Архитектура мобильной сети: от антенны до пакета в интернете

В голове обычного пользователя мобильный интернет выглядит как радиоканал между телефоном и базовой станцией. Это самая видимая часть, но далеко не единственная. Между антенной и сервером, который вы открываете, лежит инженерная цепочка из 5–7 уровней: радиоресурс шедулится между десятками устройств, transport network доставляет агрегированный трафик до core, мобильное ядро применяет политики QCI и tariff enforcement, UPF выпускает пакеты в обычный IP, а дальше идёт стандартная маршрутизация с peering, IXP и BGP.

Когда у вас сигнал «4 палочки», а скорость 1 Мбит — это не баг. Это значит, что одно из звеньев цепочки работает не на полную мощность. Чтобы понимать, какое именно, разберём всю архитектуру по шагам.

Архитектура 4G/5G сети (упрощённо)

[UE]                                                            [Internet]
 │                                                                  ▲
 │  радиоканал (LTE/NR)                                              │
 ▼                                                                  │
[eNB / gNB]  ───►  [Transport]  ───►  [SGW / UPF]  ───►  [PGW]  ──┘
  scheduler         IP-MPLS,           Anchor для               BGP
  CA, MIMO          fronthaul           handover                outside
                                          │
                                          ▼
                              [PCRF / PCF]  ─►  политики QCI
                              [HSS / UDM]   ─►  данные абонента
                              [DPI / Filter] ─► классификация

В 5G SGW + PGW = UPF + SMF + AMF (Service-Based Architecture)

Главные компоненты 4G и 5G

• UE (User Equipment) — ваш телефон.
• eNB (eNodeB, 4G) или gNB (5G) — базовая станция. Выполняет шедулинг радиоресурса, MIMO, Carrier Aggregation.
• S-GW (Serving Gateway) и P-GW (Packet Data Network Gateway) в 4G — точки терминации абонентского туннеля и выхода в интернет. В 5G их заменил UPF (User Plane Function).
• MME (4G) / AMF + SMF (5G) — control plane: signaling, mobility, session management.
• HSS (4G) / UDM (5G) — база данных абонентов с тарифами и SIM-данными.
• PCRF (4G) / PCF (5G) — policy and charging: какие политики применять, какие тарифные ограничения.

5G радикально отличается от 4G в архитектуре управления: на смену монолитным компонентам пришла Service-Based Architecture с микросервисами и REST-интерфейсами. Но логика «радио → транспорт → ядро → выход в интернет» сохранилась.

Радиоресурс: общий и шедулится

Это первая и самая капризная часть. Базовая станция обслуживает десятки или сотни устройств одновременно. Радиоресурс — это пары (частота × время), на современном LTE с 100 МГц и 5G с 100–400 МГц — большой ресурс. Базовая станция использует scheduler, который каждый Transmission Time Interval (1 мс в LTE, ещё короче в 5G) решает, кому какой Resource Block отдать.

На решение шедулера влияют:

• Качество сигнала. Близко к станции = высокий QAM (256-QAM, 1024-QAM) = больше бит на ресурс. Далеко = низкий QAM = меньше эффективности.
• QCI/5QI приоритет. VoLTE-голос всегда обслуживается первым, даже если сота перегружена.
• Tariff (для абонента, который купил скоростной тариф) — может иметь больший вес.
• Длительность ожидания. Чтобы дальние абоненты не голодали полностью.

Если в соте 50 человек качают видео — каждому достаётся ~2% ресурса. Сигнал может быть отличный, но пропускная способность — низкая. Это не «оператор тормозит», это математика общего ресурса.

Carrier Aggregation, MIMO и почему скорости сильно различаются

Современные мобильные технологии умеют объединять несколько частотных диапазонов и несколько антенн:

• Carrier Aggregation (CA). 4 или 5 диапазонов сразу — суммарная полоса до 100 МГц на LTE. На 5G NR-CA — до 800 МГц в mmWave.
• MIMO (Multiple Input Multiple Output). 2x2, 4x4, 8x8 — больше антенн = больше пространственных потоков. На 4G обычно 2x2/4x4, на 5G — до 64x64 на mid-band.
• Beamforming. Базовая станция формирует «луч» в сторону вашего телефона, увеличивая SINR.

Все эти фичи требуют поддержки и со стороны телефона. Старый Android может не уметь 4-CA, и тогда тот же сигнал даёт в 4 раза меньше скорости. Поэтому два устройства рядом могут показывать радикально разные числа.

QCI/5QI: профили качества

Каждый bearer (соединение телефона с сетью) имеет профиль QCI (4G) или 5QI (5G). Профиль определяет:

• Priority — кого первым шедулить при перегрузке.
• PDB (Packet Delay Budget) — максимальная допустимая задержка.
• PELR (Packet Error Loss Rate) — допустимые потери.
• GBR/Non-GBR — гарантированная пропускная способность или best effort.

Стандартные QCI:

• QCI 1 — VoLTE-голос. GBR, PDB 100 мс, PELR 1%. Высокий приоритет.
• QCI 2 — видеозвонок (live conversational).
• QCI 5 — IMS signaling. Низкая задержка для SIP-управления.
• QCI 9 — best effort. Тут живёт почти весь интернет-трафик: HTTPS, видео-стриминг, мессенджеры.

Это означает, что в перегруженной соте VoLTE-голос продолжает работать без задержек, а HTTP-страницы могут медленно открываться. Так и задумано — оператор не «портит» интернет, а сохраняет работоспособность голоса. Базовые принципы QoS — в статье про QoS.

APN: точка входа в IP-сеть

APN (Access Point Name) — это «логическая дверь» в IP-сеть оператора. Один телефон может одновременно использовать несколько APN:

• internet — обычный интернет-трафик.
• ims — отдельный APN для VoLTE-голоса. Здесь живёт SIP-сигнализация и медиа-потоки.
• mms — для мультимедийных сообщений.
• tethering — иногда отдельный APN для раздачи интернета (с другим тарифным планом).

Каждый APN ассоциирован с определёнными PGW/UPF, набором политик и часто отдельным IP-пулом. Поэтому, например, IMS-голос может работать, когда обычный интернет тормозит — у них разные пути.

Политики и DPI в мобильном ядре

В точке UPF/PGW трафик абонента попадает в IP-сеть оператора. Здесь применяется множество политик:

• NAT — почти все мобильные операторы используют CGN (Carrier Grade NAT). Несколько тысяч абонентов на одном публичном IP.
• Учёт трафика для тарифов. Подсчёт мегабайт, ограничение после исчерпания, тарифные пороги.
• QoS marking. DSCP-метки для дальнейшего обслуживания в transport network.
• DPI и классификация. Анализ классов трафика для тарифных и политических задач.
• Парные APN для IMS. Голосовая часть строго отделена от данных.

Это работает похоже на инфраструктуру фиксированного провайдера, но с дополнительным слоем мобильной абонентской логики. Подробнее общая архитектура — в статье про инфраструктуру оператора.

Роуминг: home routing vs local breakout

Когда вы за границей, есть два сценария обслуживания:

• Home routing. Весь трафик возвращается через ваш домашний оператор. Безопаснее для контроля политик, но добавляет задержку и стоимость.
• Local breakout. Гостевая сеть выпускает трафик прямо в местный интернет. Быстрее, дешевле, но ваш домашний оператор не видит детали.

Большинство тарифов используют home routing — поэтому в роуминге задержка часто заметно выше, даже если вы рядом со станцией.

Перегрузка соты на конкретных примерах

Места, где перегрузка предсказуемо проявляется:

• Концерт или стадион. 50 000 человек на 3-5 сот — каждой достаётся минимум.
• ТЦ в выходной. Особенно фуд-корт и кинотеатр — там все одновременно.
• Жилой район в час пик (19:00–22:00). Всё население дома, все стримят.
• Вокзал, аэропорт. Тысячи устройств в активной фазе работы.
• Метро и поезда. Технически радио работает на станциях, но перегруз огромный.

В этих сценариях сигнал может быть «4 палочки», а реальная скорость — 0.5–2 Мбит. Это не повод менять оператора, это характер технологии общего радиоресурса.

Итого

Мобильный интернет — это семь технических слоёв, в которых радиочасть лишь первая. Перегрузка соты, политики QCI, маршрут через ядро, peering, дальний маршрут до сервера — всё это влияет на ощущаемую скорость одновременно. Понимая всю цепочку, вы можете отделить «у меня плохой телефон» от «здесь просто 50 человек качают видео» и не звонить в техподдержку с вопросами, на которые ответ — физика.