Ни для кого не секрет, что уже несколько лет подряд трафик передачи данных в сетях сотовой связи показывает устойчивый рост. Эта тенденция проявляется все ярче в связи с тем, что среди абонентов растет популярность смартфонов и планшетных компьютеров. У операторов в данной ситуации остается лишь одна возможность для удовлетворения потребностей своих клиентов – увеличивать плотность покрытия, обеспечивая таким образом большую полосу пропускания в расчете на одного абонента.

В увеличении плотности покрытия нет ничего плохого, если не брать в расчет экономические показатели – оборудование одной инфраструктурной позиции 3G оператору обходится не дешево. Конечно, существуют традиционные варианты решения проблемы уплотнения покрытия. Например, фемтосоты, развертывание которых обходится не очень дорого, но их использование не снимает проблем, связанных с расширением каналов передачи данных от базовых станций до инфраструктуры Packet Switched (PS) Core оператора.

Другим вариантом решения проблемы является технология Wi-Fi Offload, призванная разгрузить сети мобильных операторов от трафика передачи данных за счет применения технологии Wi-Fi. В этом случае трафик передачи данных абонентов выводится из радиосети оператора в отдельную радиосеть, работающую с использованием собственных магистральных каналов. Также появляется возможность предоставления абонентам услуг через партнерские сети – аналогично тому, как это делается, когда абонент находится в роуминге.

Принципиальный вопрос

На каких же принципах строится технология Wi-Fi Offload? Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно посмотреть на спецификации консорциума 3GPP на эту тему. Базовых принципов, на которых основана данная технология, не так много:

  • прозрачность аутентификации в сетях Wi-Fi для абонента (использование данных SIM-карты);
  • централизация трафика передачи данных в рамках PS Core оператора;
  • возможность работы абонента как в сетях Wi-Fi, принадлежащих самому оператору, так и в сетях партнеров;
  • «бесшовный» переход между сетями 2G/3G и Wi-Fi (без разрыва сессий передачи данных).

Таким образом, при выполнении всех вышеперечисленных условий, в случае попадания абонента в зону действия сети Wi-Fi оператора связи либо его партнера, перевод трафика передачи данных должен осуществляться автоматически, без какого-либо участия со стороны абонента.

Из чего состоит решение?

Согласно рекомендациям консорциума 3GPP (Release 10), для реализации технологии Wi-Fi Offload на сети мобильного оператора необходимо дополнить ее компонентами, выполняющими следующие функции:

  • шлюз PDG (TTG) – терминация IPSec-туннелей от абонентских устройств;
  • сервер 3GPP AAA – аутентификация и авторизация абонентов;
  • HSS (Home Subscriber Server) – хранение авторизационной информации и профилей абонентов;
  • SLF(Subscriber Locator Function) – выбор соответствующего HSS в случае наличия нескольких HSS в сети оператора.

Также оператору следует развернуть сеть Wi-Fi, состоящую из набора точек доступа (AP – Access Point) и контроллеров точек доступа (WAG – Wireless Access Gateway). Однако он может этого и не делать, а использовать вместо собственных сетей Wi-Fi партнерские. В этом случае партнеры оператора должны иметь стык с его опорной сетью PS Core, по аналогии с роуминговыми партнерами.

ЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА реализации технологии Wi-Fi Offload в сети оператора сотовой связи

Как это работает?

Ответ на этот вопрос кроется в принципах работы сервиса передачи данных в традиционных сотовых сетях. При присоединении абонента к сети создается и активируется PDP-контекст (Packet Data Protocol, PDP), основными участниками этого процесса являются абонентское устройство, узел обслуживания абонентов SGSN (Serving GPRS Support Node) и узел GGSN (GPRS Gateway Service Node). Далее создается туннель GTP (GPRS Tunnel Protocol) между SGSN и GGSN, а абонентскому устройству назначается IP-адрес. После этого услуга становится доступной абоненту.

Теперь представим себе ситуацию, когда у абонентского устройства появился второй активный радиоинтерфейс. Это случается, когда абонент входит в зону действия Wi-Fi-сети оператора или его партнера. Очевидно, что в этом случае устройство должно провести некую процедуру «активации» этого интерфейса, состоящую из авторизации в сети и получения IP-адреса. Согласно спецификации, для аутентификации и авторизации используется механизм EAP-SIM/EAP-AKA, а присвоение IP-адреса осуществляется с использованием протокола DHCP.

Для обеспечения безопасной работы абонента через сеть Wi-Fi консорциум 3GPP предлагает использовать IPSec-туннель, который терминируется на шлюзе PDG, расположенном в рамках PS Core оператора. Инициатором создания туннеля является абонентское устройство. Таким образом, на абонентском устройстве появляются два туннеля, построенные через интерфейсы 2G/3G и Wi-Fi соответственно. Для обеспечения «бесшовного» перехода сессий передачи данных между двумя радиосетями необходимо выполнение следующих условий:

  • оба туннеля должны сходиться в сети оператора в одной точке, для обеспечения «видимости» абонента из сети Интернет под одним IP-адресом;
  • приложения на абонентском устройстве должны работать от IP-адреса, не привязанного ни к одному из физических интерфейсов;
  • данный IP-адрес должен быть виден из PS Core оператора через два пути (через 2G/3G и Wi-Fi).

Описанный принцип работы — далеко не единственный из возможных вариантов. В спецификации 3GPP приведено несколько сценариев организации механизма Wi-Fi Offload на сети оператора, однако данный вариант является наиболее универсальным. Реализации Wi-Fi Offload, предлагаемые производителями сетевого оборудования, могут также отличаться от рекомендаций 3GPP ввиду совмещения функций различных устройств – например, функциональность PDG (TTG) может быть реализована непосредственно на GGSN.

Что в итоге получит абонент? В числе преимуществ, которые сулит простым абонентам внедрение данной технологии, в первую очередь более качественный сервис передачи данных, которым обделены абоненты в крупных городах. Эта проблема становится очевидной при большом скоплении абонентов в одном месте. Использование уже развернутых сетей Wi-Fi для разгрузки сотовых сетей может значительно повысить доступность услуги передачи данных и увеличить удельную полосу пропускания на одного абонента. Другим преимуществом является более точное позиционирование абонента без использования GPS/ГЛОНАСС, так как зона действия точки доступа Wi-Fi на порядки меньше, чем зона действия базовой станции 2G/3G.

Проблемы реализации

Какие же проблемы ждут операторов при внедрении технологии Wi-Fi Offload на своих сетях? В первую очередь, это огромное разнообразие оконечного оборудования абонентов. Как это ни прискорбно, но в настоящий момент даже на основных платформах (Android, iOS и Windows) отсутствует поддержка всех необходимых стандартов для реализации Wi-Fi Offload.

Основные проблемы, с которыми столкнется оператор при реализации данной технологии в своей сети, можно разбить на четыре группы.

Первая из них связана с процессами аутентификации и авторизации абонентов в сети Wi-Fi. Эти процедуры должны быть максимально прозрачны для абонентов и не требовать с их стороны никаких дополнительных действий. Применение механизмов наподобие EAP-SIM/EAP-AKA позволяет осуществить такую аутентификацию, используя данные с SIM-карты абонента. Однако эта технология поддерживается далеко не всеми популярными платформами по умолчанию. Решением в данном случае может быть либо обновление операционной системы, либо установка дополнительного ПО на абонентское устройство.

Ко второй группе проблем относят повышенное энергопотребление абонентских устройств при работе через Wi-Fi. Постоянно включенный адаптер Wi-Fi достаточно быстро расходует батарею. Решение этой проблемы − поддержка стандарта WMM (Wi-Fi MultiMedia Specification), который предоставляет возможности для экономии энергии. Однако, как и в случае с поддержкой ESP-SIM/EAP-AKA, это расширение работает лишь на небольшом количестве абонентских устройств. И эту проблему тоже можно устранить с помощью установки на абонентское устройство дополнительного ПО, обладающего возможностью управления модулем Wi-Fi.

Третья группа касается отсутствия в операционных системах абонентских устройств защищенных механизмов, поддерживающих переход без разрыва сессий передачи данных (handover) из 2G/3G в сети Wi-Fi и обратно. Обеспечение «бесшовного» перехода без разрыва сессий передачи данных между сетями 2G/3G и Wi-Fi − наиболее сложная задача при внедрении технологии Wi-Fi Offload на сети оператора. В первую очередь это проблема абонентских устройств, а не сети оператора. Очевидно, что для универсальной реализации данного механизма на абонентском устройстве должна быть доступна соответствующая функциональность. Приложения, использующие сервис передачи данных, должны работать не от IP-адреса физического интерфейса (2G/3G или Wi-Fi), а от «виртуального» IP-адреса, не привязанного ни к одному из физических интерфейсов. В настоящее время это возможно лишь при установке дополнительного ПО на абонентские устройства.

К четвертой категории проблем можно отнести отсутствие внятных критериев для принятия решения о переходе из 2G/3G в 3рWi-Fi и обратно. Учитывая тот факт, что абонентское устройство само выбирает предпочтительную для себя сеть радиодоступа, переход из 2G/3G в Wi-Fi и обратно осуществляется по его инициативе. Как правило, абоненту предлагается расставить приоритеты между 2G, 3G и Wi-Fi в настройках операционной системы. Тем не менее возможна ситуация, когда более приоритетная сеть будет сильнее загружена, чем менее приоритетная. Консорциум 3GPP предлагает использовать для решения этой проблемы спецификацию ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function), однако о практических реализациях данной технологии на абонентских устройствах говорить пока рано.

Таким образом, для успешного внедрения технологии Wi-Fi Offload оператору связи, помимо модификации своего PS Core, придется предложить своим абонентам набор дополнительного ПО для наиболее распространенных платформ. Задача этого ПО − реализация недостающей функциональности на абонентских устройствах. При этом операторам не придется создавать его с нуля, так как на рынке уже присутствует ряд компаний, занимающихся подобными разработками.

Wi-Fi Offload в действии

Безусловно, технология Wi-Fi Offload интересна как операторам связи, так и их абонентам. Не так быстро, как хотелось бы, но все же появляются успешные примеры ее внедрения. Первой такой ласточкой в России стал оператор связи «ЭР-Телеком» (торговая марка «Дом.ru»), объявивший в октябре 2012 года о намерении начать сотрудничество с операторами сотовой связи в рамках проекта перевода мобильного трафика из сетей 2G/3G в Wi-Fi. В настоящее время компания обладает 3 тыс. точек доступа Wi-Fi в 42 городах России, в которых ежемесячно регистрируется более 3,5 млн подключений.

Алексей Коляскин, заместитель директора по работе с операторами связи центра сетевых решений компании «Инфосистемы Джет»

Описание функциональных компонентов, представленных на схеме:

  • UE (User Equipment) – мобильный терминал абонента;
  • AP (Access Point) – точка доступа Wi-Fi;
  • WAG (Wireless Access Gateway) – контроллер точек доступа Wi-Fi;
  • PDG (Packet Data Gateway) – аналог BRAS для терминации туннелей от устройства абонента;
  • BTS (Base Transceiver Station) – базовая станция стандарта GSM (2G);
  • BSC (Base Station Controller) – контроллер базовых станций GSM;
  • NodeB – базовая станция стандарта UMTS (3G);
  • RNC (Radio Network Controller) – контроллер базовых станций UMTS;
  • SGSN (Serving GPRS Support Node) – шлюз между сетью радио доступа (Radio Access Network – RAN) и базовой сетью (Core Network);
  • GGSN (GPRS Gateway Service Node) – шлюз между базовой сетью (Core Network) и внешними сетями (Интернет);
  • 3GPP AAA (3GPP Authentication, Authorization, Accounting) – сервер аутентификации и авторизации абонентов;
  • OCS/OFCS (Online Charging System / Offline Charging System) – online и offline билинговая система;
  • HLR (Home Location Register) – база данных, содержащая информацию об абонентах;
  • HSS (Home Subscriber Server) – база данных, содержащая информацию об абонентах (расширенная относительно HLR);
  • SLF (Subscriber Location Function) – используется при наличии нескольких HSS в сети оператора;
  • PCRF (Policy and Charging Rules Function) – управление характеристиками услуги абонента.

Немного истории

В 2004 году рабочая группа, состоящая из операторов связи и производителей оборудования, опубликовала первую спецификацию на технологию, названную UMA (Unlicensed Mobile Access). В ее рамках описывалось, каким образом абонентское устройство, поддерживающее технологию Wi-Fi, должно взаимодействовать с сетью оператора сотовой связи, используя в качестве сети радиодоступа Wi-Fi. Впоследствии рабочая группа, выпустившая первую версию спецификации UMA, вошла в состав консорциума 3GPP. Благодаря этому в 2005 году в набор спецификаций 3GPP Release 6 вошла спецификация Generic Access to A/Gb interfaces for 3GPP Release 6, описывающая использование этой технологии в рамках стандартов 3GPP. Аббревиатура UMA была заменена на GAN (Generic Access Network), но продолжает использоваться в маркетинговых документах по данной тематике и по сей день. В связи с бурным ростом мобильного трафика, наблюдающимся в последние годы, интерес к теме Wi-Fi Offload перешел из разряда академического в практическую плоскость. Эта тема стала одной из центральных на последнем Mobile World Congress в Барселоне.

 

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями