ลงมือผ่าคอ

"ผู้เขียนไม่ใช่กูรู ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ แต่มีประสบการณ์ทำงานอยู่ในแวดวงสื่อสารโทรคมนาคมมากว่า 20 ปี บทความนี้เขียนถ่ายทอดจากประสบการณ์ของผู้เขียนเพื่อเผยแพร่ความรู้แก่ผู้อ่าน นักเรียน นิสิต นักศึกษา ช่างเทคนิค วิศวกรหรือผู้ที่สนใจศึกษาเทคโนโลยีโทรศัพท์เคลื่อนที่ 4G LTE ตั้งแต่ระดับพื้นฐานที่จำเป็นไปจนถึงการลงมือปฏิบัติแบบวิเคราะห์เจาะลึก รวมไปถึงการประยุกต์สร้างโครงข่ายโทรศัพท์มือถือส่วนตัวใช้งานในบ้าน สำนักงาน สถานศึกษาหรือสร้างเป็นโครงข่าย IoT เฉพาะกิจส่วนตัวโดยใช้ย่านความถี่ Unlicensed Bands”

        คอในที่นี้หมายถึง Core Network ซึ่งใน LTE คืออุปกรณ์ที่อยู่ในส่วนของ EPC โดยจะเจาะลงไปในรายละเอียดการเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์ใช้ interface และโปรโตคอลสื่อสารกันอย่างไร

LTE Network Interfaces

S1-MME Interface เป็น control interface ที่เชื่อมระหว่าง eNodeB กับ MME ใช้ Stream Control Transmission Protocol (SCTP) สำหรับเชื่อมต่อเป็น transmission และใช้โปรโตคอล S1 Application Protocol (S1-AP) ในการสื่อสารกันสำหรับกระบวนการจัดการการเข้าใช้งาน การสร้างท่อขนส่ง การติดตามและจัดการการเคลื่อนที่ของโทรศัพท์มือถือ

S1-U Interface เป็น interface ระหว่าง eNodeB กับ S-GW ส่วนนี้เป็น user plane เมื่อโทรศัพท์มือถือ attach ไปที่ MME ผ่านกระบวนการทำ authentication เสร็จเรียบร้อยแล้วระบบจะทำการสร้างท่อขนถ่ายข้อมูลสำหรับให้มือถือเลขหมายนั้นใช้เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต ท่อหรือ tunnel ในส่วนนี้จะใช้ GTPv1 (GPRS Tunnel Protocol version 1)

S6a Interface เป็น interface ที่เชื่อมระหว่าง MME และ HSS เพื่อให้ MME ตรวจสอบข้อมูลบริการหรือโปรไฟล์ของโทรศัพท์มือถือที่ลงทะเบียนไว้ใน HSS ในกระบวนการทำ authentication, update location ทั้งการใช้งานใน home และ roaming โดยใช้โปรโตคอล diameter ในการสื่อสารกัน และใช้ SCTP สำหรับเชื่อมต่อเป็น transmission

S10 Interface เป็น interface ระหว่าง MME กับ MME ใช้ส่งสัญญาณควบคุมในกรณีโทรศัพท์มือถือเคลื่อนที่ข้ามโซนพื้นที่บริการโดย MME จะทำการ handover สัญญาณควบคุมและ forward context information ไปยัง MME ในโซนพื้นที่บริการที่โทรศัพท์มือถือเคลื่อนที่เข้าไปใช้งาน โดยใช้โปรโตคอล GTP-C (GPRS Tunneling Protocol for the control plane) เป็นท่อรับส่ง signaling message สื่อสารกันระหว่าง MME รายละเอียดของโปรโตคอล GTP-C ซึ่งก็คือ GTPv2 ใช้ UDP (User Datagram Protocol) ในการส่งข้อมูลจะกล่าวโดยละเอียดต่อไปในหัวข้อ GTP

S11 Interface เป็น interface ระหว่าง MME กับ S-GW ใช้ส่งสัญญาณควบคุมสำหรับการจัดการเกี่ยวกับท่อขนส่งข้อมูลของผู้ใช้บริการ (bearer establishment, update, delete) โดยใช้ GTP-C เป็นท่อรับส่ง signaling message สื่อสารระหว่างกัน

S5/S8 Interface เป็น interface ระหว่าง S-GW กับ P-GW ในส่วน control plane ใช้ส่งสัญญาณควบคุมสำหรับ bearer establishment, update, delete และข้อมูลสร้าง bearer context โดยใช้โปรโตคอล GTPv2 ในการขนส่ง signaling message และในส่วนของ user plane ใช้ขนถ่ายข้อมูลการใช้งานของผู้ใช้บริการ (uplink และ downlink) ระหว่าง S-GW กับ P-GW จะใช้โปรโตคอล GTPv1 ในการขนถ่ายข้อมูล
        ความแตกต่างระหว่าง S5 กับ S8 คือถ้าเป็น interface ระหว่าง S-GW กับ P-GW ในโครงข่าย PLMN เดียวกันหรือใน home เรียกว่า S5 และถ้า interface ระหว่าง S-GW กับ P-GW ต่างโครงข่าย PLMN หรือกรณี roaming เรียกว่า S8

SGi Interface เป็น interface ที่เชื่อมต่อกับเครือข่าย IP ทั่วไปหรือเชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ตจะเหมือนกับ Gi ในระบบ 3G UMTS/HSPA แต่เรียกชื่อต่างกัน สำหรับบริการด้านเสียงจะเชื่อม SGi ไปยัง IMS (IP Multimedia Subsystem) ซึ่งเป็นระบบรองรับบริการ VoLTE (Voice over LTE) และสำหรับบริการด้านข้อมูล SGi จะเชื่อมกับเครือข่ายอินเทอร์เน็ตโดยอาจจะต่อผ่านอุปกรณ์ Firewall หรือ CGNAT (Carrier Grade NAT) เพื่อแปลง Private IP ที่ระบบจ่ายให้โทรศัพท์มือถือไปเป็น Public IP ใช้เชื่อมต่ออินเทอร์เน็ต หรืออาจเชื่อมผ่านอุปกรณ์ PCEF ทำการตรวจสอบแพ็กเก็ตเพื่อกำหนด Bandwidth, FUP หรือตรวจสอบเพื่อใช้เป็นเงื่อนไขการสร้าง Packages กำหนดอัตราค่าบริการตามโปรโตคอล/แอปพลิเคชัน เป็นต้น

หมายเหตุ: บทความนี้เขียนจากประสบการณ์และความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียนเพื่อเผยแพร่ความรู้แก่ผู้อ่านเท่านั้น ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องใดๆ ทั้งสิ้นกับหน่วยงานที่ผู้เขียนปฏิบัติงานอยู่ สำหรับภาพ ตราสินค้า Software และ/หรือข้อมูลอื่นๆ ที่นำมาจากแหล่งอื่นนั้น มีจุดประสงค์เพื่อเผยแพร่ความรู้โดยหวังว่าจะเป็นประโยชน์แก่ผู้อ่านที่ต้องการติดตามเทคโนโลยีโทรศัพท์เคลื่อนที่ 4G เท่านั้นไม่มีจุดประสงค์จะละเมิดลิขสิทธิ์แต่ประการใดทั้งสิ้น โดยผู้เขียนจะระบุที่มาของข้อมูลเท่าที่จะสามารถทำได้

ปูพื้นก่อนผ่า

"ผู้เขียนไม่ใช่กูรู ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ แต่มีประสบการณ์ทำงานอยู่ในแวดวงสื่อสารโทรคมนาคมมากว่า 20 ปี บทความนี้เขียนถ่ายทอดจากประสบการณ์ของผู้เขียนเพื่อเผยแพร่ความรู้แก่ผู้อ่าน นักเรียน นิสิต นักศึกษา ช่างเทคนิค วิศวกรหรือผู้ที่สนใจศึกษาเทคโนโลยีโทรศัพท์เคลื่อนที่ 4G LTE ตั้งแต่ระดับพื้นฐานที่จำเป็นไปจนถึงการลงมือปฏิบัติแบบวิเคราะห์เจาะลึก รวมไปถึงการประยุกต์สร้างโครงข่ายโทรศัพท์มือถือส่วนตัวใช้งานในบ้าน สำนักงาน สถานศึกษาหรือสร้างเป็นโครงข่าย IoT เฉพาะกิจส่วนตัวโดยใช้ย่านความถี่ Unlicensed Bands”

โครงสร้างของระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ ประกอบด้วย 3 ส่วนหลักคือ

1. เครื่องลูกข่ายโทรศัพท์มือถือหรือ User Equipment (UE) โดยทั่วไปคือโทรศัพท์มือถือสมาร์ทโฟน แท็ปเล็ตหรืออุปกรณ์ในรูปแบบอื่น เช่น USB Dongle 
2. ระบบสถานีฐาน (Radio Access Network) ส่วนนี้เป็นเครื่องแม่ข่ายรับ-ส่งวิทยุและส่วนควบคุมเพื่อรับส่งสัญญาณติดต่อกับเครื่องโทรศัพท์มือถือ โดยสถานีฐานจะติดตั้งไว้ตามพื้นที่บริการจุดต่างๆในลักษณะเซลลูล่าร์คล้ายรวงผึ้ง ทำให้สามารถใช้งานโทรศัพท์ได้เป็นบริเวณกว้าง ชื่อเรียกของระบบสถานีฐานจะเรียกตามเทคโนโลยีในแต่ละยุคหรือเรียกตามระบบโทรศัพท์ เช่น ในยุค 2G ระบบ GSM (Global System for Mobile communications) เรียกว่า GERAN (GSM/EDGE Radio Access Network) ในยุค 3G เรียกว่า UTRAN (UMTS Terrestrial radio access network) และในยุค 4G เรียกว่า E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network) 
3. ระบบชุมสาย (Core Network) ในยุค 2G/3G จะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือระบบชุมสายสำหรับบริการด้านเสียง (Circuit Switched (CS) Core Network) เป็นส่วนของอุปกรณ์รองรับบริการ Voice SMS และระบบชุมสายสำหรับบริการด้านข้อมูล (Packet Switched (PS) Core Network) เป็นส่วนของอุปกรณ์รองรับบริการด้านข้อมูล เช่น การใช้งานอินเทอร์เน็ต การใช้งานแอปพลิเคชันต่างๆ ระบบชุมสายของโทรศัพท์เคลื่อนที่ในยุค 4G จะไม่มีส่วนที่เป็น CS Core Network เนื่องจากบริการด้านเสียงสามารถทำให้ใช้งานบน PS Core Network ได้โดยใช้ VoIP หรือ VoLTE และการรับ-ส่ง SMS สามารถใช้งานผ่านโปรโตคอล SMPP

        บทความนี้จะมุ่งเน้นไปที่ระบบโทรศัพ์เคลื่อนที่ 4G LTE (Long Term Evolution) ซึ่งเริ่มให้บริการอย่างแพร่หลายในปัจจุบัน โดยจะกล่าวถึงระบบ 2G/3G บ้างเท่าที่จำเป็น หากผู้อ่านต้องการศึกษาเพิ่มเติมก็สามารถหาอ่านได้จากแหล่งอื่นที่มีเผยแพร่อยู่ทั่วไป

ระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ 4G LTE

        LTE (Long Term Evolution) เป็นชื่อโครงการระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ในยุคที่ 4 โดย Third Generation Partnership Project (3GPP) พัฒนาต่อจากระบบโทรศัพท์เคลื่อนที่ในยุคที่ 3 ที่เรียกว่า Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) สถาปัตยกรรมโครงข่าย LTE เรียกว่า Evolved Packet System (EPS)

        EPS จะเป็น Packet based ทั้งหมดไม่มีส่วนที่เป็น Circuit switching สำหรับบริการ Voice SMS เหมือนในโครงข่ายโทรศัพท์แบบเก่า โครงสร้างของ LTE ประกอบด้วย Core Network เรียกว่า Evolved Packet Core (EPC) และส่วนของ Radio Access Network เรียกว่า Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) เมื่อรวมส่วนของ E-UTRAN กับ EPC จะเรียกว่า EPS

Evolved Packet Core (EPC)

EPC ประกอบด้วยอุปกรณ์ MME, S-GW และ P-GW หน้าที่หลักของแต่ละอุปกรณ์เป็นดังนี้

Mobility Management Entity (MME) เป็นอุปกรณ์จัดการสัญญานควบคุมสำหรับการเข้าใช้งานและจัดการเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของผู้ใช้บริการ ซึ่งเป็นส่วน Control plane ฟังก์ชันหลักคือ Session management, Mobility, Gateway selection, Tracking และทำกระบวนการ Paging

Serving Gateway (S-GW) เป็นเกตเวย์เชื่อมกับฝั่ง E-UTRAN โดยจะสร้างท่อขนส่งข้อมูล (Bearer) สำหรับผู้ใช้บริการแต่ละราย ข้อมูลการใช้งานต่างๆ ของผู้ใช้บริการจะถูกขนถ่ายผ่าน S-GW ส่งต่อไปที่ P-GW ไปยังปลายทาง เช่น การใช้ไลน์ เฟซบุ๊ก หรือเข้าเว็บไซต์ต่างๆ เป็นต้น นอกจากนี้ S-GW ยังทำหน้าที่จัดการเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ในส่วนของ User plane โดยทำหน้าที่เป็นจุดยึด (Anchor Point) ในกรณีที่มีการเคลื่อนที่ภายในพื้นที่บริการเดียวกัน (inter-eNodeB handover) หรือการเคลื่อนที่ระหว่างโครงข่าย 4G LTE กับ 2G/3G (inter-3GPP mobility) รวมถึงทำหน้าที่สร้างไฟล์ข้อมูลรายละเอียดการใช้งาน (Call Detail Record (CDR) )

Packet Data Network Gateway (P-GW) เป็นเกตเวย์เชื่อมกับเครือข่าย IP ภายนอกทั่วไป เช่น เครือข่ายภายในองค์กร เครือข่ายอินเทอร์เน็ต เป็นต้น โดยข้อมูลการใช้งานของผู้ใช้บริการแต่ละรายจะถูกขนถ่ายผ่านท่อขนส่งข้อมูล (Bearer) จาก S-GW มาที่ P-GW ออกไปยังปลายทาง นอกจากนี้ P-GW ยังทำฟังก์ชันอื่นๆ ดังนี้

• จัดสรร IP address แจกจ่ายให้กับเครื่องโทรศัพ์มือถือ (User Equipment) 
• ตรวจสอบและกรองแพ็กเก็ตของผู้ใช้แต่ละรายเพื่อจัดสรรหรือควบคุมแบนด์วิธใช้งานและสำหรับการคิดค่าบริการ 
• สร้างไฟล์ข้อมูลรายละเอียดการใช้งาน (Call Detail Record (CDR) ) 

        นอกจากนี้ใน Core Network ยังมีอุปกรณ์ประกอบที่จำเป็นเพื่อทำหน้าที่ต่างๆ ให้โครงข่ายโทรศัพท์เคลื่อนที่ให้ทำงานได้อย่างสมบูรณ์ ดังนี้

Home Subscriber Server (HSS) เป็นเซิร์ฟเวอร์ฐานข้อมูลสำหรับจัดเก็บข้อมูลการลงทะเบียนผู้ใช้บริการโทรศัพท์มือถือ และทำฟังก์ชันสนับสนุนการจัดการการเคลื่อนที่ การทำ Authentication และรับรองการเข้าใช้งานของผู้ใช้บริการ HSS พัฒนาต่อมาจาก Home Location Register (HLR) and Authentication Centre (AuC)

Online Charging System (OCS) เป็นระบบคิดค่าใช้บริการแบบ Real-time สามารถใช้ได้ทั้งแบบเติมเงิน (Prepaid) และรายเดือน (Postpaid) ซึ่งการจัดทำใบแจ้งค่าบริการหรือบิลลิ่งในระบบโทรศัพท์ในยุคก่อนๆ จะเป็นลักษณะการนำเอาข้อมูลการใช้งานจาก CDR มาคำนวณคิดค่าบริการ ต่อมาพัฒนาเพิ่มเติมเป็นระบบ IN (Intelligence Network) สำหรับบริการ Prepaid มีการใช้งานแพร่หลายในช่วงรอยต่อยุค 2G/3G และในปัจจุบันระบบบิลลิ่งจะใช้ OCS สำหรับคำนวณคิดค่าบริการแบบ Real-time

Policy Control and Charging Rules Function (PCRF) เป็นส่วนที่ทำหน้าที่จัดการ กำหนดนโยบาย หลักเกณฑ์ของบริการ เช่น สร้าง PCC (Policy Charge and Control) แยกตามเงื่อนไขต่างๆ กำหนด QoS, Bandwidth Control เป็นต้น

Policy Control and Charging Enforcement Function (PCEF) เป็นส่วนที่ทำหน้าที่ตรวจสอบและควบคุมแพ็กเก็ตของผู้ใช้บริการ โดยทั่วไป PCEF จะรับข้อมูลการกำหนดหลักเกณฑ์ของบริการมาจาก PCRF เพื่อจัดการ QoS และควบคุม Bandwidth ของผู้ใช้บริการให้เป็นไปตามที่กำหนด เทคโนโลยีที่ใช้ในการตรวจสอบแพ็กเก็ตของ PCEF โดยทั่วไปจะรู้จักกันดีคือเทคโนโลยี Deep Packet Inspection (DPI) ซึ่งสามารถตรวจสอบ Protocol หรือ Application Service ใน Layer 7 ได้ เช่น สามารถรู้ได้ว่าผู้ใช้บริการกำลังใช้ ไลน์ เฟซบุ๊ก หรือใช้งานอินเทอร์เน็ตซึ่งเป็นเงื่อนไขให้สามารถคิดค่าบริการแยกประเภทตามแอปพลิเคชัน ตามลักษณะการใช้งาน การกำหนดโควต้าหรือ FUP (Fair Usage Policy) เป็นต้น อุปกรณ์ PCEF อาจจะแยกเป็นโหนดต่างหากหรืออาจรวมเป็นฟังก์ชันหนึ่งไว้ใน P-GW ก็ได้ ถ้าแยกเป็นโหนดต่างหากในยุค 2G/3G ส่วนนี้จะเรียกว่า Service Aware Support Node

Domain Name System (DNS) ทำหน้าที่แปลงชื่อ Domain เป็นหมายเลข IP หรือเข้าใจง่ายๆ คือแปลงชื่อเว็บไซต์เป็น IP เนื่องจากคอมพิวเตอร์ติดต่อกันโดยใชั IP ในการระบุเครื่องที่ต้องการติดต่อสื่อสารกัน เช่น ถ้าจะเข้าเว็บไซต์ www.google.com เครื่องเราจะถาม DNS ว่าชื่อนี้ IP อะไร DNS จะค้นหาและส่งหมายเลข IP กลับมาให้ เครื่องของเราก็จะใช้ IP ในการติดต่อเข้าเว็บของ Google สำหรับในโครงข่าย LTE มี DNS ใช้งานอยู่ 2 ประเภทคือใช้แปลงหมายเลข IP สำหรับการใช้งานอินเทอร์เน็ตและใช้แปลงชื่อเพื่อระบุ IP address ของ P-GW หรือ S-GW ให้กับ MME ในกระบวนการสร้างและจัดการ Bearer ทั้งการใช้งานจากภายในโครงข่ายเดียวกันและ Roaming โดย MME จะใช้ TAI ถาม DNS เพื่อเลือก S-GW ในช่วงที่ UE เริ่มทำการ attach หรือสร้าง PDP connection และใช้ APN ถาม DNS เพื่อเลือก P-GW
        สำหรับอุปกรณ์ประกอบใน Core Network อื่นๆ ที่ไม่ใช่เป็นอุปกรณ์หลักพื้นฐานของ 4G จะไม่ขอกล่าวถึงในบทความนี้ผู้อ่านสามารถหาอ่านได้ทั่วไปจากแหล่งอื่น ในบทความนี้จะเจาะลึกเฉพาะอุปกรณ์ MME, S-GW, P-GW และ HSS ตามมาตรฐานรุ่นล่าสุดของ 3GPP core network architecture

Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN)

        E-UTRAN ในระบบ 4G จะไม่มีส่วนของระบบควบคุมสถานีฐาน (RNC) แต่ฟังก์ชันนี้จะถูกรวมไว้ในตัวสถานีฐาน (eNodeB) โดย eNodeB จะเชื่อมต่อกับ EPC โดยตรง ส่วนที่เป็น control plane จะเชื่อมกับ MME ทางอินเทอร์เฟส S1-C หรือ S1-MME และส่วนที่เป็น user plane จะเชื่อมกับ S-GW ทางอินเทอร์เฟส S1-U

        ฟังก์ชันหลักของ E-UTRAN และ EPC สามารถแสดงให้เห็นเป็นภาพรวมของแต่ละอุปกรณ์ในโครงข่าย 4G LTE โดยสรุปฟังก์ชันหลักๆ เป็นดังนี้

LTE Protocol Stacks ตามสถาปัตยกรรมโครงข่าย EPS ประกอบด้วย protocol stacks สำหรับในส่วนของ user plane และ control plane สำหรับบทความในตอนแรกนี้จะกล่าวถึงภาพกว้างๆ เนื่องจากมีรายละเอียดและตัวย่อต่างๆ ค่อนข้างมากเพื่อความเข้าใจเบื้องต้นในบทนี้จะขออธิบายเป็นภาพแยกเป็นส่วนของ user plane และภาพส่วนของ control plane ตั้งแต่โทรศัพท์มือถือเชื่อมต่อกับ E-UTRAN ผ่านไป EPC จนกระทั่งมือถือสามารถใช้งานอินเทอร์เน็ตได้เส้นทางของสัญญาณควบคุมและเส้นทางของข้อมูลต้องผ่านอุปกรณ์อะไรบ้างแสดงดังภาพต่อไปนี้ ในส่วนของการเจาะลึกลงไปในรายละเอียดของโปรโตคอลแต่ละส่วนและการอธิบายความหมายรวมถึงหน้าที่ของตัวย่อที่แสดงในภาพจะกล่าวถึงในบทต่อๆไป

Protocol Stack – Control Plane

Protocol Stack – User Plane

หมายเหตุ: บทความนี้เขียนจากประสบการณ์และความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียนเพื่อเผยแพร่ความรู้แก่ผู้อ่านเท่านั้น ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องใดๆ ทั้งสิ้นกับหน่วยงานที่ผู้เขียนปฏิบัติงานอยู่ สำหรับภาพ ตราสินค้า Software และ/หรือข้อมูลอื่นๆ ที่นำมาจากแหล่งอื่นนั้น มีจุดประสงค์เพื่อเผยแพร่ความรู้โดยหวังว่าจะเป็นประโยชน์แก่ผู้อ่านที่ต้องการติดตามเทคโนโลยีโทรศัพท์เคลื่อนที่ 4G เท่านั้นไม่มีจุดประสงค์จะละเมิดลิขสิทธิ์แต่ประการใดทั้งสิ้น โดยผู้เขียนจะระบุที่มาของข้อมูลเท่าที่จะสามารถทำได้