1,3,7,8,20,28

# Zablokowanie na pasmo B3 i B20 (ignoruj B7)
[admin@Router] > interface lte set lte1 \
    band="3,20"

# Restart interfejsu – modem ponownie szuka komórki
[admin@Router] > interface disable lte1
[admin@Router] > interface enable lte1

Po restarcie modem przeskanuje pasmo i połączy się z najsilniejszą komórką w wybranych pasmach.

Pomiar prędkości łącza LTE

RouterOS oferuje wbudowane narzędzie bandwidth-test do pomiaru przepustowości między dwoma routerami, a do testowania prędkości łącza WAN można użyć narzędzia fetch lub zewnętrznych testów ping.

# Ping przez interfejs LTE – pomiar opóźnienia RTT
[admin@Router] > ping 8.8.8.8 interface=lte1 count=5
  SEQ HOST         SIZE TTL TIME
  0   8.8.8.8      56   56  22ms
  1   8.8.8.8      56   56  24ms
  avg-rtt=23ms

# Pobranie pliku HTTP (test DL)
[admin@Router] > tool fetch url="http://speedtest.example.com/100MB" \
    interface=lte1 dst-path="/null"

# Sprawdzenie liczników ruchu na interfejsie LTE
[admin@Router] > interface print stats where name=lte1
  rx-bytes: 47382912   tx-bytes: 812030

Re-use częstotliwości i wzorzec komórkowy

W sieci komórkowej nie można używać tych samych częstotliwości w sąsiednich komórkach, bo wzajemnie by się zakłócały. Stosuje się zatem wzorce re-use: dostępne częstotliwości dzieli się na grupy i każdej komórce przypisuje inną grupę. Gdy komórki są wystarczająco odległe, ta sama częstotliwość może być użyta ponownie.

• GSM: typowy wzorzec re-use 4/12 (4 lokalizacje, 12 sektorów) lub 3/9.
• Im mniejszy wzorzec re-use, tym więcej pojemności, ale większe ryzyko zakłóceń CCI (Co-Channel Interference).
• LTE: dzięki OFDM i zaawansowanemu planowaniu (ICIC) re-use = 1 (ta sama częstotliwość w każdej komórce). Zakłócenia są zarządzane przez eICIC i CoMP.

Roaming w GSM i LTE

Roaming to możliwość korzystania z sieci zagranicznego operatora. Mechanizm w GSM:

1. Telefon rejestruje się w zagranicznym MSC (VPLMN – Visited Public Land Mobile Network).
2. Zagraniczny MSC pyta HLR macierzystego operatora (HPLMN) o autorytetr obsługi abonenta.
3. HPLMN odpowiada – jeśli roaming jest dozwolony, aktualizuje VLR zagranicznego operatora.
4. Połączenia i dane są rozliczane między operatorami na podstawie umów IRR (Inter-Operator Roaming Agreement).

W LTE roaming odbywa się analogicznie, lecz sesja danych jest często przyprowadzana „z powrotem” do macierzystego PGW (Home Routed), lub lokalnie (Local Breakout). Roaming danych w UE jest regulowany – od 2017 r. „Roam Like at Home”.

Szyfrowanie transmisji głosu w GSM

GSM szyfruje transmisję radiową między telefonem a BTS algorytmem A5. Kluczowe fakty:

• A5/1 – silniejszy wariant, stosowany w Europie Zachodniej i USA. Klucz sesji Kc = 64 bity.
• A5/2 – osłabiony wariant eksportowy (Kc efektywny 54 bit). Oficjalnie wycofany po 2006 r.
• A5/0 – brak szyfrowania. Sieć może wydać rozkaz „null cipher” – telefon musi się zastosować.
• GSM szyfruje wyłącznie odcinek radiowy (UE–BTS). Reszta sieci (BSS–NSS) może być nieszyfrowana.

A5/1 jest podatny na ataki przy użyciu tęczowych tablic (rainbow tables) – jest to publicznie znana słabość. Systemy IMSI catcher (np. Stingray) potrafią wymusić tryb A5/0 i podsłuchiwać transmisję.

Zabezpieczenia 4G LTE

LTE naprawiło słabości GSM w obszarze bezpieczeństwa:

• Wzajemne uwierzytelnianie: w GSM sieć nie uwierzytelniała się wobec telefonu – IMSI catcher mógł się podszywać. W LTE protokół AKA (Authentication and Key Agreement, zdefiniowany w EPS-AKA) uwierzytelnia obie strony.
• Szyfrowanie: algorytmy 128-bit AES lub SNOW 3G (EEA1, EEA2). Opcjonalnie ZUC (chiński standard, EEA3).
• Ochrona integralności: sygnalizacja NAS i RRC jest chroniona kodem MAC (HMAC) – modyfikacja pakietów jest wykrywana.
• TMSI i GUTI: identyfikator tymczasowy zamiast IMSI w transmisji radiowej, by utrudnić śledzenie.

SON (Self-Organizing Networks)

SON to zbiór mechanizmów w LTE, które redukują ręczną pracę operatora przy konfiguracji i optymalizacji sieci radiowej:

• Self-Configuration: nowy eNodeB sam pobiera konfigurację z serwera OAM, planuje parametry PCI (Physical Cell ID), moc i kanały.
• Self-Optimization: sieć automatycznie dostosowuje moc nadawania, progi handoveru i parametry interferencji (MLB – Mobility Load Balancing, MRO – Mobility Robustness Optimization).
• Self-Healing: gdy eNodeB ulegnie awarii, sąsiednie stacje automatycznie zwiększają zasięg, by pokryć lukę (Coverage and Capacity Optimization, CCO).

SON jest ważnym krokiem w kierunku inteligentnego zarządzania siecią, które w 5G rozwinięto do poziomu AI-driven RAN.

Porównanie LTE i Wi-Fi

LTE-U / LAA (License Assisted Access) to technologia pozwalająca LTE działać w paśmie 5 GHz Wi-Fi jako dodatkowe pasmo (secondary carrier w CA).

Standardy IoT osadzone w LTE

3GPP opracował dwa standardy IoT działające w infrastrukturze LTE:

• NB-IoT (Narrowband IoT, Release 13): pasmo 200 kHz (jeden nośnik GSM!). Obsługuje miliony urządzeń na jednej komórce. Bardzo niskie zużycie energii (bateria do 10 lat). Niskie prędkości: ~62 kb/s DL / 29 kb/s UL. Zastosowania: czujniki, liczniki, monitoring.
• LTE-M (eMTC, Release 13): pasmo 1,4 MHz. Do 1 Mb/s. Obsługuje mobilność i głos (VoLTE-M). Zastosowania: urządzenia mobilne IoT, wearables, śledzenie floty.

Oba standardy są ważne, bo 5G mMTC (massive Machine Type Communication) bazuje na tych samych założeniach, choć z nowymi mechanizmami.

Od EPC do 5GC – kluczowe różnice

5G wprowadza nowy rdzeń sieci – 5GC (5G Core). Różnice względem EPC:

• Architektura oparta na mikroserwisach (SBA – Service-Based Architecture) zamiast klasycznych węzłów sprzętowych.
• Funkcje sieciowe (NF) komunikują się przez REST API (HTTP/2) – elastyczniej niż stałe interfejsy EPC.
• Płaszczyzna sterowania i danych są w pełni rozdzielone (CUPS – Control and User Plane Separation) – w EPC to dopiero Release 14 opcjonalnie.
• Network Slicing – kilka logicznych sieci na jednej infrastrukturze fizycznej.
• Wsparcie dla Edge Computing (MEC) bezpośrednio w standardzie.

Tymi tematami zajmiemy się szczegółowo w prezentacji 1 (Architektura 5G NR i Core).

Non-Standalone (NSA) i Standalone (SA)

Operatorzy mają dwa sposoby wdrożenia 5G:

• NSA (Non-Standalone, Opcja 3x): nowa warstwa radiowa 5G NR działa razem z istniejącym rdzeniem LTE (EPC). Telefon 5G jest zakotwiczony (anchor) w LTE. 5G NR dodaje tylko przepustowość (EN-DC – E-UTRAN New Radio Dual Connectivity). To szybszy sposób na wdrożenie – operator nie musi budować nowego rdzenia. Większość operators w Polsce w 2024 r. jest w NSA.
• SA (Standalone, Opcja 2): pełna architektura 5G: gNB (5G base station) + 5GC (5G Core). Dopiero SA daje Network Slicing, pełną obsługę uRLLC i pełne możliwości 5G. Wymaga zbudowania nowego rdzenia 5GC.

Co zapamiętać z tego wykładu?

• GSM: cyfrowa 2G, TDMA/FDMA, BTS–BSC–MSC–HLR, IMSI, SIM, handover.
• GPRS/EDGE: pierwsza transmisja pakietowa w GSM przez SGSN i GGSN.
• LTE: w pełni pakietowa sieć 4G. E-UTRAN (eNodeB + X2) + EPC (MME, SGW, PGW, HSS).
• OFDMA/SC-FDMA: techniki radiowe LTE. Resource Block = 12 podnośnych × 180 kHz.
• VoLTE: głos przez IP (IMS/SIP) z kodek AMR-WB.
• RouterOS: interfejs lte1, DHCP na lte1, APN, band locking, failover.
• Parametry sygnału: RSRP, RSRQ, SINR – mierniki jakości łącza LTE.
• NSA vs. SA: dwa tryby wdrożenia 5G. SA daje pełne możliwości 5G.

Następny wykład: Architektura 5G NR i Core – SBA, Network Slicing, AMF, UPF, SMF.