Первый в мире звонок в системе GSM, глобальной системе мобильной связи, публично был сделан 1 июля 1991 года в городском парке г. Хельсинки, Финляндия. Сейчас это событие провозглашено днем рождения мобильной телефонной связи второго поколения. Система GSM стала огромным успехом, который трудно было прогнозировать на таком раннем этапе. За последние 10 лет система GSM стала действительно глобальной системой мобильной связи. Сегодня во многих странах темпы распространения сотовых телефонов превышают 70% и приближаются к 90% в северных странах, в то время как в глобальном масштабе количество мобильных телефонов уже превзошло количество фиксированных телефонов и в ближайшем будущем превысит ожидаемую цифру 1,5 миллиона.
Десятилетием позже GSM привела нас к ранним стадиям систем мобильной связи третьего поколения — Универсальной системе мобильной связи (UMTS). Начали работать первые сети, и появилось новое поколение фантастических мобильных телефонов.
К концу октября 2004 года в мире было введено в эксплуатацию около 50 коммерческих сетей UMTS.
Сети UMTS представили совершенно новую радиотехнологию, обеспечивающую высокую скорость передачи данных для всеобщего применения, а именно широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов WCDMA. Тем не менее часть базовой сети системы UMTS надежно базируется на успешной сети GSM, которая эволюционировала из телефонной сети с коммутацией каналов в глобальную платформу для мобильных услуг с пакетной передачей, таких как передача коротких сообщений, просмотр ресурсов Интернета и мобильный доступ к электронной почте.
Последние оценки показывают, что в ближайшем будущем трафик с коммутацией пакетов в мобильной базовой сети превысит трафик с коммутацией каналов. Этот переход обеспечивается системой UMTS, которая позволяет сетевым операторам предоставлять одинаково полные услуги с коммутацией каналов и коммутацией пакетов и удовлетворять спрос на передачу данных и пропускную способность. Большинство услуг по передаче речи чувствительны к задержке во времени и могут все еще эксплуатировать коммутацию каналов, в то время как данные, менее чувствительные к задержкам, передаются по мобильной базовой сети UMTS с коммутацией пакетов.
Одно из ключевых преимуществ мобильной связи состоит в ее способности предоставлять информацию пользователям почти в любое место и в любое время. Мобильный телефон в сети UMTS рассматривается как персональное доверенное устройство, инструмент, поддерживающий жизненные потребности как на работе, так и на досуге. Среди новых возможностей для развлечения и работы существуют перспективные связные и мультимедийные услуги передачи данных, обеспечивающие мобильность и персонализа-цию пользователей.
Эта книга рассказывает о том, как сети UMTS используются в качестве платформы мобильности и услуг третьего поколения.. Авторы стремились дать всеобъемлющий обзор архитектуры системы и ее развития, а также сделать ее руководством для тех, кто желает изучить технические требования проекта 3GPP. Содержание книги разделено на три части.
Первая часть включает главы 1 и 2, которые содержат краткое описание системы UMTS. В первой главе приведено описание технической структуры и услуг системы UMTS, а также даны ключевые понятия. Глава 2 иллюстрирует историю развития мобильных сетей от GSM второго поколения до первой многопользовательской версии UMTS и далее до сетей с полной мобильностью интернет-услуг.
Вторая часть включает главы 3—9, в которых описываются аспекты радиотехнологий, радиодоступа и базовой сети, а также подробно рассмотрены абонентские терминалы. Объясняются также функции и услуги, предоставляемые конечным пользователям. Глава 3, посвященная основным проблемам построения архитектуры сотовых сетей, дает обзор фундаментальных проблем, стоящих перед сотовыми сетями, и способов их решения, в частности, в сети UMTS.
Глава 4 содержит обзор технологий доступа UMTS, включая новейшие достижения технологии WCDMA 5-й версии проекта 3GPP. Кроме того, в ней рассматриваются другие технологии, такие как GSM/EDGE и WLAN, являющиеся дополнительными составляющими многопользовательской системы UMTS.
Главы 5 и 6 описывают функциональное разделение между управляющими функциями, распределенными между элементами сети UMTS в сети радиодоступа и базовой сети. Глава 7 содержит обзор пользовательского оборудования UMTS, при этом основное внимание уделяется рассмотрению аспектов, наиболее важных для остальной части сети UMTS. В главе 8 сеть UMTS рассматривается как система услуг. Она описывает реализацию услуг, включая качество обслуживания QoS, и приводит несколько примеров услуг, которые предоставляются сетью UMTS. В главе 9 обсуждаются современные решения безопасности в сети UMTS.
Остальные главы (10 и 11) формируют третью часть книги. В этих главах дан обзор протоколов, используемых для взаимодействия между различными архитектурными элементами в масштабе всей сети. Вначале в 10-й главе подробно описывается архитектура базового протокола сети UMTS, а затем один за другим вводятся протоколы отдельных систем. Глава 11 возвращает нас к общему рассмотрению сети, приводя отдельные примеры системных процедур, которые описывают, как осуществляются операции между интерфейсами сети UMTS под управлением системных протоколов.
На этом раннем этапе мобильной связи третьего поколения успех UMTS будет приумножен тысячами системных инженеров и программистов, провайдеров, разработчиков приложений, системных интеграторов и сетевых операторов. Мы надеемся, что эта книга поможет всем им достичь успе-хов в своем деле и получить удовольствие от преимуществ среды системы UMTS.
Эта книга отражает взгляды и мнения авторов и не обязательно представляет мнения их руководителей.
Что нового содержится во втором издании?
С момента опубликования первого издания в 2002 году многое произошло как в мире беспроводной связи в целом, так и в развитии сети UMTS в частности. Развитие в направлении информационных услуг стало движущей силой; сеть UMTS стала реальностью в нескольких странах; радиосвязь в коротковолновом диапазоне, например беспроводная локальная сеть WLAN и технология беспроводного доступа Bluetooth, стала неотъемлемой составляющей мобильных телефонов; Интернет получил широкое распространение; и союз между мобильными сетями и IP стал все более очевидным. Все это было так или иначе реализовано в новейшей разработке 5-й редакции проекта 3GPP. В этом новом издании мы попытались отразить эти изменения при рассмотрении главной цели данной книги: сохранить полный текст системной архитектуры UMTS. Мы также получили бесценные предложения от читателей первого издания книги, которые поступили к нам со всех уголков мира. Мы очень благодарны за эти глубокие комментарии и учли их при написании второго издания. Уровень предложений читателей вселил в нас уверенность, что первоначальная цель книги (служить в качестве пособия по системной архитектуре UMTS) была правильно воспринята читателями. Первое издание использовалось также как учебное пособие для учебных курсов, институтов и университетов. Мы также попытались учесть этот аспект при использовании предложений читателей. Кроме того, мы приложили больше сил к тому, чтобы обеспечить общее качество второго издания. Чтобы этого достичь, мы уделили больше внимания редактированию текста со стороны как авторов, так и издателей.
В этом издании каждая глава была пересмотрена, с тем чтобы отразить развитие в стандартах проекта 3GPP вплоть до 5-й версии проекта 3GPP. Некоторые главы были существенно переукомплектованы и расширены. Кратко изменения второго издания можно изложить следующим образом:
• Первое издание рассматривало систему UMTS как сеть с однотипным доступом, которая использовала только сеть доступа UTRAN с WCDMA, и все главы были написаны на этой основе. Настоящее издание учитывает также и другие технологии доступа. Роль базовой сети GSM стала более очевидной, так как именно GSM формирует всю зону покрытия. Сеть UTRAN была освещена на том же уровне, что и в первом издании.
• В главы 1 и 2 были внесены незначительные редакторские правки, а некоторые рисунки были изменены для гармонизации с 5-й версией 3GPP.
• Из-за включения в книгу различных технологий доступа, глава 3 была разбита на две новые главы (3 и 4). Глава 3 дает обзор проблем в радиосети, которые возникают из-за ограничений радиосвязи, мобильности устройств, транспорта, управления сетью и дефицита радиоспектра.
Новая глава 4 содержит обзор избранных технологий доступа UMTS — WCDMA и его расширений HSPDA, GSM/EDGE и WLAN.
• Глава 5, посвященная UTRAN, была пересмотрена, упорядочена и дополнена описанием технологии HSPDA.
• Глава 7, посвященная абонентским терминалам, не содержит значительных изменений, и в нее только были добавлены аспекты, касающиеся IMS.
• Главы 9, 10 и 11 были дополнены в соответствии с 5-й версией проекта 3GPP.
Благодаря этим изменениям второе издание содержит на 100 страниц больше по сравнению с первым, и в результате это издание полностью соответствует 5-й версии проекта 3GPP.
Кроме того, у господина Хейки Кааранена (Heikki Kaaranen) есть набор слайдов в формате PDF. Для получения дальнейшей информации и при желании заказать более подробную информацию обращайтесь по электронному адресу: heikki.kaaranen@aquarecords.fi или посетите веб-сайт: www.aquarecords.fi.
При написании первого издания книги «Сети UMTS» авторы и их помощники имели возможность наблюдать завершение процесса стандартизации системы UMTS. При подготовке второго издания мы наблюдали еще более впечатляющее событие — начало внедрения сетей UMTS во всем мире. Много наших коллег, работающих как в компании Nokia, так и вне ее, предоставили ценную информацию и комментарии относительно различных аспектов книги. В частности, мы хотим поблагодарить следующих коллег: Сеппо Аланара (Seppo Alanara), Мика Форссели (Mika Forsseli), Харри Холма (Hard Holma), Кайцу Иисаккила (Kaisu Iisakkila), Татьяну Исаеву (Tatjana Issayeva), Сами Кекки (Sami Kekki), Пекка Кориа (Pekka Korja), Яна Калла (Jan Kail), Джухо Лаату (Juno Laatu), Джона Лавней (John Loughney), Атте Лансисалми (Atte Lansisalmi), Анну Маркканен (Anna Markkanen), Томи Микконена (Tomi Mikkonen), Юха Микола (Juha Mikola), Ахти Мухонен (Ahtt Muhonen), Аки Ниеми (Aki Niemi), Микко Пуускари (Mikko Puuskari), Микко Дж. Ринне (Mikko J. Rinne), Вилле Руути (Vilie Ruutu), Юха Сипила (Juha Sipila), Жанне Тервонен (Janne Tervonen), Микко Тирронен (Mikko Tirronen), Ари Турунен (Ari Tourunen), Юкка Виален (Jukka Vialen), Андрея Зименкова (Andrei Zimenkov).
Работа выполнялась в прекрасной обстановке и в тесном контакте с программами исследований, разработки и стандартизации компании Nokia. Мы хотим выразить благодарность руководителям этих программ: Кари Аалтонен (Kari Aaltonen), Хайкки Ахава (Heikki Ahava), Тапио Харила (Tapio Harila), Рейджзо Ювонен (Reijo Juvonen), Яри Лехмусвуори (Jari Lehmusvuori), Юхани Кууси (Juhani Kuusi), Яро Неуво (Yrjo Neuvo), Tepo Ойанпера (Tero Ojanpera), Лаури Оксанен (Lauri Oksanen), Пертти Паски (Pertti Paski), Туула-Мари Pay-тала (Tuula-Mari Rautala), Туомо Сипила (Tuomo Sipila), Юкка Сойккели (Jukka Soikkeli), Яри Вайникка (Jari Vainikka), Аско Вилаваара (Asko Vilavaara), Издательская группа во главе с Марком Хаммондом (Mark Hammond) и Сарой Хинтон (Sarah Hinton) из компании John Wiley & Sons, Ltd., оказала нам неоценимую помощь при подготовке второго издания книги. Их трудолюбие позволило выдержать строгий график подготовки публикации. Неоценимая редакторская работа Брюса Шаттлевуда (Bruce Shuttlewood) и группы из Originator Publishing Service помогла сделать наш текст более читабельным.
Мы не должны забывать, что эта книга описывает сети UMTS и что эти сети основаны на общем проекте и инженерных разработках многих наших коллег; именно их знания и опыт позволили сделать это. Не имея возможности привести список всех специалистов, которые с начала 1990-х годов занимались проектом 3GPP, и тех, кто был причастен к разработке UMTS, мы хотели бы поблагодарить их всех за самоотверженную работу по созданию новой эры в мобильной связи.
И наконец, мы хотим с любовью поблагодарить всех членов наших семей за их терпение и поддержку, оказанные на протяжении долгих дней и ночей написания этой книги. Среди них особой благодарности заслуживает госпожа Satu Kangasjarvela-Kaaranen; ее помощь в наборе текста и графическом исполнении многих рисунков была неоценима при подготовке рукописи.
Принимая на себя ответственность за последующее совершенствование книги, авторы еще раз просят предоставить комментарии и предложения по улучшению или изменению материала, которые будут учтены в последующих изданиях. Их можно направлять по следующему электронному адресу: umtsnetworks@pcuf.fi.
Авторы книги «Сети UMTS»,
Хельсинки, Финляндия
ГЛАВА 1
ВВЕДЕНИЕ
Лри Ахтианен, Хейки Кааранен и Симек Найян
(Ari Ahtianen, Heikki Kaaranen and Siamak Naghian)
В настоящее время общепринято, говоря о мобильной связи, выделять три различных поколения реализованных (внедренных на практике) систем (см. рис. 1.1). К первому поколению (1G) относятся аналоговые или наполовину аналоговые (аналоговый радиотракт, но цифровая коммутация) сети мобильной связи, созданные в середине 1980-х годов, как, например, система Северной мобильной телефонии (NMT) и Американская система мобильной связи (AMPS). Такие сети предоставляли пользователю основные (базовые) услуги, при этом акцент делался на услуги, ориентированные на передачу речи. Сети поколения 1G создавались только в масштабах одной страны, и очень часто их основные технические характеристики устанавливались по соглашению между национальным оператором связи и местной промышленностью без открытой публикации технических данных. Из-за наличия особенностей национальных технических требоваинй, сети 1G были несовместимы друг с другом, а сама мобильная связь воспринималась в то время лишь как диковинка и дополнение к традиционным сетям стационарной связи.
С ростом спроса на мобильную связь появилась необходимость создания всеобщей системы мобильной связи. Международные органы стандартизации начали выяснять, что же должна представлять собой система мобильной связи втброго поколения — 2G. При этом акцент делался на совместимость и международную прозрачность; система 2G должна была стать региональной (например, охватывать всю Европу) или почти глобальной, чтобы абоненты могли иметь доступ к ней практически везде в рамках данного региона. С точки зрения конечного пользователя (абонента), сети 2G смогли предложить более привлекательный «пакет услуг»: помимо традиционных речевых услуг, такие сети предоставляли и некоторые услуги передачи данных, а также более разнообразные дополнительные услуги. Региональный подход к стандартизации не позволил в полной мере реализовать концепцию глобальной мобильной сети,
Рис. 1.1. Поколения систем сотовой связи
и в результате на рынке появилось несколько систем 2G. Среди них как пример коммерческого успеха следует выделить глобальную систему мобильной связи (GSM) и ее разновидности: эта система, несомненно, превзошла все ожидания — как в техническом, так и в коммерческом плане.
Процесс глобализации мобильной связи призваны завершить системы третьего поколения — 3G. Но и здесь ожидаются трудности, обусловленные несовпадением национальных и региональных интересов. Так или иначе, общая тенденция такова, что системы 3G в основном будут базироваться на технических решениях GSM по двум причинам — технология GSM доминирует на рынке, и огромные инвестиции, вложенные в нее, должны максимально окупиться. Исходя из этого, органы стандартизации сформировали концепцию развития мобильной связи в течение следующих десяти лет. Эта концепция содержит следующие требования к системе 3G:
1. Все технические характеристики системы должны быть точно определены (как в системе GSM), а основные интерфейсы должны быть стандартизованными и открытыми. При этом разработанные технические требования должны выполнятся во всем мире.
2. По сравнению с GSM система 3G должна выйти на совершенно новый уровень, причем во всех аспектах. Однако на начальном этапе такая система должна быть совместимой, по крайней мере, с GSM и ЦСИО1 (цифровой сетью с интеграцией обслуживания).
3. Система 3G должна поддерживать мультимедийную среду со всеми ее компонентами.
4. Система 3G должна обеспечивать широкополосный радиодоступ, с тем чтобы стать пригодной во всем мире. Термин «широкополосный» используется, с тем чтобы отразить промежуточные требования к пропускной способности систем 3G, между узкополосными системами 2G и средствами фиксированной, проводной, связи.
5. Услуги, предоставляемые конечному пользователю, не должны зависеть от особенностей используемых технологий радиодоступа, а сетевая инфраструктура не должна ограничивать появление новых услуг. Другими словами, речь идет о полном разделении технологической базы и услуг, использующих эту базу.
В то время как еще продолжается стандартизация систем 3G, наблюдается и изменение основных тенденций развития отрасли связи в целом. Традиционная электросвязь и передача данных (Интернет), которые до сих пор развивались отдельно друг от друга, начали стремительно сближаться. Появился целый ряд разработок, которые объединяют технологии традиционной электросвязи и интернет-протокола (IP) «в одном флаконе». Эту общую тенденцию называют по-разному, в зависимости от точки зрения говорящего: некоторые люди обозначают цель происходящих процессов терминами «мобильное информационное общество» или «мобильный IP», другие определяют это как «3G полностью на базе IP», а в коммерческом контексте применяют обозначение «Е2Е IP», что переводится с английского как «сквозной IP». С точки зрения концепции 3G полномасштабное внедрение протокола IP рассматривается как одна из целей на пути развития систем 3G.
Сейчас системы 3G проходят новые этапы развития, и фактически уже начался процесс формирования технических требований к системам поколения 4G. Сейчас еще слишком рано прогнозировать, когда закончится эволюция систем 3G и начнется фактическое внедрение 4G. Этот процесс будущего развития можно представить себе как непрерывный ряд разработок, благодаря которым системы 3G будут предлагать все новые способы поддержки и комбинирования различных видов услуг мобильной связи и передачи данных. В то же время системы 4G будут представлять более сложную концепцию, которая позволит предоставить конечному пользователю еще больше пропускной способности и дополнительных услуг.
1.1. Процесс стандартизации систем 3G
1.2.
Наличие в европейских странах унифицированного стандарта GSM позволило говорить о глобализации мобильной связи. Это стало очевидным, когда попытка распространить японскую систему 2G PDC (в переводе с английского «тихоокеанская цифровая связь») на весь дальневосточный регион не удалась и большинством азиатских рынков мобильной связи был принят открытый стандарт GSM, а его разновидность была стандартизована в США как один из альтернативных вариантов рынка систем персональной связи
(PCS).
Единая глобальная система мобильной связи, естественно, порождает множество пожеланий политического характера. В случае 3G это можно заметить уже на этапе выбора названия системы. Термин «система третьего поколения» (3G) — это наиболее нейтральный вариант. Но в разных частях мира делаются разные акценты, и общий термин 3G имеет региональные синонимы. В Европе для систем 3G применяют термин UMTS2 (универсальная мобильная телекоммуникационная система), следуя терминологии Европейского института стандартизации в электросвязи (ETSI3). В Японии и США системы 3G часто обозначают термином IMT-20004 (Международная система мобильной телефонии-2000). Это название предложено проектной группой Международного союза электросвязи (МСЭ). В США как один из вариантов систем сотовой связи 3G рассматривается система многостанционного доступа с кодовым разделением CDMA20005, которая представляет собой дальнейшее развитие систем стандарта IS-95. В настоящей книге описывается система UMTS — так, как она определена в рамках объединения по разработке стандартов мобильной связи 3-го поколения — 3GPP6. Чтобы внести какой-то порядок в несколько запутанную ситуацию с выбором названия, группа 3GPP приняла решение о том, чтобы считать официальным названием систем 3G термин «система 3GPP». Это название должно сопровождаться номером версии, указывающим на определенный набор технических требований. Следуя этой логике, самой первой версии европейской сети UMTS дали официальное название «система 3GPP версии 99». Однако, несмотря на наличие официального названия, в мире до сих пор широко применяются термины UMTS и IMT-2000.
В начале своего развития система UMTS заимствовала множество элементов и функциональных принципов у системы GSM, а новые и наиболее значимые решения были предложены в области радиодоступа. Концепция UMTS предусматривает усовершенствованную технологию доступа, а именно широкополосный радиодоступ. Для его реализации используется технология широкополосного многостанционного доступа с кодовым разделением (WCDMA7). Технология WCDMA появилась в развитие метода CDMA, который, будучи признанной и проверенной технологией, продолжает использоваться в военных целях, а также в узкополосных сетях сотовой связи, особенно в США.
Стандартизации UMTS предшествовал ряд подготовительных исследовательских проектов, которые инициировались и финансировались Европейским союзом. В 1992—1995 годах проектная группа MoNet, работавшая в рамках программы по созданию усовершенствованной системы связи для Европы (RACE1), предложила метод моделирования, описывающий распределение функций радиодоступа и базовой части сети. Такой метод моделирования был необходим, например, для сравнения протокола интеллектуальной сети (IN2) и протокола GSM в части мобильных приложений (MAP3) как возможных вариантов управления мобильной связью. Это наряду с дискуссией о широкополосной или узкополосной ЦСИО было одним из основных спорных вопросов в проектной группе MoNet. На последнем этапе работы группы MoNet возникли также споры об использовании асинхронного режима передачи (технологии ATM4) и широкополосной ЦСИО (Ш-ЦСИО) для организации фиксированной (немобильной) передачи информации.
В 1995-1998 годах исследовательскую работу в области систем 3G продолжила проектная группа FRAMES5 (расшифровывается как «система широкополосного многостанционного радиодоступа будущего») в рамках программы по созданию усовершенствованных средств связи и услуг (ACTS6). Первые годы работы этой группы были посвящены выбору и отработке подходящей технологии многостанционного доступа, при этом в основном рассматривались варианты многостанционного доступа с временным разделением (TDMA7) и с кодовым разделением (CDMA). Крупные европейские производители оборудования отдавали предпочтение методу TDMA, поскольку он использовался в системах GSM. Технологию на основе CDMA «продвигали» в основном американские производители, которые имели опыт работы с этой технологией благодаря ее раннему использованию в военных приложениях.
МСЭ стремился стандартизировать хотя бы одну общую для всех глобальную технологию радиоинтерфейса. Для решения задачи гармонизации были созданы проектные группы: FPLMTS8 (расшифровывается как «система мобильной телефонии общего пользования будущего», а позднее — 1МТ-2000. Из-за параллельной работы множества региональных органов по стандартизации усилия МСЭ по гармонизации вылились в реализацию общих архитектурных принципов в семействе систем IMT-2000.
Европа и Япония при разработке систем 3G также решали различные краткосрочные задачи. В Европе благодаря раннему опыту передачи данных в узкополосных системах GSM сформировалась значительная потребность в коммерческих услугах мобильной передачи данных с гарантированным качеством (например, мобильных видеоуслугах). Однако густонаселенному Даль-невосто.чному региону срочно требовались дополнительные радиочастоты для удовлетворения спроса на речевые услуги. Полосы частот, выделенные МСЭ в 1992 году для будущих систем 3G, названных «IMT-2000», больше всего подходили для решения данной проблемы. В начале 1998 года был сделан значительный шаг вперед: технический комитет ETSI TC-SMG принял решение использовать технологию WCDMA в качестве технологии радиодоступа для систем UMTS. Это решение было поддержано и крупнейшим японским оператором NTT DoCoMo. Одновременно было принято решение развивать базовую сеть на основе технологии базовой сети систем GSM. В течение 1998 года ETSI и японские органы по стандартизации (ТТС и ARIB) договорились о создании общего стандарта UMTS. После этого была создана организация 3GPP и начался процесс глобальной стандартизации системы UMTS.
Организация 3GPP служит своего рода «крышей» системы UMTS, обеспечивая разработку компромиссных стандартов с учетом политических, промышленных и коммерческих влияний, исходящих от местных органов стандартизации:
• ETSI (Европейский институт стандартизации в электросвязи), Европа;
• ARIB (Ассоциация радиопромышленности и предпринимательства), Япония;
• CWTS (Группа стандартизации беспроводной связи), Китай;
• Т1 (Комитет по стандартизации в электросвязи — Т1), США;
• ТТА (Ассоциация телекоммуникационных технологий), Корея;
• ТТС (Комитет телекоммуникационных технологий), Япония.
Учитывая сложность данной задачи, сразу же после появления 3GPP была создана независимая организация, получившая название «группы гармонизации деятельности операторов» (OHG6). Основная задача 3GPP — определение и поддержка технических требований системы UMTS, а группа OHG призвана искать компромиссные решения тех вопросов, которые не удается решить внутри 3GPP. Такая система дает гарантию того, что работа 3GPP будет продолжаться по намеченному плану.
Чтобы гарантировать учет американских интересов, была основана отдельная организация — «3GPP номер 2» (3GPP2), которая формирует технические требования на основе радиотехнологии стандарта IS-95. Общая задача организаций 3GPP, OHG и 3GPP2 состоит в создании таких технических требований, которые позволят построить глобальную систему сотовой связи с широкополосным радиодоступом. Подытоживая сказанное, можно выделить три различных подхода к созданию глобальной сотовой системы 3G. Эти подходы и их основные характеристики укрупненно представлены в таблице 1.1.
По мере того как глобальная сеть становится реальностью, технические требования к системам 3G позволяют использовать любую из перечисленных в таблице систем коммутации в комбинациях с различными технологиями радиодоступа, и в результате мы получаем действующую сотовую сеть 3G. Второй ряд таблицы представляет европейский вариант, известный как система UMTS, обзору первой версии которой и посвящена настоящая книга.
Изначально организация 3GPP приняла решение обозначать издаваемые технические требования номером года их выпуска, поэтому первый изданный документ известен как Версия 99. Для этого первого набора технических требований характерно довольно ощутимое «присутствие GSM». С точки зрения UMTS это очень важный момент: во-первых, сети UMTS должны были быть совместимыми с существующими сетями GSM и, во-вторых, сети GSM и UMTS должны иметь возможность взаимодействия между собой. Следующая версия технических требований изначально получила название «3GPP R002», но из-за большого количества предложенных изменений процесс подготовки новой версии происходил в два этапа, в результате чего появилось два документа — 3GPP R4 и 3GPP R5. 3GPP R4 определяет некоторые изменения в базовой сети UMTS с коммутацией каналов, что связано с разделением потоков данных пользователя и механизмов их контроля. 3GPP R5 представляет механизмы и средства, позволяющие сети UMTS работать в среде мультимедиа. Эти средства известны как «подсистема мультимедиа на основе протокола IP» (IMS3), архитектура которой представлена в главе 6. IP и протоколы более высокого уровня будут использоваться и для управления сетью; кроме того, ожидается, что потоки данных пользователя также будут передаваться в основном по протоколу IP. Другими словами, мобильная сеть, реализованная в соответствии с техническими требованиями 3GPP R5, будет представлять собой полностью пакетную сеть, использующую в качестве транспортного протокола IP вместо системы сигнализации № 7, которая удерживает лидирующее положение в существующих сетях с коммутацией каналов. Естественно, сеть на основе IP должна поддерживать и услуги с коммутацией каналов. Технические требования 3GPP R4/R5 также дают возможность использовать новые методы радиодоступа. В документе 3GPP R99 в качестве основы наземной сети доступа UMTS (UTRAN4) предлагался метод радиодоступа WCDMA. Документ 3GPP R5 интегрирует в систему UMTS другой метод радиодосту-па, заимствованный у систем GSM и известный как EDGE1 (усовершенствованная передача данных как эволюция GSM). Это позволяет создавать сети радиодоступа GSM/EDGE (GERAN2) в качестве альтернативы созданию мобильной сети UMTS.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G
Основной идеей создания систем 3G была подготовка универсальной инфраструктуры, способной поддерживать существующие и будущие услуги. Эта инфраструктура должна быть разработана так, чтобы сеть могла адаптироваться к смене и эволюции технологий, не препятствуя предоставлению традиционных услуг, использующих существующую сетевую структуру. Решить эту довольно сложную задачу позволяет разделение методов доступа, транспортных технологий, технологий услуг (контроля соединений) и пользовательских приложений. Структуру сети 3G можно описывать различными способами. Ниже будут представлены некоторые методы представления базовой структуры сети. В данном разделе обсуждаются следующие подходы к архитектуре сети:
• концептуальная сетевая модель;
• структурированная сетевая архитектура;
• архитектура управления ресурсами;
• архитектура каналов UMTS.
1.2.1. Концептуальная сетевая модель
С позиций вышеупомянутой концептуальной сетевой модели вся сетевая архитектура в зависимости от природы трафика, структур протоколов и физических элементов может быть разделена на подсистемы. С точки зрения природы трафика сеть 3G включает две основные области — область коммутации пакетов (КП) и область коммутации каналов (КК). Документ 3GPP TR 21.905 определяет область как группу физических объектов высшего иерархического уровня и установленные интерфейсы (опорные точки) между такими областями. Параметры интерфейсов точно определяют, как происходит взаимодействие областей друг с другом.
С точки зрения структур и функций протоколов сеть 3G можно разделить на два уровня — уровень доступа и уровень без доступа. Под уровнем понимают способ группирования протоколов, которые относятся к одному виду услуг, поддерживаемых одной или несколькими областями (см. документ 3GPP TR 21.905). Таким образом, уровень доступа объединяет протоколы, которые поддерживают взаимодействие между оборудованием пользователя и сетью доступа. Уровень без доступа включает протоколы, обеспечивающие взаимодействие между оборудованием пользователя и базовой сетью (областями коммутации каналов и коммутации пакетов). Более подробную информацию об уровнях и протоколах можно найти в главе 10.
Рис. 1.2. Концептуальная модель архитектуры UMTS
Часть сети, обозначенная на рис. 1.2 как «домашняя сеть», обеспечивает статистический учет и безопасность информации. Обслуживающая сеть — это часть базовой сети плюс область, отвечающая за предоставление пользователю функций базовой сети на месте. Транзитной сетью называют часть базовой сети, образующую канал связи между обслуживающей сетью и удаленным абонентом. В случаях, когда вызываемый абонент находится в той же сети, что и оборудование вызывающего абонента, транзитная сеть не используется.
1.2.2. Структурированная сетевая архитектура
В данной книге большинство вопросов рассматривается с позиций структурированной архитектуры сети. Структурный подход представлен на рис. 1.3. В сети UMTS важную роль играет технология GSM, являющаяся ее основой («фоном»), и, естественно, UMTS стремится повторно использовать все подходящие ресурсы и возможности GSM. Например, некоторые процедуры, используемые на уровне базовой сети, в принципе заимствованы у GSM, естественно, с необходимыми модификациями,
В системе 3G оконечное оборудование, которое называют оборудованием пользователя (UE1), состоит из двух отдельных частей — мобильного оборудования (ME2) и модуля идентификации услуг (USIM3).
Новая подсистема, управляющая широкополосным радиодоступом, может называться по-разному в зависимости от типа используемой радиотехнологии, но существует и общий термин «сеть радиодоступа — RAN4». Когда говорят конкретно о системе UMTS с технологией радиодоступа WCDMA, используются названия «UTRAN» или «UTRA». Еще один возможный вариант радиодоступа в системе UMTS — GERAN. Документ 3GPP R99 не содержит определения системы GERAN,
Рис. 1.3. Сетевая архитектура UMTS — сетевые элементы и их соединения при передаче данных пользователя
однако она упоминается как возможный альтернативный вариант радиодоступа, который может использоваться в будущем. Определение технических требований к системе GERAN и ее гармонизация с системой UTRAN выполнены в документах 3GPP R4 и 3GPP R5.
Система UTRAN подразделяется на подсистемы радиосети (RNS1). Одна такая подсистема представляет набор радиоэлементов и соответствующих им элементов управления. В системе UTRAN радиоэлемент обозначается как узел В (далее в этой книге используется термин «базовая станция — BS1»), а элемент управления — как контроллер радиосети (RNC2). Контроллеры радиосети соединяются друг с другом через внутренние интерфейсы сети доступа — lur. Более детальный анализ такой структуры и ее преимуществ приведен в главе 5.
Другая сеть доступа, показанная на рис. 1.3, — GERAN — не описывается в данной книге подробно. Читателям, интересующимся GERAN, следует обратиться, например, к книге Halonen и др. (2002).
Термин «базовая сеть» охватывает все сетевые элементы, необходимые для коммутации и управления абонентами. На ранних этапах внедрения UMTS часть этих элементов заимствовалась непосредственно из сетей GSM и модифицировалась для целей UMTS. Позднее, с изменением транспортных технологий, внутренняя структура базовой сети также существенно изменится. Как видно из рис. 1.3, базовая сеть включает области коммутации каналов (КК) и коммутации пакетов (КП). Варианты конфигурации и элементов базовой сети UMTS рассматриваются в главе 6.
Часть сети, обозначенная на рис. 1.3 как «регистры», соответствует «домашней сети» в рассмотренной ранее концептуальной сетевой модели 3G. Она обеспечивает статистический учет и безопасность информации. Более подробно регистры рассматриваются в главе 6.
На рис. 1.3 представлены также основные открытые интерфейсы системы UMTS. Открытый интерфейс между оборудованием пользователя и системой UTRAN обозначается как Uu, а физически реализуется с помощью технологии WCDMA. Некоторую информацию обзорного характера о технологии WCDMA можно получить в главах 3 и 4. В сети доступа GERAN используется эквивалентный открытый интерфейс — Urn. Еще один открытый интерфейс — lu — соединяет сети доступа UTRAN/ GERAN с базовой сетью.
Подсистемы радиосети (RNS) соединены друг с другом открытым интерфейсом lur. Этот интерфейс существенно отличается от аналогичных интерфейсов GSM: он позволяет системе реализовать абсолютно новые возможности — так называемое «макроразнесение», а также механизмы эффективного управления радиоресурсами и мобильностью. Если в сети реализован интерфейс lur, то оборудование пользователя может получать доступ к сети через несколько подсистем RNC, каждая из которых в процессе установления радиоканала выполняет определенные логические функции. В соответствии с этими функциями различают обслуживающие RNC (SRNC3), дрейфующие RNC (DRNC4) и управляющие RNC (CRNC5). Подсистема CNRC осуществляет общее управление логическими ресурсами в относящихся к ней точках доступа UTRAN и, как правило, сосредоточена в базовых станциях. Функции SNRC используются при создании конкретного радиоканала между оборудованием пользователя и системой UTRAN. Каждому оборудованию пользователя UE, подключенному к системе UTRAN, соответствует своя подсистема SNRC,
Рис. 1.4. Сетевая архитектура UMTS — задачи управления и механизмы контроля
которая отвечает за установление радиосоединения между UE и UTRAN. Кроме того, подсистема SNRC поддерживает интерфейс с базовой сетью — Iu, который служит основной характеристикой данной SNRC. Подсистема DRNC выполняет свои логические функции в тех случаях, когда для установления соединения системы UTRAN с оборудованием пользователя необходимо задействовать соту (или соты), управляемую другой подсистемой RNC, а не самой SRNC. Общий обзор вопросов, связанных с системой UTRAN, можно найти в главе 5.
Сети доступа соединяются между собой также с помощью интерфейса Iur-g, используемого для передачи информации управления радиоресурсами. Отличие между интерфейсами Iur и Iur-g заключается в том, что lur предназначен как для сигнальной информации, так и для данных пользователя, а Iur-g — только для сигнализации.
Кроме областей КК и КП, показанных на рис. 1.3, сеть может включать и другие области. Примером может служить область вещания, которая отвечает за управление передачей сообщений широкого вещания. Однако предметом рассмотрения данной книги будет в основном сеть UMTS, представленная на рис. 1.4. Хотя были упомянуты различные сети радиодоступа, основное внимание мы уделим системе UTRAN, затронув также ряд специальных вопросов, связанных с сосуществованием и взаимодействием систем UTRAN и GERAN.
1.2.3. Архитектура управления ресурсами
Описанная выше сетевая архитектура стала результатом разбиения по функциям и разделения ответственности между основными областями и в конечном итоге между элементами сети. Рисунок 1.4 иллюстрирует это разделение по основным функциям, среди которых:
• управление средствами связи (СМ1);
• управление мобильностью (ММ2);
• управление радиоресурсами (RRM3).
Область управления средствами связи (СМ) охватывает все функции и процедуры, связанные с управлением соединениями пользователя. Область СМ подразделяется на несколько подзон: обработки вызовов для соединений с К К, управления сеансами для соединений с КП, а также поддержки дополнительных услуг и служб коротких сообщений. Область управления мобильностью ММ охватывает функции и процедуры, необходимые для поддержания мобильности и безопасности (например, процедуры обеспечения конфиденциальности соединений и корректировки местоположения). Большинство процедур управления мобильностью ММ производятся в пределах области управления средствами связи СМ и ее элементов, однако для пакетных соединений система 3G предполагает также выполнение функций ММ в системе UTRAN. Принципы, лежащие в основе определения областей СМ и ММ, обсуждаются в главе 6.
Руководство радиоресурсами (RRM) представляет набор алгоритмов, используемых системой UTRAN для управления радиоресурсами. Эти алгоритмы поддерживают, например, контроль мощности в радиосоединениях, различные виды передачи обслуживания, контроль загрузки и входа в систему. Управление радиоресурсами (RRM) является неотъемлемой частью системы UTRAN; основные принципы RRM более подробно рассматриваются в главе 6. Некоторые примеры выполнения процедур СМ, ММ и RRM в масштабе всей системы приведены в главе 11.
Хотя перечисленные задачи управления могут быть реализованы в определенных областях и элементах сети, для их выполнения необходимо взаимодействие соответствующих областей и элементов. Такое взаимодействие предполагает сбор информации, формирование отчетности о статусе удаленных объектов и передачу этим объектам команд управления. Таким образом, каждой задаче управления соответствует определенный набор механизмов контроля, среди которых:
• контроль связи (СОМС4);
• контроль мобильности (МОВС5);
• контроль радиоресурсов (RRC6).
Система контроля связи СОМС обслуживает механизмы, подобные управлению установлением соединения и управлению сеансами пакетной передачи. Механизмы контроля мобильности (МОВС) включают, например, контроль выполнения операций обеспечения конфиденциальности и корректировки местоположения. Радиоресурсы полностью контролируются системой UTRAN и оборудованием пользователя UE. Механизм контроля радиоресурсов RRC отвечает за установление и поддержание радиоканала между UTRAN и UE. Перечисленные механизмы контроля реализованы в виде набора хорошо разработанных управляющих протоколов. Более подробную информацию о протоколах можно найти в главе 10.
При сравнении с традиционными системами GSM становится ясно, что данная функциональная архитектура должна быть несколько переосмыслена. Наиболее очевидное изменение касается области управления мобильностью, где ответственность разделена между сетью доступа UTRAN и базовой сетью. Что касается управления радиоресурсами, то в этом случае система UMTS более строго следует принципу передачи сети доступа UTRAN полной ответственности за управление всеми радиоресурсами сети. При этом сделан акцент на внедрении общего унифицированного протокола управления интерфейсом Iu.
1.2.4. Архитектура каналов UMTS
Как уже говорилось выше, система 3G в основном рассматривается как инфраструктура, предоставляющая оконечным пользователям и пользовательским приложениям оборудование, соответствующую полосу частот и необходимое качество. Обеспечение техническими средствами, распределение частот и качество соединения вместе образуют понятие «качество обслуживания» (QoS1). В случае сквозного режима обслуживания (соединения) между пользователями для данной конкретной услуги устанавливается свой набор требований к качеству обслуживания, которые должны выполняться по всей сети. В различных частях сети UMTS выполнение требований QoS к услугам обеспечивается по-разному.
Чтобы смоделировать эту ситуацию, требования к сквозному режиму обслуживания разделили на три категории: обслуживание местного канала, обслуживание канала UMTS и обслуживание внешнего канала. Обслуживание местного канала включает механизмы реализации сквозного режима на участке между оконечным оборудованием и мобильным окончанием (МТ2). МТ представляет собой часть оборудования пользователя (UE), которая устанавливает радиосоединение с сетью и адаптирует возможности оконечного оборудования к условиям радиопередачи. Обслуживание канала UMTS, в свою очередь, предусматривает механизмы выполнения требований качества обслуживания (QoS) в сети UMTS/3G, включающей сеть доступа UTRAN и базовую сеть. Когда сеть UMTS соединяется с другой сетью (или сетями), то требования QoS для сквозного режима должны поддерживаться и в направлении этих внешних сетей. Это область ответственности внешнего канала.
Рис. 1.5. Сетевая архитектура UMTS — задачи управления и механизмы контроля. ТЕ — оконечное оборудование; МТ — мобильное оборудование
Внутри сети UMTS сеть доступа UTRAN и базовая сеть по-разному поддерживают требования QoS. С точки зрения базовой сети UTRAN создает «иллюзию» фиксированного канала, предоставляя оконечному пользователю необходимое качество обслуживания (QoS). Этот воображаемый канал называют услугой по предоставлению канала радиодоступа. Базовая сеть CN использует собственный метод передачи, который называется «службой канала базовой сети». Такое разделение обусловлено необходимостью гарантировать определенное качество обслуживания в очень разных транспортных средах, для каждой из которых требуются свои механизмы передачи и протоколы. Так, канал базовой сети по своей природе достаточно постоянен, поскольку базовая транспортная сеть обеспечивает стабильные (устойчивые) физические соединения. В системе UTRAN канал радиодоступа претерпевает множество изменений с течением времени и при перемещениях оборудования пользователя, что создает различные условия с точки зрения выполнения требований QoS. Кроме того, при разделении каналов сети доступа и базовой сети (CN) выполняется основной принцип архитектуры сети UMTS — независимость инфраструктуры всей сети от технологии радиодоступа.
На рис. 1.5 приведена модель сетевой архитектуры, в основе которой лежат понятия каналов и качества обслуживания (QoS). В настоящей книге этим понятиям уделяется большое внимание, поскольку обеспечение QoS — одна из важнейших задач UMTS.
Представленные здесь архитектурные подходы мы будем использовать далее по тексту книги как краеугольные камни при анализе сетей UMTS и их реализаций.
ЭВОЛЮЦИЯ ОТ GSM
К МНОГОСТАНЦИОННОМУ
ДОСТУПУ UMTS
Хейки Кааранен
(Hcikki Kaaranen)
Эволюция — один из наиболее распространенных терминов, используемых в контексте универсальной мобильной телекоммуникационной системы UMTS1. Вообще-то это подразумевает эволюцию техническую (т. е. как система развивалась, какой тип оборудования в ней используется и насколько она распространена на существующей сети, если это вообще имеет место). Это отчасти верно, но чтобы понять воздействие эволюции, необходим более широкий взгляд. Эволюция в высоком значении слова подразумевает не только техническую эволюцию элементов сети, но и, кроме того, экспансию услуг и архитектуры сети. Когда три эти вида эволюции идут рука об руку по пути от 2G к 3G, то их ожидает успех и доход.
Эволюция технических средств означает выяснение того, какие элементы сети и какого вида технологии необходимо внедрить. Такой подход строго следует генеральной линии общих тенденций развития технологий и представляет прямолинейный путь развития. Поскольку сетевые элементы совместно формируют сеть, то теоретически должна соответствующим образом эволюционировать и сеть. При этом следует иметь в виду, что сеть развита настолько, насколько развиты ее слабейшие элементы и насколько в технических условиях всех сетей определены открытые интерфейсы оборудования большинства поставщиков. При использовании оборудования различных поставщиков темпы технической эволюции могут быть разными, а результаты могут оказаться не так хороши, как ожидалось.
Эволюция услуг не настолько прямолинейна. Она основывается на спросе, порождаемом конечными пользователями, а этот спрос может быть реальным или мнимым. Иногда операторы сетей и производители оборудования предлагают услуги вне границ ожиданий абонентов. Если запросы конечного пользователя и палитра услуг оператора не подходят друг другу, то это может создать трудности в прогрессе сотовой связи. Эти три составляющие эволюции показаны на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Эволюция техники, сети и услуг
2.1. От аналоговой передачи к цифровой
Основная идея, положенная в основу технических условий глобальной системы мобильной связи GSM, состоит в определении нескольких открытых интерфейсов, характеризующих стандартные элементы системы GSM. Поскольку интерфейсы открыты, то оператор, обслуживающий сеть, может применять на сети различные компоненты различных поставщиков оборудования сети GSM. Кроме того, если интерфейс открытый, то для него четко определены обрабатываемые системные функции, что, в свою очередь, определяет, какие функции должны быть реализованы внутри отдельных сетевых элементов по обе стороны интерфейса.
Как выяснилось из опыта работы мобильных аналоговых сетей, централизованная управляющая информация (интеллект сети) создает много нагрузки в системе, снижая общие показатели системы. Это объясняет, почему технические требования GSM придерживаются принципа интеллекта, распределенного по всей сети. Требования к упомянутым выше открытым интерфейсам определены так, чтобы их реализация была обоснована и технически, и физически.
Децентрализованный интеллект сети GSM реализован в виде четырех подсистем:
• подсистемы сети (NSS);
• подсистемы базовых станций (BSS);
• подсистемы управления сетью (NMS);
• мобильных станций (MS).
Установление соединения в действующей сети нуждается в участии подсистем NMS, BSS и MS. Подсистема BSS представляет собой часть сети, отвечающей за управление радиотрактом. Каждый вызов проходит через BSS. Подсистема NSS — это часть сети, которая берет на себя функции управления вызовом. Каждый вызов соединяется с помощью подсистемы NSS. Подсистема NMS отвечает за эксплуатацию и техническое обслуживание сети. Она также задействована в управлении всей сетью в целом. Через подсистему NMS оператор сети наблюдает и управляет услугами и качеством сети. При таком подходе открытые интерфейсы размещаются между MS и BSS (интерфейс Um) и между BSS и NSS (интерфейс А). Интерфейс Um во многом напоминает пользовательский интерфейс U цифровой сети с интеграцией обслуживания ЦСИО, он реализован очень сходными средствами и так же
Рис. 2.2. Сеть OSM и ее подсистемы.
ТСОП — телефонная сеть (коммутируемая) общего пользования; СПДОП — сеть передачи данных общего пользования; СПДОПКК — сеть передачи данных общего пользования с коммутацией каналов; Х.25 — сеть передачи данных с коммутацией пакетов
использует сигнализацию нижнего уровня, заимствованную и адаптированную из узкополосной ЦСИО. Маленькая т после V в наименовании обозначает «модифицированный». Интерфейс между подсистемами NMS и NSS/BSS предполагался открытым, но его технические характеристики не были стандартизованы в нужное время, и поэтому каждый производитель реализует интерфейс NSS своими собственными методами.
Мобильная станция MS представляет собой сочетание оконечного оборудования и абонентского идентифицирующего модуля. Оконечное оборудование как таковое называется мобильным оборудованием (ME), а абонентские данные хранятся в отдельном модуле, называемом служебным идентификационным модулем (SIM). Следовательно, ME + SIM = MS. Заметьте, пожалуйста, что SIM официально означает «абонентский идентификационный модуль». Мы предпочитаем название «служебный идентификационный модуль», так как он лучше описывает функциональное назначение SIM-карточки.
Контроллер базовой станции BSC — центральный элемент подсистемы BSS, управляющий радиосетью. Это означает, что сфера ответственности BSS включает поддержание радиоконтактов с мобильными станциями MS и наземных соединений с сетевой подсистемой NSS. Базовая приемопередающая станция BTS — это сетевой элемент, обслуживающий радиоинтерфейс (интерфейс Um). Он обеспечивает выполнение на радиоинтерфейсе функций сигнализации, шифровки и обработки речи. В этой связи обработка речи подразумевает все методы, используемые BTS по обеспечению гарантированных безошибочных соединений между MS и BTS. Блок транс кодирования и адаптации по скорости TRAN — это элемент BSS, обеспечивающий транскодирование речи (т.е. способность преобразовывать речь из одного формата цифрового кодирования в другой и наоборот).
Центр коммутации мобильной связи MSC — самый главный элемент сетевой подсистемы NSS с точки зрения управления вызовами. Центр коммутации MSC отвечает за управление вызовами, функции управления подсистемой базовых станций BSS, функции взаимодействия, подзарядку, статистику, интерфейсы сигнализации с BSS и интерфейсы с внешними сетями (ТСОП, ЦСИО, пакетные сети). Функционально центр коммутации MSC разделен на две части, хотя физически они могут находиться в одном устройстве. Работа элемента MSC/VLR заключается в поддержке соединений подсистемы BSS, управлении мобильностью и процессами взаимодействия. Шлюз MSC/GMSC — это элемент, участвующий в управлении мобильностью, соединениями и взаимодействием с другими сетями. Домашний регистр HLR — это место, в котором постоянно хранится вся информация об абоненте и его расположении в пределах собственной сети. Регистр HLR хранит сведения о месте нахождения абонента, необходимые также при мар шрутизации. Главная функция домашнего регистра HLR заключается в хранении данных об абоненте и услугах, обработке статистических данных и управлении мобильностью. Гостевой регистр VLR представляет местное устройство хранения всех переменных и функций, необходимых для организации вызовов от мобильных абонентов и к ним в области, отведенной данному VLR. Абонентская информация остается в регистре VLR до тех пор, пока мобильный абонент находится в его области. Главная функция VLR заключается в хранении данных об абоненте, поддержании услуг и мобильности. Идентификационный центр (АиС) и регистр идентификации (опознания) оборудования (EIR) входят составной частью в сетевую подсистему NSS и отвечают за задачи обеспечения безопасности. Центр АиС совместно с VLR обрабатывают информацию по обеспечению безопасности и по идентификации абонентов. Регистр EIR совместно с VLR участвует в обработке информации по обеспечению безопасности и идентификации оборудования мобильных станций (аппаратов).
С точки зрения предоставляемых услуг наиболее примечательная разница между поколениями 1G и 2G состоит в возможности передачи данных. Базовая система GSM предоставляет возможность симметричной передачи данных на скорости 9,6 кбит/с между сетью и оконечной станцией. Набор услуг базовой системы GSM заимствован непосредственно из системы узкополосной ЦСИО, а затем модифицирован применительно к задачам мобильной связи. Эта идея просматривается во всех реализациях GSM. Например, большинство потоков сообщений и процедур обработки на интерфейсах представляют собой адаптированные копии соответствующих решений узкополосной ЦСИО.
2.2. От цифровой передачи к изобилию услуг
Естественный шаг в развитии базовой сети GSM — наложение на существующую инфраструктуру сети узлов и центров предоставления услуг. Технические требования к системе GSM определяют для этой цели некоторые интерфейсы, однако внутренняя реализация центров и узлов услуг не вошла в ее требования. Общее наименование этих центров и узлов — платформа дополнительных, добавленных услуг (VAS). Этот термин адекватно отражает основную цель добавления данного оборудования к сети.
Минимальная платформа VAS обычно включает две части оборудования:
• центр обслуживания коротких сообщений (SMSC);
• система голосовой почты (VMS).
Рис. 2.3. Платформа добавленных услуг
Если говорить о технической стороне вопроса, то оборудование платформы VAS относительно простое и предназначено для предоставления определенного вида услуг. Оно использует стандартные интерфейсы в сети GSM и может иметь или не иметь внешние интерфейсы к другим сетям.
С точки зрения эволюции услуг VAS представляет крошечный шажок к созданию доходной статьи от продажи услуг и частично подтягивает этот вопрос. Пример большого успеха в этом направлении — услуга SMS, которая изначально планировалась в виде небольшой добавки к системе GSM. На сегодняшний день она стала чрезвычайно популярной среди абонентов GSM.
Базовая система GSM и платформа VAS изначально были ориентированы на создание «массовых услуг для массовых абонентов», но с учетом запросов конечных пользователей понадобились услуги более индивидуального характера. Для того чтобы их предоставить, система GSM была интегрирована с концепцией интеллектуальной сети — IN. С технической стороны внедрение функций IN означало необходимость внесения существенных изменений в элементы коммутируемой сети. При этом платформа IN сама по себе достаточно сложна. Интеллектуальная сеть IN допускает эволюцию услуг, делая важный шаг по направлению к индивидуальным услугам («массовая услуга для некоторых людей»). Более того, в интеллектуальной сети IN оператор может использовать в своей работе более надежные методы (например, предоплата абонентов осуществляется в основном по технологии IN).
Технология IN берет свое начало в телефонной сети общего пользования ТСОП и как таковая не приспособлена ко всем требованиям мобильной сети. Из-за этого изначальная концепция IN была переработана и внедрена под именем CAMEL1 (Customized Application for Mobile network Enhanced Logic). Система CAMEL устранила недостатки IN, связанные с неспособностью поддерживать мобильные услуги.
2.3. Прыжок в мир пакетов и высоких скоростей
В начале внедрения GSM абоненты использовали для передачи данных «симметричную трубу» — коммутируемые каналы на скорости 9,6 кбит/с. Благодаря Интернету и появлению электронных сообщений давление на мобиль-< ную связь со стороны передачи данных значительно возросло, что, возможно, было недооценено в то время, когда система GSM была впервые задумана. Для упрощения положения была введена пара усовершенствований. Во-первых, было усовершенствовано кодирование в канале, что позволило повысить эффективную скорость передачи с 9,6 до 14 кбит/с. Во-вторых, для увеличения объема передаваемых данных через радиоинтерфейс была, предоставлена возможность использования нескольких каналов трафика. Такая система получила название «высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов» (HSISD1)- В оптимальной обстановке пользователь может достичь скорости передачи данных до 40—50 кбит/с. Технически такое решение достаточно прямолинейно, но, к сожалению, оно расходовало ресурсы сети; кроме того, некоторые пользователи сети могли быть не рады ценовой политике в этой сфере. Использование HSISD в большой степени зависело от цен на рабочий набор средств. Следующей проблемой стало то, что большая часть трафика передачи данных асимметрична по своей природе. Типичен очень низкий поток данных от абонента сети (восходящая линия) и более высокий поток данных в противоположном направлении (нисходящая линия).
Симметричный интерфейс Um с КК представляет не лучшее возможное средство доступа при передаче данных. Более того, при рассмотрении основных свойств трафика данных, пакетного по своей природе, становится ясно, что для «модернизации» сети GSM следует сделать несколько больше, с тем чтобы она стала пригодной для более эффективной передачи данных. Путь к этому лежит через использование многофункциональной пакетной радиосети (GPRS2). GPRS требует создания двух дополнительных специализированных под услуги мобильной сети узлов: управляющего узла GPRS (SGSN) и шлюзового узла GPRS (GGSN). При наличии этих узлов мобильная станция MS имеет возможность устанавливать в сети GSM соединения с КП к внешним пакетным сетям передачи данных (Интернет).
На рис. 2.4 показана упрощенная схема сети GPRS, основанной на базовой сети GSM. Отметьте, что для полного набора функций GPRS необходимо дополнительное оборудование, такое как брандмауэр для обеспечения безопасности, сервер доменных имен DNS3 для маршрутизации запросов в сети GPRS, сервер динамической конфигурации хоста DHCP4 для присваивания сервером [Р-адресов и т. д. Эти устройства не разрабатывались специально для мобильной сети, а их функции точно такие же, как и у их «двоюродных родственников» в традиционной сети Интернет.
Рис. 2.4. Пакетная радиосеть передачи данных GPRS
GPRS при необходимости может использовать асимметричные соединения, и в силу этого ресурсы сети используются более экономно. Появление GPRS стало тем шагом, который дал сотовому абоненту возможность мобильного доступа к Интернету, хотя и не в полной мере. С точки зрения услуг сеть GPRS открыла новый путь развития, когда все больше и больше традиционных услуг с коммутацией каналов преобразовывается для использования в GPRS, поскольку по своей сути эти услуги больше подходят для соединений с коммутацией пакетов. Примером такого подхода может служить беспроводной протокол (WAP1), потенциал которого широко раскрывается при использовании в GPRS. Кроме того, величайший «убийца услуг» в GSM (а именно SMS) ведет себя оптимальнее при передаче в соединениях GPRS.
При использовании пакетных соединений существенной становится оценка качества услуг (QoS3). В принципе GPRS поддерживает концепцию QoS, a на практике — нет. Причина заключается в том, что трафик GPRS в сети GSM всегда имеет второй приоритет — неиспользованные ресурсы интерфейса Um. Так как объем незадействованных ресурсов заранее точно не известен, то никто не может гарантировать для GPRS определенную полосу частот в течение заданного времени, и поэтому нельзя гарантировать показатели качества QoS. Существует несколько путей обойти эту проблему. Наиболее экономически эффективный путь — это выделить, например, один радиоканал в ячейке (соте) только для целей GPRS. Сделав так, оператор может гарантировать в данной конкретной соте хотя бы какую-то пропускную способность для GPRS. Этот метод тем не менее не дает полного решения проблемы качества QoS, он только упрощает ситуацию и повышает вероятность получение услуги GPRS в перенаселенных и переполненных сотах.
До сих пор в этой цепочке эволюции радиоинтерфейсы GSM использовали традиционную модуляцию GSM, при этом применялись только два режима передачи: высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов (HSCSD) или передача с коммутацией пакетов (GPRS). При использовании GPRS высокоскоростная передача данных проблематична, особенно в нисходящем направлении. При использовании в радиоинтерфейсах совершенно нового вида модуляции — восьмипозиционной фазовой манипуляции ФМН-8, при которой каждый символ передавался по радиоинтерфейсу комбинацией из трех информационных бит, скорость в радиоинтерфейсе можно существенно повысить. Это в сочетании с изощренными методами кодирования позволило достичь скорости передачи данных 48 кбит/с по сравнению с тем, что обычная система GSM могла передавать по каналу только 9,6 кбит/с, и в радиоинтерфейсе один бит представлял один символ. Этот усовершенствованный метод получил название «повышения скорости передачи данных в измененной GSM» (EDGE1).
Первая задача EDGE заключалась в повышении скорости передачи данных в пакетном режиме. Это объясняет, почему в коммерческих предложениях EDGE часто представляют как E-GPRS (Enhanced, улучшенный GPRS). Реализация техники EDGE требует проведения некоторых изменений в сети, особенно в механизме и топологии передачи, транспортировки информации. Доступной скорости передачи BSS в базовой сети GSM уже недостаточно. Эта проблема становится особенно острой, когда оператор увеличивает плотность сайтов и одновременно вводит технологию EDGE. Введение этих двух изменений одновременно может увеличить среднюю скорость передачи на одного пользователя настолько, что передача вообще станет невозможной без проведения соответствующих изменений в сети. Если в подсистеме базовых станций (BSS) реализована технология EDGE, то уже измененную сеть радиодоступа GSM/ EDGE называют GERAN (GSM/ EDGE Radio Access Network).
При введении метода кодирования в канале на основе ФМН-8 теоретически терминал GPRS может работать на скорости до 384 кбит/с. Это требует наличия в терминале GPRS радиоинтерфейса на 8 временных интервалов с наилучшим методом кодирования. Следовательно, скорость передачи данных может составить 8 х 48 - 384 кбит/с. Нужно отметить, что представленные на рынке терминалы EDGE не обеспечивают этого, так как могут одновременно использовать максимум до 4 каналов.
С точки зрения эволюции сети EDGE в общем-то имеет как плюсы, так и минусы. Достигнута хорошая скорость передачи данных, которая становится близкой к городским требованиям UMTS. Недостаток EDGE заключается в том, что предлагаемая скорость передачи данных не обязательно доступна во всей соте. Если система EDGE организована по всей области покрытия, то число сот возрастет чрезвычайно. Другими словами, в некоторых случаях GPRS может представлять слишком дорогое решение. С позиций сегодняшнего дня будущее EDGE видится как дополняющая технология, опирающая-ся на взаимодействие с широкополосной системой многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (WCDMA) UTRAN и сетью доступа GERAN на основе GSM. Эти две сети доступа создают основы принципа доступа, нашедшего развитие в сетях UMTS.
2.4. 3GPP версии 99
Поколение мобильных сетей 3G вводит новый метод радиодоступа — WCDMA. Метод WCDMA и его варианты имеют всеобщий стандарт, следовательно, все сети третьего поколения 3G должны быть способны обеспечивать доступ абонентам любой сети 3G. Кроме того, тщательное лабораторное изучение метода WCDMA показало, что при равных условиях он имеет лучшие спектральные показатели, чем доступ с временным разделением каналов, и более подходит для пакетной передачи, чем радиодоступ, основанный на временном разделении каналов. Метод WCDMA и соответствующее оборудование радиодоступа несовместимы с оборудованием GSM, поэтому при внедрении на сети метода WCDMA необходимо добавлять два новых элемента: контроллер радиосети RNC и базовые станции БС. Часть сети, которая содержит эти элементы и обслуживает радиотехнологию WCDMA, называется «наземной сетью радиодоступа UMTS» — UTRAN.
В то же время одно из ключевых требований к UMTS заключается в необходимости взаимодействия с GSM. Пример такого взаимодействия представляет система сопровождения абонента внутри сети при переходе из одной соты в другую, когда система радиодоступа изменяется от GERAN к UTRAN, и наоборот. Такое взаимодействие поддерживается двумя способами. В первом случае радиоинтерфейс GSM модифицируется таким образом, что становится возможной передача в режиме вещания в нисходящем направлении системной информации о радиосети WCDMA. Конечно, сеть радиодоступа WCDMA также может поддерживать в нисходящем направлении радиовещание с информацией о ближайшей сети GSM. Во втором случае для минимизации затрат на установку технические условия на 3GPP определяют возможность организации такого функционального взаимодействия, при котором развитая система 2G на основе MSC/VLR становится способной поддерживать широкополосный радиодоступ сети UTRAN.
На сегодняшний день с точки зрения услуг возможности, предоставляемые платформой интеллектуальной сети IN, вполне достаточны. Концепция IN непосредственно заимствована из сетей ТСОП и ЦСИО и поэтому имеет некоторые недостатки в отношении использования в мобильных сетях. Главная проблема стандарта IN заключается в том, что сеть IN как таковая не может передавать информацию об услугах между сетями. Эта задача, как уже пояснялось выше, может быть решена с использованием системы CAMEL. Система CAMEL способна передавать информацию об услугах между сетями. Со временем роль CAMEL в реализациях 3G значительно возрастет. Действительно, почти каждая операция, выполняемая в сети 3G, будет находиться под влиянием CAMEL, по крайней мере некоторое время.
В сети стандарта 3GPP R99 внутри сети радиодоступа WCDMA передача соединений в физической среде решена с использованием ATM (асинхронного режима передачи). В рамках проекта FRAMES, предшествовавшего
Рис. 2.5. Реализация сети 3G на основе 3GPP R99.
GGSN — шлюз ядра сети GPRS; SGSN — коммутатор ядра сети GPRS; GERAN — сеть радиодоступа GSM/EDGE; KK — коммутация каналов; КП — коммутация пакетов
стандартизации 3G (1996—1998), долгое время обсуждался вопрос: использовать ATM в сети или нет? Окончательное решение принято в пользу использования ATM по двум соображениям.
• Размер ячейки ATM и поле ее полезной нагрузки относительно невелики. Благодаря этому снижается необходимость в промежуточных преобразованиях и буферизации информации. При излишней буферизации возрастает среднее время задержки, а также статическая нагрузка в оборудовании буферизации. Следует помнить, что буферизация и, следовательно, возникновение задержек оказывают негативное влияние на показатели качества QoS при передаче трафика в реальном масштабе времени.
• Была рассмотрена и другая альтернатива — интернет-протокол IP, в частности его версия IPv4. Но протокол IPv4 имеет некоторые серьезные изъяны, будучи ограниченным своим адресным пространством и отсутствием системы оценки качества услуг QoS. Однако технология ATM и ее классы скоростей очень хорошо подходят к требованиям оценки качества услуг QoS. Это приводит нас к выводу о необходимости комбинирования IP и ATM в пакетных сетях и об использовании IP поверх ATM. Такое решение объединяет лучшие стороны обоих протоколов: IP обеспечивает соединения с другими сетями, a ATM берет на себя обеспечение качества соединений и маршрутизацию. Учитывая недостатки IPv4, был найден компромисс. Определенные элементы сети используют фиксированные типы адресации протокола IPv4, при которых реальные конечные пользователи трафика используют динамически перемещаемую адресацию IPv6, применяемую на сети 3G. В этом случае для адаптации сети 3G к другим сетям магистраль-ная сеть IP 3G должна содержать преобразователи адресов IPv4oIPv6, потому что внешние сети необязательно поддерживают протокол IPv6.
Узлы основной, базовой сети CN также продолжают развиваться технически. Домен (область) с КК способен поддерживать абонентов как 2G, так и 3G. Это приводит к изменениям в оборудовании MSC/VLR и HLR/AC/E1R. Например, механизм безопасности соединений по-разному устанавливается в системах 2G и 3G, и теперь область КК должна поддерживать оба этих механизма. Область КП — это, по существу, усовершенствованная система GPRS. И хотя названия элементов здесь такие же, как и в сетях 2G, но их функции различаются. Наиболее существенные изменения касаются функций узла SGSN, которые сильно различаются по сравнению с 2G. В сетях 2G узел SGSN отвечает в основном за управление мобильностью ММ пакетных соединений. В сетях 3G система управления мобильностью ММ, по существу, разделена между RNC и SGSN. Это означает, что каждое перемещение абонента из одной соты в другую, происходящее в системе UTRAN, не обязательно видимо в домене с коммутаций пакетов КП, но контроллер радиосети RNC управляет этой ситуацией.
Сеть 3G, реализованная согласно требованиям 3GPP R99, предлагает те же услуги, что и сеть GSM Phase2+. Это означает, что доступны все те же дополнительные услуги, но гслеуслуги и гранспортныс услуги имею! различные реализации, хотя это остается незаметным для абонента. Телефонный вызов — это все еще телефонный вызов, не имеет значения, сделан ли он по каналу GSM или использует полосу частот 3G. Сеть 3G на этом этапе может предлагать ряд новых услуг, недоступных в GSM, например, вызов видео. Различные текущие услуги и сообщения мультимедиа, использующие местные службы (LCS), могут служить хорошим примером этого. На данном этапе большинство услуг перемещаются, передаются или конвертируются в домен КП всякий раз, когда это возможно и оправданно.
Новые услуги требуют новых платформ для своей реализации. Давайте начнем с беспроводного протокола WAP, который был уже представлен выше в контексте GSM и GPRS. Протокол WAP имеет свои собственные ограничения, а содержание, которое выдается оконечному пользователю, не представлено во всех случаях. Развитие оконечного оборудования сделало возможным использование в сети более совершенных методов. Вместо чистого протокола WAP нам следует говорить, что оконечное оборудование использует функции окна просмотра, поддерживаемые сетью. Эти функции просмотра реализуются с помощью спецификаций языка XML. Пользователь наблюдает это на цветном дисплее как законченный результат обзора в отформатированном виде, очень похожем на тот, который представляется при обращении в Интернет на обычном настольном компьютере.
Функции просмотрового окна — это своего рода краеугольный камень услуг сети 3G, предлагаемых абоненту. Другую очень привлекательную платформу услуг на этом этапе представляет прикладной набор USAT SIM UMTS, который организует возможность использования SIM-карт в радиоэфире. Вообще, персонифицированные услуги становятся очень интересным направлением. Одно из направлений таких услуг — доставка информации, зависящая от местонахождения абонента. Для этого сеть 3G располагает платформой, способной использовать LCS.
2.5. 3GPP версии 4 (3GPP R4)
Для упрощения темы отметим, что реализация 3GPP R99 — это мобильная сеть, основанная на принципах GSM, которая содержит две различные сети доступа и передает трафик с коммутацией каналов (КК) и пакетов (КП) с переменной скоростью.
Согласно опубликованным работам об эволюции 3GPP в сети 3GPP R4 должен быть реализован ряд основных пунктов. С точки зрения сетевой архитектуры наиболее важными представляются функции дуплексной ретрансляции с частотным разделением FDD UTRA, транспортные протоколы базовой сети CN на основе JP и независимая от переноса информации базовая сеть с КК.
Радиодоступ WCDMA в отличие от радиодоступа GSM предоставляет чудесные возможности увеличения покрытия и «перераспределения» пропускной способности в области радиопокрытия. Однако это непростой вопрос и система ретрансляции оказывает свое влияние, например, на LCS. Версия 3GPP R4 позволяет при желании преобразовывать набор протоколов таким образом, что протоколы передачи становятся протоколами IP. Третий упомянутый пункт — базовая сеть с КК, независимая от переноса информации и дающая возможность модульного расширения системы. Обычная станция MSC содержит коммутационное и управляющее оборудование, однако эти два типа оборудования не обязательно должны «идти рука об руку». Концепция 3GPP R4 указывает путь разделения этих двух типов оборудования на два различных узла.
Узел, обслуживающий соединения с КК, называется «медиашлюзом с коммутацией каналов» (CS-MGW) и обеспечивает сопровождение по установлению соединений на физическом уровне. Узел, который обеспечивает управление пропускной способностью соединений, называется «сервером MSC». Сервер MSC и шлюз CS-MGW используют режим связи «точка—многоточие», т. е. один сервер MSC может управлять несколькими CS-MGW. При такой организации оператор имеет возможность оптимизировать физическую длину абонентских сооружений своей сети. Это, в свою очередь, помогает нам продвигаться к транспортной сети на основе технологии IP.
2.6. Пятая версия 3GPP (3GPP R5)
После версии 3GPP R4 целью стала реализация следующих основных функций:
• Транспортировка на основе IP по всей системе от базовой станции БС до пограничных сетевых шлюзов.
• Введение мультимедийной подсистемы IP (IMS) для широкого внедрения различных мультимедийных услуг.
• Унификация открытых интерфейсов между различными базовыми сетями и сетями доступа.
• Повышение пропускной способности радиоинтерфейсов UTRAN в направлении нисходящих линий
.
Эти основные пункты, выделенные для реачизации в концепции 3GPP R5, упрощают структуру сети, делая окружение транспортного протокола однотипным,
Рис. 2.6. Сценарии внедрения 3GPP R4
допускающим более прямолинейные решения, чем это было возможно в реализации R3. Первый упомянутый пункт — транспортировка IP по всей системе, начиная от БС, — ставит своей целью упрощение структуры такой транспортной сети.
С точки зрения услуг главную роль в R5 и более поздних реализациях будет играть мультимедийная система IMS. IMS представляет собой отдельное системное решение, способное использовать различные сети, одна из которых и есть UMTS. IMS позволяет абоненту использовать сложные услуги по передаче сообщений и мультимедиа. Структура IMS описывается в главе 6, а некоторые аспекты соответствующих услуг обсуждаются в главе 8.
С точки зрения абонента концепция UMTS нацелена на гармонизацию структуры сети (т. е. абоненту нет необходимости знать, по какой системе доступа он пользуется сетью или получает услугу). Чтобы сделать это положение действенным на практике, нужно гармонизировать между собой как можно больше сетей. Отправной точкой для такой гармонизации служит интерфейс Iu между базовой сетью CN и сетью доступа. Система UTRAN имела интерфейс Iu с самого начала, а система GERAN нет. Поэтому одна из основных задач 3GPP R5 заключается в таком изменении сети GERAN, чтобы она была функционально совместима с UTRAN. Когда эти изменения будут сделаны, то GERAN сможет работать в режиме интерфейса Iu. С тем чтобы сделать функции радиосвязи с абонентом как можно более ровными, системы UTRAN и GERAN имеют между собой определенный интерфейс, обозначаемый как Iur-g. Интерфейс Iur-g используется только для целей сигнализации.
На данном этапе ожидается, что основная часть используемых услуг будет асимметрична по своей природе, когда входящая к абоненту линия передает больший объем информации, чем исходящая от него. Чтобы лучше приспособить систему UTRAN к этой ситуации, был предложен ряд усовершенствований
Рис. 2.7. Сценарии внедрения 3GPP R5
радиотракта UTRAN. Эти изменения известны как «высокоскоростная нисходящая линия пакетного доступа» (HSDPA). Такое решение задействует радиотракт, БС и рабочие приемопередающие каналы, организованные в UTRAN. Более детально вопросы HSDPA обсуждаются в главе 4.
2.7. Тенденции развития после 3GPP версии R5
Что будет после 3GPP R5? Не существует точного ответа на этот вопрос, однако общая тенденция очевидна.
На IP возлагается надежда на замещение других транспортных технологий по всей транспортной сети и ожидается, что IP послужит также основным методом реализации услуг, доступа к ним и управления сетью. Другими словами, все реализованные тем или иным способом решения IP, вероятно, будут составлять наиболее значительную тенденцию после 3GPP R5.
Со стороны услуг ожидается появление так называемых симметричных услуг с использованием IP. Такой вид услуг возможен, например, при проведении интерактивных видеоконференций в реальном времени. Когда эти услуги станут доступными для публики, то опять возникнет проблема пропускной способности радиоинтерфейса. В версии 3GPP R5 метод HSDPA увеличил пропускную способность в нисходящем направлении. Чтобы использовать упомянутые выше услуги, необходимо, чтобы и исходящая радиолиния располагала большей пропускной способностью. Для этой цели будут вводиться технологии, называемые высокоскоростной пакетной восходящей линией доступа HSUPA.
Третья тенденция связана с развитием гармонизации. С этой целью 3GPP постоянно работает над изучением вопросов, касающихся многостанционного доступа и организации взаимодействии между различными методами доступа.
ГЛАВА 3
ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ПРОБЛЕМЫ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ
Синек Найан и Хейки Кааранен
(Siamak Naghian and Heikki Kaaranen)
Цель данной главы заключается в том, чтобы дать краткое представление об основных проблемах, связанных со структурой мобильной сети: во-первых, показать читателю причины ограничений и возможностей, обусловленные архитектурой любой системы радиосвязи и, во-вторых, дать обзор общих решений, в частности универсальной системы мобильной связи (UMTS).
На рис. 3.1 показаны основные компоненты мобильной сети, которые могут создавать проблемы структурного характера. Фундаментальные ограничения радиосвязи, проблемы при ретрансляции, роль и необходимость управления сетью и, наконец, ограничения, связанные с дефицитом радиочастот — вот основные факторы, ограничивающие развитие мобильной сети. Для создания оптимальной структуры сети необходимо, чтобы эти компоненты развивались в тесной связи с разрабатываемыми решениями и в гармонии со всей архитектурой сети в целом.
Рис. 3.1. Основные проблемы построения архитектуры сети мобильной связи
3.1. Ограничения радиосвязи
Использование радиосвязи началось с момента, когда в 1887 году Герц экспериментально доказал взаимосвязь между светом и электричеством, после того как в 1864 году Максвелл вывел основные уравнения электромагнитных полей. Затем в 1896 году Маркони использовал радиоволны для связи и изобрел радиотелеграфию.
Основные принципы радиосвязи базируются на использовании радиоволн в качестве передающей среды. Как явление природы, радиоволны относятся к электромагнитным полям. В определенных условиях изменяющиеся во времени электромагнитные поля создают волны, которые излучаются от источника в окружающую среду. Этим источником может быть, например, передатчик базовой станции или мобильный телефон. Свойства радиоволн зависят от источника и в значительной степени зависят от среды, в которой они распространяются. Соответственно, вся система радиосвязи зависит от параметров окружающей среды и ее свойств, например наличия гор, возвышенностей, огромных отражателей в виде зданий, состояния атмосферы и т. д.
Любая система радиосвязи состоит, по крайней мере, из двух элементов: передатчика и приемника. Как и в системе мобильной связи, эти два элемента могут быть объединены в одном устройстве (приемопередатчик), что дает ему возможность работать как передатчиком, так и приемником. Примерами таких устройств служат и базовая станция, и телефонная трубка любой современной системы мобильной связи общего пользования. На рис. 3.2 показана простейшая система радиосвязи, состоящая из одной базовой станции и одной мобильной станции. Предположим, что в определенный момент времени и при определенных условиях передающей среды базовая станция действует как передатчик. Радиосигнал распространяется от базовой к мобильной станции со скоростью света, и напряженность принятого телефонной трубкой сигнала зависит в основном от расстояния до базовой станции, длины волны и состояния среды передачи.
Параметрами передающей среды, оказывающими влияние на распространение радиоволны, могут быть любые искусственные или естественные препятствия, например высотные строения, рельеф местности, погодные условия и т. д. Если они находятся между передатчиком и приемником, то влияют на длину пути, фазу и время распространения сигнала. Кроме того, параметры системы (например, высота антенны и направление излучения), в свою очередь, оказывают собственное влияние на длину пути, напряженность и затухание сигнала. Поэтому природа радиосвязи сама по себе вносит
Рис. 3.2. Основные элементы системы радиосвязи
Рис. 3.3. Условия распространения: отражение, рассеяние и дифракция
ряд ограничений. Любая система радиосвязи сталкивается со следующими главными проблемами:
• явлением многолучевого распространения;
• явлением замирания;
• дефицитом радиоресурса.
Многие считают, что многолучевое распространение представляет преимущество радиосвязи, поскольку позволяет радиоприемнику слышать базовую станцию даже при отсутствии прямой видимости. Но в то же время многолучевое распространение усложняет систему, задавая определенные требования и накладывая ограничения на структуру приемника и передатчика. Чтобы понять характер системы радиосвязи, необходимо хорошо понимать характеристики, описанные выше.
Факторы, влияющие на распространение радиосигнала, чрезвычайно динамичны, непредсказуемы и разнообразны. Несмотря на это, чтобы смоделировать явление распространения, необходимо отсортировать и смоделировать эти факторы таким образом, чтобы их можно было преодолеть. Как показано на рис. 3.3, на своем пути от передатчика к приемнику радиоволна рассеивается, отражается и испытывает дифракцию кроме тех компонентов, которые распространяются непосредственно по линии прямой видимости.
Эти явления создают условия многолучевого распространения, вызывающего флуктуации амплитуды, фазы и угла поступления сигнала, которые проявляются в виде замираний многолучевого распространения. Отражение возникает в результате столкновения электромагнитной волны с препятствием, размеры которого намного превышают длину волны радиосигнала. В результате этого волна, которая могла быть получена приемником, например мобиль-ной или базовой станцией, отражается. В свою очередь, дифракция, которая называется также «затушевыванием граней», проявляется при столкновении радиоволны с препятствием, размеры которого примерно равны или меньше длины волны радиосигнала. Все это вместе объясняет, как радиоволны могут проходить в радиосети даже при отсутствии прямой видимости.
Каждое из упомянутых выше свойств распространения или их комбинации случайным образом влияют на мощность принимаемого приемником сигнала. Кроме того, иерархическая структура сети, мобильность абонентов, внутренние и внешние зоны покрытия ставят некоторые специфические задачи в отношении среды распространения сигналов и усложняют разрешение проблем.
Каким образом, однако, можно с нужной точностью предсказать влияние всех этих явлений на радиосигнал? Существуют способы смягчения влияния параметров распространения на устойчивость радиоканала: энергетический баланс канала и временная дисперсия. Основная идея энергетического баланса (или «бюджета») линии заключается в определении ожидаемого уровня сигнала на заданном расстоянии от передатчика, например базовой или мобильной станции. Моделируя условия энергетического баланса линии, можно определить основные параметры радиосети, такие как требуемая мощность передатчика, зона покрытия и срок службы батарей. Вычисление энергетического баланса линии можно выполнить с помощью оценки потерь трассы сигнала. Кроме того, оценка потерь может быть выполнена по модели свободного пространства. В идеальной модели свободного пространства напряженность сигнала между базовой и мобильной станциями изменяется по закону квадрата обратной пропорциональности.
Из-за различий в условиях окружающей среды в мобильной сети связи почти невозможно заранее определить все параметры, влияющие на процесс моделирования и проектирование системы. Поэтому были разработаны некоторые общие модели, такие как модель Окумуры—Гата1, которая в некоторой степени отображает наиболее типичные случаи. Однако для учета влияния замираний в радиоканале только энергетического баланса линии недостаточно. Вместо этого следует учитывать эффект многолучевого распространения в терминах временной дисперсии. Это может быть выполнено с помощью оценки колебаний задержки времени распространения сигналов относительно сигналов, которые уже достигли приемника.
Типичный процесс замирания показан на рис. 3.4. Как видно, любой процесс замирания имеет два различных участка. Спад кривой говорит о снижении интенсивности сигнала, а подъем кривой представляет нежелательную интерференцию. Поэтому комбинация этих простых кривых может использоваться для аппроксимации огибающей процесса замирания и, соответственно, следует определить действия в отношении к процессу замираний, чтобы компенсировать колебания сигнала относительно нужного среднего значения.
Рис. 3.5 иллюстрирует основные виды замираний, которые в том или ином виде могут появиться в любой радиосети. Основные классы замираний в радиоканале представляют глубокие и неглубокие замирания. Глубокие замирания — это
Рис. 3.4. Типичный сигнал с замираниями при 1-, 2- и 4-лучевом распространении
затухание средней мощности сигнала или потеря трассы вследствие передвижения устройства по зонам между базовой и мобильной станцией. Неглубокие замирания проявляются в результате быстрых изменений амплитуды и фазы сигнала между базовой и мобильной станциями. Неглубокие замирания называют еще рэлеевскими замираниями или райсов-скими замираниями в зависимости от характеристики отраженных трасс {линий непрямой или прямой видимости). Неглубокие замирания могут быть далее разделены на частотно-избирательные замирания, плавные замирания, быстрые и медленные замирания. Радиоканал нужно моделировать по типу замираний в нем.
Обычно радиоканал мобильной связи подвержен замираниям, которые вне линии прямой видимости с большой вероятностью содержат составляющую рэлеевского замирания, что усложняет работу канала. В результате сигнал поступает на мобильную станцию из многих направлений с разными задержками. Это приводит к значительным разностям фаз между сигналами, поступившими по разным каналам. Кроме того, замирание в радиоканале в значительной степени зависит от физического расположения и скорости передвижения мобильной станции. Даже незначительное изменение положения или передвижение мобильной станции может привести к различным фазам для каждого сигнала.
Рис. 3.5. Классификация замираний в радиоканале
Таким образом, передвижение мобильной станции по радиосети может привести к быстрым замираниям, действие которых на радиосигналы может быть крайне разрушительным, и вынуждает предъявлять жесткие требования к задачам планирования и оптимизации радиосети.
Предположим, что радиосигнал передается в направлении от базовой к мобильной станции с постоянной мощностью передачи. Тогда замирание напряженности сигнала, передаваемого от базовой станпии, может рассматриваться на приемнике мобильной станции как функция, обратная расстоянию, т. е. по мере увеличения расстояния между мобильной и базовой станциями напряженность сигнала, принятого на мобильной станции, уменьшается. Предположим также, что ширина полосы частот при передаче от мобильной станции к базовой и от базовой к мобильной остается неизменной. Средние потери в канале, которые распределены по логарифмически нормальному закону, одинаковы для обоих направлений. Если для восходящего и нисходящего направлений передачи используются каналы с разной шириной полосы частот, то обычно рэлеевские замирания для каждого направления независимы. Это означает, что если в восходящем канале наблюдаются замирания, то необязательно в это же время происходит замирание в нисходящем канале, и наоборот.
В каждой системе радиосвязи кроме проблем, связанных с замираниями и многолучевым распространением, существует и большая проблема взаимных влияний или помех. Основными причинами взаимных помех являются одновременные подключения к базовой станции, и если они используют общую полосу частот, то проблема усугубляется. Это создает наиболее сильный источник взаимных помех в радиосистемах многостанционного доступа. Минимизация нежелательных воздействий замираний и взаимных помех, а также оптимизация использования дефицитных радиоресурсов в значительной степени зависят от существующего планирования сети, применяющихся методов радиодоступа и алгоритмов, используемых для управления радиоресурсами, принципами сотовой связи, методами модуляции, современными антеннами и т. д. Поэтому, прежде чем давать более подробное описание аспектов взаимных влияний в радиосистемах, мы перейдем к описанию принципов сотовой системы как фундаментального решения, смягчающего эффект снижения пропускной способности радиосистем из-за потерь в радиотракте, замираний и взаимных влияний.
3.2. Принципы сотовой системы радиосвязи
Простая система радиосвязи, описанная в данной главе выше, не может обеспечить доступ большому количеству конечных пользователей, и как только возникает перегрузка, в сети возникают проблемы из-за ограничения пропускной способности системы. Изложим основные проблемы, связанные с фундаментальными характеристиками радиосвязи в подобной простой системе.
Во-первых, для обеспечения одновременной двусторонней связи сеть радиосвязи общего пользования должна иметь дуплексную систему организации передачи. Поэтому непрактично предлагать такие услуги, как, например, радиовещание. Кроме того, интенсивность сигнала в приемнике ухудшается по мере увеличения расстояния между передатчиком и приемником, что в результате делает качество обслуживания (QoS) в зонах, удаленных от передатчика, неприемлемым. Во-вторых, каждый передатчик может предложить конечным пользователям для одновременного использования только ограниченное количество радиолиний или каналов. Другого пути устранения этих ограничений, кроме адаптации структуры сети, не существует.
Принцип сотовой связи дает достаточно основательное структурное решение. Главная идея проста. Предположим, что мы планируем радиосеть для большого города, в котором находятся миллионы пользователей мобильной связи. Согласно принципу сотовой связи большая территория подразделяется на ряд меньших зон обслуживания, которые называются сотами. Каждая сота имеет свою собственную базовую станцию, одновременно обеспечивая пропускной способностью заданное количество абонентов, с использованием маломощных сигналов. На рис. 3.6 показан пример кластера сотовой сети из 7 сот.
Сущность радиосвязи и принцип разбиения на соты — это те отправные точки, которые положены в основу современных мобильных сетей. На рис. 3.7 показана структура радиосети, построенной по принципу сотовой связи. Любая современная сотовая сеть состоит из базовых станций, коммутируемой сети и сети стационарной связи для передачи информации на магистральном участке сети.
Сотовая структура радиосети решает основные проблемы, связанные с ограничениями пропускной способности радиосистемы, но сталкивается с новыми проблемами, а именно:
• помехи вследствие сотовой структуры, включая между- и внутрисото-вые взаимные помехи;
Рис. 3.6. Кластер сотовой сети из 7 сот
• проблемы мобильности абонентов;
• дефицит радиоресурса в каждой соте.
Представим сотовую систему с асинхронными пользователями, совместно использующими одну и ту же ширину полосы, которые обслуживаются одной базовой радиостанцией в каждой зоне покрытия или соте. При этом каждая базовая станция принимает помехи не только от мобильных устройств домашней соты, но и от мобильных устройств и базовых станций, расположенных в соседних сотах. В зависимости от источника помех они могут классифицироваться как внутрисотовые (помехи совмещенного канала), межсотовые (помехи смежных сот) и помехи, обусловленные тепловым шумом. Поэтому, как показано на рис. 3.8, для того чтобы справиться со
всеми помехами, необходимо исследовать помехи абонентских терминалов, помехи внутри домашней соты и от соседних сот.
Для смягчения действия помех, влияния многолучевого распространения и потерь в тракте, в сотовой сети применяют метод повторного использования частот, при котором в каждой соте кластера используются различные частоты. Поэтому коэффициент повторяемости частот служит основным параметром сотовой сети и отчасти может служить показателем эффективности использования спектра частот в сети. Оптимизируя коэффициент повторяемости частот, можно значительно уменьшить помехи смежных сот и совмещенного канала, улучшить использование пропускной способности и показателей рабочих характеристик радиосети общего пользования в целом. На рис. 3.9 приведен пример организации повторного использования частот с коэффициентами повторного использования (FR1), равными 7 и I.
Построение сети по сотовому принципу увеличивает пропускную способность радиосистемы, особенно при повторном использовании частот с высокими коэффициентами повторяемости. Чем меньше сота, тем более эффективно используется диапазон радиочастот, но, соответственно, повышается стоимость системы, поскольку требуется большее количество базовых станций. Построение многоуровневой сети с макро-, микро- и пико-сото-вой структурой позволяет усовершенствовать принципы сотовой структуры и повторного использования частот и повысить пропускную способность системы.
В задачу планирования сети входит выбор оптимального сочетания структуры сети и повторного использования частот для повышения пропускной способности системы. Следует избегать нежелательного увеличения количества базовых станций, снижающего экономические показатели системы. При этом подразумевается, что исходная структура сети допускает такое сочетание и оптимизацию. Эти решения предъявляют к управлению сетью новые требования; например, в сети должны быть предусмотрены функции мобильности устройства и управления передачей вызова (хэндовер).
3.3. Методы многостанционного доступа
Основная идея внедрения принципа сотовой сети состояла в преодолении ограничений пропускной способности, однако этот принцип не помогает снять ограничение пропускной способности внутри каждой соты при одновременных вызовах. С точки зрения использования диапазона радиочастот чрезвычайно важно знать, как радиоресурсы распределяются между одновременными вызовами. Контроль радиоресурсов стал одной из наиболее важных характеристик любой мобильной сети, обслуживающей большое количество абонентов.
Для решения проблемы распределения радиоресурса при множестве одновременных вызовов были разработаны методы многостанционного доступа. Основной принцип любой схемы многостанционного доступа заключается в том, чтобы решить, как распределить имеющейся диапазон частот. И снова основные проблемы, с которыми сталкиваются решения многостанционного доступа, касаются внутренних характеристик радиосистем: ограничение ширины полосы частот, многолучевое замирание, взаимные помехи пользователей сети, в которой используется сотовый принцип построения и повторное использование частот. Эффективное использование частот означает, что в пределах установленных параметров должно быть максимальное количество одновременных пользователей фиксированной ширины полосы.
Для решения этой задачи были разработаны различные методы многостанционного доступа. В аналоговых сотовых сетях широко используется метод многостанционного доступа с разделением каналов по частоте — МДЧР1, при котором каждый абонент использует свою собственную частоту или канал либо их набор, как показано на рис. 3.10. Если рассматривать количество возможных радиосоединений, это означает, что одной частоте соответствует один пользователь и один канал (1 частота = 1 абонент = 1 канал). Для данного метода многостанционного доступа характерно неэффективное использование частотного ресурса мобильной системы связи общего пользования.
Поэтому уже на раннем этапе развития систем радиосвязи был разработан более эффективный способ использования частотного ресурса. Этот метод, позволяющий повысить пропускную способность системы, называется многостанционным доступом с временным разделением каналов МДВР2. Это наиболее распространенный метод многостанционного доступа, который использовался в системах сотовой связи 2-го поколения, таких как GSM. Кроме того, широко используются цифровые системы передачи на основе МДВР. Возможно, наиболее известной из них является система передачи ИКМ на основе требований Рекомендации МСЭ-Т G.703.
В системе GSM пользователи определенной частоты делят ее использование во времени: каждый пользователь имеет промежуток времени (временной интервал) для различных операций. Как показано на рис. 3.11, эти временные интервалы часто повторяются, что создает впечатление непрерывной передачи. Такая система позволяет одновременно обслужить несколько пользователей — столько, сколько имеется временных интервалов. В GSM одна и та же частота одновременно используется восемью абонентами.
Рис. 3.11. Многостанционный доступ с временным разделением каналов МДВР (TDMA)
Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов МДКР' представляет еще один метод многостанционного доступа, используемый для тех же целей, что и МДЧР и МДВР. Однако он решает ту же проблему, используя совершенно другой принцип разделения частотного диапазона. Метод МДКР (CDMA) основан на использовании расширения спектра сигналов, и, возможно, представляет одну из самых сложных схем, которые когда-либо использовались в различных мобильных системах, в частности, в UMTS.
На рис. 3.12 показан принцип распределения радиоресурсов в системе МДКР. В отличие от схем МДЧР и МДВР в МДКР (CDMA) радиоресурс распределен по кодам. Таким образом, все одновременные пользователи могут занять одну и ту же полосу в одно и то же время. Каждому пользователю присваивается код/коды, отличающиеся числом транзакций, и эти коды используются для разделения сот, каналов и абонентов. Все абоненты одновременно используют одну и ту же полосу частот, и, следовательно, в отличие от систем МДВР и МДЧР, разделение на временные или частотные интервалы отсутствует:
• Если скорость передачи данных источника невысокая, то спектр сигнала может быть хорошо расширен, а требуемая мощность передачи будет малая. Этот случай обозначен на рис. 3.12 более тонким слоем.
Рис. 3.12. Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов МДКР (CDMA)
• Если скорость передачи данных источника высокая, то сигнал уже не может быть так же хорошо расширен и, таким образом, требуемая мощность передачи будет более высокой. Этот случай обозначен на рис. 3.12 более толстым слоем.
В отличие от методов многостанционного доступа с ограниченной полосой частот, таких как МДЧР и МДВР, которые из-за высокой степени повторного использования частот подвержены главным образом внутриканаль-ным влияниям, в системах CDMA наиболее опасный тип помехи представляют взаимные влияния между пользователями в восходящих линиях. Одна из основных причин заключается в том, что взаимные влияния между пользователями в восходящих линиях возрастают из-за накопления суммарной мощности сигналов одновременно работающих в одной соте пользователей, а качество работы каждого отдельного пользователя при этом ухудшается.
В зависимости от типа расширяющего сигнала, используемого для модуляции, метод МДКР (CDMA) может быть разбит на следующие группы:
• МДКР с прямым расширением спектра — DS-CDMA;
• МДКР со скачкообразной перестройкой частоты (частотный скачок) — FH-CDMA;
• МДКР с перестройкой во времени (временной скачок) — TH-CDMA;
• МДКР с гибридной модуляцией — HM-CDMA;
• МДКР с несколькими поднесушими —MC-CDMA.
В схеме с прямым расширением спектра (DS-CDMA) сигнал данных на передающей стороне (например, мобильной или базовой станции) скрембли-руется псевдослучайной последовательностью ПСП', присвоенной пользователю для расширения сигнала с требуемой скоростью чип-кодирования и защищенностью. В приемнике (мобильная или базовая станция) исходный сигнал выделяется с помощью точно такой же расширяющей кодовой последовательности. Предполагается, что в результате каждый бит сигнала будет расширен по всей ширине полосы частот радиоканала. Именно поэтому в отличие от узкополосных сотовых систем помеха может генерироваться во всех направлениях, как показано на рис. 3.13.
Рис. 3.13. Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра (DS-CDMA).
DS — прямая последовательность. Информация равномерно распределена по частотному спектру
Рис. 3.14. Многостанционный доступ со скачкообразной перестройкой частоты (FH-CDMA)
Коэффициент повторного использования частот в системе DS-CDMA равен единице, т. е. все пользователи для передачи своей информации одновременно используют общую частотную полосу. Преимуществом DS-CDMA является устойчивость к замираниям при многолучевом распространении сигнала. Действительно, в системах, основанных на методе МДВР, таких как GSM, аналогичное преимущество достигается при использовании метода скачкообразного изменения частоты, который можно сравнить со схемой расширения спектра. Но в случае совместного использования частотного спектра система более, чем МДВР и МДЧР, уязвима к воздействию взаимных помех, создаваемых при работе нескольких пользователей.
Как показано на рис. 3.14, при «частотном скачке» FH-CDMA изменение несушей частоты в процессе передачи сигнала расширяет используемый диапазон частот. Таким образом, если в течение определенного периода времени несущая частота остается неизменной, а затем скачкообразно перестраивается на другую частоту по правилу расширяющей кодовой последовательности, то это приводит к расширению спектра сигнала.
В зависимости от скорости скачкообразной перестройки частоты несущего сигнала FH-CDMA подразделяется на две группы: метод быстрой скачкообразной перестройки частоты и метод медленного скачкообразного изменения частоты. При модуляции с быстрой скачкообразной перестройкой частоты период перестройки частоты обычно больше, чем длительность передачи символа, в то время как при медленной перестройке частоты период перестройки обычно меньше длительности передачи символа. Некоторые важные процедуры CDMA, например управление мощностью, намного легче реализовать и выполнить при FH-CDMA, чем при DS-CDMA. Это отчасти связано с применением частотного разделения в том варианте метода FH-CDMA, который используется в сотовой связи. Однако реализация быстрой скачко-образной перестройки частоты в FH-CDMA является более сложной задачей.
Рис. 3.15. Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов по нескольким поднесущим (MC-CDMA). МС — многочастотная несущая МС
Рис. 3.16. Многостанционный доступ с ортогональным разделением частот (OFDMA)
В схеме «временного скачка» TH-CDMA переданный сигнал делится на кадры, которые далее делятся на временные интервалы. В процессе передачи пакета данных происходят скачки кадров по правилу, задаваемому кодовой последовательностью. При этом главная цель — выбрать такую кодовую последовательность, чтобы свести к минимуму одновременную передачу сигналов на одной частоте. Самой важной идеей такого подхода является объединение достоинств описанных ранее методов и создание удобных схем для большинства конкретных приложений. Комбинирование описанных схем CDMA дает различные гибридные схемы, такие как DS/FH, DS/TH/ FH/TH и DS/FH/TH.
Метод с несколькими поднесу-щими (MC-CDMA) в отличие от DS-CDMA использует в полосе частот не одну, а несколько несущих частот (см. рис. 3.15). Поэтому передатчик MC-CDMA, по существу, расширяет исходные сигналы на различных поднесущих, используя различные полосы частот с указанием расширяющей кодовой последовательности в запросе частоты. Схемы MC-CDMA подразделяются на две основные группы. Методы одной группы расширяют поток данных, используя заданный расширяющий код, а затем модулируют его на различных поднесущих, в то время как методы другой группы в основном аналогичны DS-CDMA.
В дополнение к широко распространенным методам многостанционного доступа, описанным ранее, в области связи недавно возник интерес к многостанционному доступу с ортогональным разделением частот (OFDMA). Как показано на рис. 3.16, при использовании метода OFDMA за различными одновременными пользователями закрепляются отдельные тональные сигналы или группы сигналов. Поскольку совместно используемая полоса частот основана на ортогональном разделении тональных сигналов, то эффективность использования ширины полосы частот может быть повышена. Количество выделенных тональных сигналов может динамично подстраиваться в соответствии с количеством передаваемых данных. Метод OFDMA может использовать различные схемы скачкообразной перестройки в сочетании с временным разделением каналов. При объединении со скачкообразной перестройкой частоты, он может легко реализовать преимущества, обеспечиваемые методом расширенного спектра.
3.4. Мобильность устройств
Мобильность позволяет связаться с конечным пользователем в любом месте и в любое время, но она предъявляет жесткие требования к архитектуре сотовой сети. Кроме серьезных проблем, возникающих в многолучевом распространении сигнала при передвижении мобильного устройства, а именно замираний и разброса по доплеровской частоте, одной из наиболее проблемных (но неотъемлемых) задач любой сотовой сети является сохранение связи движущегося устройства с сетью и обеспечение его мобильности.
Вообще, сетевая архитектура принимает этот вызов, поддерживая такие функции, как поиск абонента, корректировка местоположения и переключение соединения (передача обслуживания). Механизм переключения гарантирует, что всякий раз, когда мобильный аппарат перемещается из одной зоны/соты базовой станции в другую, радиосоединение переключается на направляемую базовую станцию без прерывания соединения. Однако процедура корректировки местоположения позволяет сети отслеживать перемещение абонента в рамках зоны покрытия сети, в то время как система поиска (пейджинг) используется для установления связи с мобильным телефоном, к которому направлен вызов. Корректировка местоположения и механизм поиска гарантируют, что контакт с мобильной станцией может быть установлен, даже если между мобильным телефоном и сетью отсутствует постоянно действующий радиоканал. В связи с этими функциями особое внимание следует уделить сокращению до минимума расхода энергии, потребляемой мобильным устройством.
Для отслеживания мобильного устройства вся географическая зона поделена на области (зоны) местоположения — LA, которые состоят из логических групп сот (рис. 3.17). Корректировка местоположения происходит, когда мобильная станция включилась или изменяет LA. Мобильный телефон приводит в действие процедуру корректировки местоположения, запрашивая ее у сети. После проверки абонентской информации сеть на запрос посылает ответ о корректировке местоположения, в результате чего предоставляется новая информация о местоположении, а старая аннулируется. Это выполняется либо периодически, либо в заранее установленное время.
В системе поиска при адресации к мобильному устройству его настоящее место определяется по запросу домашнего и гостевого регистров HLR и VLR соответственно. Если при поиске используется вся область местоположения,
Рис. 3.17. Взаимосвязь между сотой, зоной поиска (пейджинга) ЗП и зоной местонахождения ЗМ
то такой метод называется «одновременным поиском» или «одновременным пейджингом». Кроме того, для нахождения мобильного устройства может просматриваться часть области местоположения, известная как «зона поиска — пейджинга». Если искомый абонент не обнаружен с первой попытки, то проводится последовательный просмотр зон поиска, пока местонахождение абонента не будет определено. Такой метод известен как «последовательный поиск».
Однако эти простые механизмы становятся причинами серьезных проблем, когда количество мобильных трубок в сети сотовой связи увеличивается, стоимость управления сигнализацией повышается, а радиоресурсы расходуются неэффективно. Причина проблем, заключается в основном в увеличении количества входящих вызовов и частоты пересечения границ. Сейчас для получения большей пропускной способности сети дробят на соты, что приводит к увеличению объема сигнализации. Для сведения служебной информации к минимуму и оптимизации пропускной способности сети размеры сот, зон поиска и местонахождения должны быть точно отрегулированы. При одновременном поиске в предположении, что зоны местоположения и поиска равны, до тех пор пока не изменится область местоположения, процесс поиска и трафик доступа противодействуют друг другу. Другими словами, хотя зоны местоположения малого размера и создают меньший поисковый трафик, но они создают больший, чем зоны большего размера, трафик доступа. В отличие от этого выбор большой зоны местоположения ведет к увеличению интенсивности трафика радиовещательных пейджинговых сообщений, в то время как интенсивность сообщений о корректировке местоположений уменьшается.
До какой степени можно минимизировать стоимость поддержания мобильности, не причиняя вред общему качеству работы сети, зависит от архитектуры управления мобильностью, используемой в сети. При централизованной структуре с иерархическим управлением мобильностью ММ служебная информация накапливается в концентраторах верхних уровней иерархии. При децентрализованной архитектуре сети служебная сигнализация распределена лучше, хотя это и не делает управление ММ более эффективным.
3.5. Сетевой транспорт
Кроме ограничений, которые определяются характеристиками радиосвязи и мобильностью устройств, жизненно важный фактор представляют транспортные функции сети, которые ставят четкие требования к структуре сети, методам ее разработки и эксплуатации. Хотя иногда термины «транспорт» и «передача» используются как взаимозаменяемые, они имеют разные значения и цели. Транспорт — это функциональный процесс и протоколы, используемые для передачи. Поэтому нет необходимости привязывать его к физическим соединениям, которые используются для транспортного процесса. Хотя транспорт и может быть связан со средствами передачи, он в значительной мере развивается самостоятельно. Под «средствами передачи» понимают действия по переносу сигналов из одного или нескольких пунктов сети. В этом отношении процесс передачи может осуществляться прямо или косвенно без промежуточного запоминания или ретрансляции. Поэтому в зависимости от методов коммутации методы передачи могут быть самыми различными (например, передача с коммутацией пакетов, передача с коммутацией каналов или методы, используемые для передачи, такие как передача по волоконно-оптическим линиям с оптической коммутацией).
Парадокс заключается в том, что хотя инфраструктура систем передачи и является одной из наиболее дорогостоящих частей сети с точки зрения как капиталовложений (САРЕХ), так и расходов на эксплуатацию и техобслуживание (ОРЕХ), а также источником большинства эксплуатационных проблем, к сожалению, на ранних этапах построения сети, транспортная часть сети часто остается скрытой для разработчиков общей сетевой архитектуры. В результате проблемы возникают во время ввода сети в эксплуатацию, когда уже поздно что-либо исправлять. И наконец, именно на этом этапе возникают реальные (или практические) проблемы. Одна из главных причин заключается в том, что по сравнению с другими частями сетевой архитектуры (например, радиоинтерфейсом) эволюция сети передачи следует своему собственному эволюционному процессу с различными жизненными циклами. Появляющиеся сети должны адаптироваться к ограничениям и возможностям уже существующей передающей инфраструктуры. Обновление инфраструктуры систем передачи требует значительных инвестиций и согласований не только с операторами сети, но и со многими заинтересованными сторонами, что на деле бывает трудноразрешимо.
Чтобы получить оптимальное решение, вся сетевая структура в целом, виды услуг, предоставляемые сетью, и транспортная магистраль должны быть хорошо согласованы между собой. Следует учитывать сетевую иерархию, способ передачи информации пользователей и управления, способность изменять объемы сети, виды запрашиваемых услуг и требования к качеству обслуживания (QoS) и при этом следить за потенциальными возможностями развития сети.
Рассмотрим рис. 3.18, который отображает структуру магистральной транспортной сети UMTS. Магистральная сеть имеет централизованную сетевую структуру, соответствующую 4-й и 5-й версиям концепции UMTS. Как видно, среда передачи и топология сети существенно изменяются в зависимости от требуемой пропускной способности, существующих технических средств, зоны радиопокрытия и т. д. В сети доступа физической топологией может быть любая (дерево, звезда, цепь, кольцо или комбинация из них), которая работает по схеме логической звезды, хотя на верхнем уровне, ближе к базовой сети, часто используется топология типа кольцо с логическим узлом.
В сети UMTS абонентский трафик обрабатывается на различных иерархических уровнях, от узла В до базовой сети. Кроме того, управляющий трафик тесно связан с абонентским уровнем трафика. Независимо от особенностей существующей иерархической структуры для магистральной сети это означает, что чем выше иерархический уровень, тем больший объем трафика на нем накапливается. В силу этого элементы верхнего иерархического уровня легко могут стать узким местом сети. Поэтому пропускная способность системы передачи должна соответствовать потребностям иерархии сети. На верхних уровнях требуются средства передачи с высокой пропускной способностью, например волокно, однако на границах сети более гибкое и экономически эффективное средство повышения пропускной способности предоставляют радиорелейные системы передачи.
Рис. 3.18. Пример ретрансляционной транспортной сети для UMTS.
X — концентрато
3.6. Транспортные возможности сети UMTS
В настоящее время главную роль среди транспортных технологий, используемых для передачи на магистральной сети сотовых систем связи, играют цифровые системы передачи с временным разделением каналов ВРК. Этот вид технологии, независимо от предыдущей эволюции, имеет тенденцию к изменению своей организации, ориентированной на каналы, в сторону информационных структур. Тем не менее даже недавно появившиеся в сетевой архитектуре элементы с коммутацией пакетов КП, такие как радиосеть передачи пакетов GPRS, должны были использовать существующие транспортные средства. Кроме того, разнообразные услуги предоставляются с помощью традиционных технологий передачи, таких как плезиохронная цифровая иерархия ПЦИ и синхронная цифровая иерархия СЦИ. Поскольку эволюция сети движется в направлении предоставления мультимедийных и информационных услуг, то существующие принципы организации транспортных систем уже не соответствуют требованиям информационных систем. Изначально транспортные системы с ВРК были разработаны для режимов работы с коммутацией каналов КК и слишком стеснены, чтобы приспособиться к гибкости и динамичности, необходимым при предоставлении информационных услуг. Системы передачи с ВРК распределяют транспортные ресурсы по основе временного разделения каналов и одинаково работают при передаче речи и данных, не учитывая особенности пульсирующего трафика передачи данных. Увеличение объема передачи данных потребует от транспортной сети большей гибкости и динамичности. Одинаковая обработка сигналов передачи речи и данных в режиме КК и используемая жесткая схема распределения полосы частот не могут обеспечить хорошее использование полосы частот при неравномерной загрузке, и поэтому остаток полосы частот, который в другом случае можно было бы использовать, теряется.
В то же время в качестве отправной точки при разработке радиоинтерфейса широкополосного многостанционного доступа с кодовым разделением каналов WCDMA было принято предположение, что большинство услуг будет пакетным при одновременной передаче речи традиционными методами. Это предоставляет сети UMTS гибкую структуру радиодоступа, что, в свою очередь, позволяет использовать структурные преимущества системы, но требует от транспортной сети более гибких транспортных средств, а не, например, потока Е11.
Упомянутые условия послужили стимулом разработки альтернативных транспортных технологий для сетей UMTS. Было рассмотрено два альтернативных решения: на начальном этапе разработки сети фаворитом была технология с асинхронным режимом передачи ATM, но постепенно первенство перешло к IP-протоколу.
3.6.1. Асинхронный режим передачи — ATM в UMTS
В отличие от транспортных технологий с ВРК технология ATM применила принцип коммутации пакетов КП, при котором информация пользователя передается в виде потока «ячеек». Это снимает ограничения существующей транспортной сети с ВРК и приспосабливает сеть к требованиям, например, в отношении гибкости радиоинтерфейса UMTS.
Согласно стандартам 3GPP и 3GPP2 № 2 все элементы сети радиодоступа должны быть связаны транспортной сетью на основе технологии ATM. В результате существующие элементы сети радиодоступа RAN UMTS различных производителей построены на основе технологии ATM. На практике это означает, что в элементы RAN включены порты доступа технологии ATM, которые используют протоколы сигнализации и методы коммутации ATM. Существует также возможность использовать в RAN инверсное мультиплексирование для ATM (IMA). В свою очередь, это дает возможность транспортировать трафик интерфейса lub по системам передачи GSM и позволяет операторам использовать уже существующие транспортные сети.
Помимо гибкого распределения ресурсов, очень важное преимущество применения ATM в сети радиодоступа RAN состоит в использовании полностью пакетного режима: данные формируются, классифицируются и передаются по сети в пакетах. Поскольку каждое соединение ATM отнесено к определенному классу качества, то сеть способна поддерживать эффектив-ный механизм качества обслуживания (QoS). Это хорошо согласуется с пониманием того, что структура UMTS определена для различных классов QoS, например услуг реального времени и относительного времени, предоставляемых одновременно. Это также обеспечивает более эффективное управление ресурсами, поскольку контроллер радиосети RNC в сети радиодоступа получает возможность планировать и оптимизировать рабочую нагрузку всей сети.
Хотя ATM и позволяет устранить основные недостатки технологии с ВРК, но появляются новые сдерживающие факторы: сигнализация ATM слишком сложная, приводит к нежелательным задержкам и повышает загрузку сети. Кроме того, технология ATM отстает в показателях эффективности по сравнению с такой технологией, как IP. Поэтому переход от ATM к IP оказался в центре внимания 4-й и 5-й версий проекта 3GPP.
В существующей архитектуре UMTS транспортная сеть оператора может включать базовые станции БС (узел В), контроллеры радиосети RNC, контроллеры базовых станций BSC, центры коммутации мобильной связи MSC, управляющие узлы поддержки GPRS SGSN и центры эксплуатации и технического обслуживания ОМС. Трафик ATM в сети радиодоступа может передаваться по интерфейсу пользователя UNI в потоке Е1, в потоке El IMA, или по одному или нескольким потокам Е1 в синхронном транспортном модуле STM-1. Для поддержки различных типов трафика речи и данных в ATM используются уровень адаптации типа 2 — AAL2 и уровень адаптации типа 5 — AAL5. В зависимости от имеющихся в распоряжении средств передачи и экономических возможностей в качестве среды передачи могут быть выбраны волоконно-оптическая линия, выделенные каналы Е1, радиорелейный тракт или цифровая абонентская линия DSL. Существует также возможность комбинировать различные виды средств передачи. Хотя волокно благодаря своей высокой пропускной способности представляет лучший вариант транспортной среды, но выделенные тракты Е1, радиорелейные линии и DSL имеют свои преимущества, а иногда оказывается, что они представляют единственно возможные средства передачи благодаря своей невысокой стоимости из-за отсутствия другой транспортной инфраструктуры или же необходимости сосуществования сетей второго и третьего поколений 2G и 3G.
Несмотря на преобладающее присутствие технологии ATM на раннем этапе развития сетей UMTS, группа 3GPP подготовила пути перехода к методам передачи на основе протокола IP. Первоначально философия создания технологии ATM заключалась в том, чтобы устранить неравномерность использования пропускной способности, гарантируя при этом выполнение требований к качеству передачи услуг реального времени, в частности передачи речи, например по показателям времени задержки и фазовым дрожаниям. Из-за малого размера пакетов их обработка становится неэффективной, и ее нельзя оптимизировать для различных потоков трафика. Если нет необходимости в хорошей модульности, присущей ATM, например, когда каналы имеют высокую скорость и время ожидания некритично, то использование IP может оказаться более эффективным и рентабельным. Однако в целях преемственности IP может формироваться в виде сети, наложенной на существующую магистраль ATM, поэтому в ближайшем будущем ATM сохранит свое значение в сетях сотовой связи.
3.6.2. Транспортные функции на основе IР
Благодаря стремительному росту повсеместного использования IP с плавной конвергенцией услуг связи и Интернету, использование транспортных возможностей протокола IP в сотовой сети стало чрезвычайно актуальным. Транспортировка информации на основе протокола IP стала обычным явлением в фиксированных сетях. Таким образом, он доказал свою устойчивость и способность поддерживать сложные функциональные архитектуры с более гибкой топологией сети, чем сети на основе систем передачи с ВРК и ATM. Транспортировка информации на основе протокола IP имеет преимущества по экономическим показателям, открытости протоколов, простоте и легкости внедрения. Он удовлетворяет требованиям к сети UMTS, а также ослабляет ограничения, присущие транспортной технологии ATM, по крайней мере, при передаче данных.
IP — это набор стеков протоколов, установленных рабочей группой по проблемам Интернета (IEFT1), которые и составляют основу Интернета. Все услуги, такие как электронная почта, просмотр страниц, игры и т.д., используют IP для передачи информации по мировой сети. Поскольку каждый пакет данных идентифицируется с помощью уникального адреса Всемирной сети, то для передачи данных от источника к месту назначения используются только механизмы адресации и маршрутизации (рис. 3.19).
Совместно с другими наборами протоколов высокого уровня, такими как протокол управления передачей TCP, IP представляет простой и гибкий механизм передачи данных, который может передавать любой вид цифровой информации между устройствами в мировой сети, включающей неоднородные сети и подсети. Когда персональный компьютер, мобильное или другое IP-устройство, имеющие глобальные IP-адреса, хотят передать сообщения на другое IP-устройство, то тело, внутренняя часть сообщения загружается в IP-пакет. Если пакет содержит уникальный IP-адрес устройства-получателя и в Интернете имеются IP-маршрутизаторы, то пакет легко доставляется в пункт назначения. В принципе такая же процедура применяется для всех услуг, поддерживаемых Интернетом.
Благодаря простоте, открытости и гибкости организации транспорта по протоколу IP, а также его всеобщему признанию IP может использоваться и в сетях UMTS. Действительно, введение IP в сотовые сети уже началось с появлением пакетной радиопередачи данных GPRS.На базе протоколов, используемых в GPRS, мобильным терминалам уже предоставляются услуги пакетной передачи, например, с присвоением этим терминалам IP-адресов. Для подключения к Интернету пакетная базовая сеть UMTS использует маршрутизаторы. В определенной степени это позволяет обеспечивать мобильных абонентов мобильными интернет-услугами.
Однако в существующем виде конвергенция мобильных сетей с IP сталкивается с новыми препятствиями. Существующая версия IPv4 относится к 1980-м гг., когда было трудно прогнозировать широкое распространение Интернета. Первоначально протокол IPv4 не предполагалось использовать для предоставления мультимедийных услуг, в то время как основным требованием UMTS
Рис. 3.19. Упрошенный пример передачи пакета IP в транспортной сети UMTS от ЭВМ источника к ЭВМ адресата
стало одновременное предоставление услуг с коммутацией каналов и коммутацией пакетов. Поэтому обеспечение качества обслуживания в сочетании с традиционными недостатками TPv4 (т. е. ограниченным адресным пространством) были основными препятствиями для использования IP в мобильных сетях. Появление новой версии IP (т. е. IPv6) устраняет эти недостатки. Таким образом, обновленная базовая пакетная сеть на основе IPv6 полностью подходит для удовлетворения ключевых требований сетей UMTS, позволяя предоставлять услуги реального и относительного времени. Это позволяет операторам пользоваться преимуществами базовой сети типа «полностью — IP», используя единую технологию, которая должна упростить структуру сети и организацию передачи в ней. Кроме того, это делает предоставление услуг более экономичным и гарантирует их качество.
Необходимо помнить, что переход транспортных технологий от ATM к IP проблематичен, так как на замену транспортной сети требуются огромные инвестиции. Более того, переход, наиболее вероятно, будет осуществляться в разных слоях сети с различными циклами использования технологий; начиная с транспортной, базовой сети и заканчивая сетью радиодоступа RAN. Поэтому на практике организация сети мобильной связи полностью на базе IP будет долгим процессом. Независимо от временного цикла перехода 5-я версия проекта 3GPP позволит операторам использовать IP во всех функциях базовой сети и систем передачи.
Очевидно, что движение в направлении к IP радикально изменит дальнейшее развитие архитектуры сетей. Основные прогнозируемые изменения коснутся иерархической архитектуры сети. IP подтолкнет сетевую архитектуру к плоской структуре. Проще говоря, транспортная сеть значительно ускорит развитие сетевой архитектуры.
3.7. Управление сетью
Важный вопрос, возникающий при проектировании сети, заключается в том, как управлять работой всей сети в целом и перемешать потоки, передаваемые в сети. В общем, управление сетью можно понимать как службу, которая использует различные методы и средства, позволяющие оператору осуществлять контроль и управление. Для типичной централизованной мобильной сети управление сетью означает возможность управлять и контролировать всю сеть из определенного места и по возможности дистанционно. Быстрый рост мобильных сетей по всему миру сделал управление сетью ключевым фактором, который должен учитываться на самых ранних стадиях проектирования сети. В частности, основные функциональные возможности сети должны позволять операторам выполнять функции контроля и управления сетями и службами. Последние разработки показали, что на практике расходы на эксплуатацию и техобслуживание составляют основную часть капиталовложений сетевых операторов.
При таких условиях необходимо выделить функции управления сетью в каждом элементе сети, в системах передачи, коммутации и базах данных, что все вместе и создает систему управления сетью. Для контролирования работы сети и эффективного устранения отказов важно, чтобы объекты управления функционировали согласованно. Кроме того, управление сетью играет ключевую роль при обновлении сетевого программного обеспечения, в распределении ресурсов пропускной способности и предоставлении услуг. Важными вопросами являются также адаптация и оптимизация режимов работы сети в соответствии с поведением трафика, который может меняться совершенно непредсказуемым образом.
Учитывая важность управления сетью в реальной жизнедеятельности сети и широту сферы его применения, Международная организация по стандартизации (ISO) сделала попытки определить структуру и общий принцип построения системы управления сетью как части архитектуры сети. Несмотря на это, системы сетевого управления различных поставщиков отличаются друг от друга в зависимости от структурных особенностей системы управления сетевыми элементами данного поставщика.
3.7.1. Высокоуровневая архитектура системы управления сетью
В настоящее время основой управления сетью связи является принцип сети управления связью TMN', который в общем виде описывает модель того, как можно было бы управлять сетью связи. TMN делится на несколько уровней, расположенных друг над другом:
• Уровень сетевых элементов NEL2. Сеть связи состоит из различных физических объектов, таких как коммутаторы, контроллеры, терминалы и т.д. В TMN все они определяются одним общим названием — сетевой элемент NE, и эти сетевые элементы вместе формируют уровень сетевых элементов NEL.
Рис. 3.20. Пирамидальная модель TMN и некоторые основные функции ситемы управления сетью
• Уровень управления элементами EML1. Этот уровень содержит все функции и ресурсы, необходимые для взаимодействия TMN с сетевыми элементами NE и уровнем управления сетью NML.
• Уровень управления сетью NML2: Уровень управления сетью NML содержит все функции и ресурсы, необходимые для управления сетевым элементом. В этом контексте, широко используются три отдельных слоя или уровня: управление при отказах FM3, управление рабочими характеристиками РМ4 и управление конфигурацией СМ5.
• Уровень управления услугами SMIA Уровень управления услугами SML содержит функциональные ресурсы для проведения взаиморасчетов между клиентами (абонентами, предприятиями) и поставщиками услуг, а также заключения договоров на услуги, сбора и анализа статистики, тарификации и использования сети в целом.
• Уровень управления бизнесом (предпринимательством) BML1. Этот самый высокий уровень управления включает: цели, планирование бизнеса и услуг, а также финансовые вопросы (например, составление бюджета), правовое регулирование и безопасность.
Таким образом, системы управления сетью должны охватывать как требования к управлению на уровне элементов, таких как BTS, RNC и базовая сеть, так и уровни управления сетью и услугами. Управление на уровне сетевого элемента обеспечивает необходимые функции для ввода в действие, инсталляции и устранения неисправностей отдельных элементов, в то время как функции сетевого уровня обеспечивают средства обработки для эксплуатации и техобслуживания, а также изменений в масштабах всей сети в целом.
Основные функции системы управления сетью включают управление при отказах FM, управление рабочими характеристиками РМ, и управление конфигурацией СМ:
• управление при отказах FM — это процесс (или процессы) обработки отказов/аварийных сигналов в сетевых элементах NE, сбора информации об отказах и ее отправки в центр управления сетью NMC2. Центр управления сетью NMC — это физический пункт, выполняющий все действия на уровне управления сетью NML;
• управление рабочими характеристиками РМ — это процесс (или процессы) сбора статистики сетевых элементов и ее отправки в центр управления сетью NMC;
• управление конфигурацией СМ — это процесс (или процессы) внесения изменений в конфигурацию) сетевого элемента NE: добавления, устранения и модификации. Так, одной из задач управления конфигурацией СМ является изменение параметров той или иной соты, выполняемое в центре управления сетью.
При рассмотрении структуры системы управления сетью NMS становится очевидным, что ее развитие тесно связано со структурой всей сети. Иерархическая структура сети может не полностью подходить для системы управления сетью NMS, и наоборот. Очень важно, чтобы эксплуатация и изменения в сети были согласованы с особенностями системы управления сетью NMS, так как проблемы, связанные с прогнозируемым развитием, касаются как эксплуатации, так и стратегического планирования. Это также касается постепенного перехода и адаптации существующих сетей как, например, GSM, к новой развивающейся сети UMTS.
Огромное количество мобильных устройств и услуг продолжает расти и приводит к возникновению широкомасштабных мобильных сетей. Эффективное управление большими мобильными сетями, к которым подключаются различные радиоустройства, представляет не только важную, но и сложную и трудоемкую задачу. В соответствии с существующей тенденцией по-строения сети традиционный подход к управлению TMN в значительной степени ориентирован на централизованную архитектуру управления сетью. Хотя новые программные технологии, такие как объектно-ориентированное программирование, могут предоставить новые возможности управления сетью, которые, возможно, позволят ей ослабить зависимость от архитектуры сети, но эта зависимость не исчезнет полностью. Возможности управления сетью и в будущем останутся важным моментом построения сетевой архитектуры.
3.8. Частотный диапазон и регулирование радиочастот
Развитие технологий, регулирование и распределение спектра, а также экономическая политика составляют комбинацию факторов, от согласованности которых зависит успешное развитие новых радиосистем. Главной целью органов регулирования радиочастот, таких как МСЭ, является гармонизация регионального и всемирного использования радиочастот и разработка правил и рекомендаций по оптимальному использованию радиочастот. В настоящее время регулирование влияет на развитие и структуру рынка связи гораздо больше, чем когда-либо (как это было недавно с лицензированием спектра для 3G>. Независимо от первоначальных намерений регуляторных организаций их частотная политика может использоваться и как инструмент нерегулируемого наращивания стоимости услуг. При разных обстоятельствах это может облегчить или остановить рост в секторе связи.
С точки зрения архитектуры системы архитектура радиоинтерфейса и структура передатчика или приемника — это те компоненты сети, на которые больше всего влияют правила и планы распределения спектра. Архитектура радиоинтерфейса должна допускать эффективное использование спектра в рамках ограничений, которые определены регуляторными организациями. Поэтому эффективность спектра стала существенным критерием при сравнении различных радиосистем. Более того, цикл жизнедеятельности технологии должен быть гармонизирован с процессом распределения спектра, осуществляемым
Рис. 3.22. Спектр электромагнитных волн, часть спектра радиочастот и наиболее занятая часть спектра
Всемирной радиоконференцией (WRC), особенно в случаях, когда для внедрения новой технологии необходимо распределить новые частоты.
Стандартизация в области регулирования идет рука об руку с распределением спектра радиочастот и технической стандартизацией систем связи. В обеих областях главными движущими силами являются инженерно-технический и политико-экономический аспекты. Правовая элита играет важную роль в поддержке всего процесса регулирования.
До настоящего времени мы описывали различные методы, применяющиеся в радиосистемах для получения эффективного спектра радиочастот. Оптимизировав все это, радиосистемы в конечном итоге сталкиваются с фундаментальными физическими ограничениями, известными также как барьер Шеннона, в отношении пропускной способности канала, которую они могут обеспечивать. При определенных обстоятельствах одним из способов увеличения пропускной способности канала радиосистемы является увеличение полосы пропускания. Однако вопреки неправильному общественному мнению спектр радиочастот — не естественный неограниченный ресурс, а скорее довольно скудный. Несмотря на то что современные системы с применением сложных методов кодирования и модуляции, интеллектуальных антенн и управления радиоресурсами используют имеющийся спектр радиочастот более эффективно, тем не менее быстрый рост спроса на радиоуслуги уменьшает уже и так недостаточный имеющийся спектр. Поэтому важно регулировать использование спектра радиочастот, чтобы избежать несогласованного и неэффективного использования этого дефицитного естественного ресурса. На рис. 3.22 показан электромагнитный
&&&
3.8.1. Распределение спектра в UMTS
За последние несколько лет регулирование спектра частот в системах 3-го поколения (3G) стало предметом широких дискуссий во всем мире. Оно включает множество сложных аспектов, которые очень сильно отличаются в зависимости от страны и операторов. Во-первых, как показано на рис. 3.23, требуемый диапазон частот систем 3-го поколения (3G) используется в разных странах по-разному. В основном это объясняется тем, что часть спектра уже занята другими системами, и для систем, которые работают в смежных полосах частот, необходимы защитные полосы. Во-вторых, политические подходы к лицензированию спектра в разных странах различны. Естественно, операторы, вовлеченные в работу систем 2-го поколения, хотят использовать современные технологии, применяющиеся в системах 3-го поколения. Кроме того, многие операторы-новички намерены усилить свою роль на рынке применением систем 3-го поколения. Поэтому сфера регулирования спектра для систем 3-го поколения требует международного и национального сотрудничества, чтобы гармонизировать распределение спектра во всем мире и эффективно использовать его в пределах отдельных стран.
С точки зрения 3-го поколения в середине 1999 года Группой операторов по гармонизации (VOHG) было принято решение об использовании трех вариантов CDMA:
• DS-WCDMA-FDD: прямое расширение спектра, широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов, дуплексная передача с частотным разделением;
• DS-WCDMA-TDD: прямое расширение спектра, широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов, дуплексная передача с временным разделением;
• MC-CDMA: многостанционный доступ с кодовым разделением каналов с несколькими поднесушими.
В приведенных вариантах первая часть описывает метод распространения информации в спектре частот, вторая определяет схемы многостанционного доступа, а последняя описывает, каким образом разделяются различные направления передачи. В этом контексте слово «широкополосный» не имеет какого-то особого значения.
Первоначально термин «широкополосный» был введен в название из-за того, что европеиско-японская версия CDMA использовала более широкую полосу частот, чем американская. Более широкая полоса частот позволяет вводить в систему некоторые привлекательные свойства, такие как мультимедийные услуги с адекватной полосой частот и макроразнесением. Однако вследствие решения Группы операторов по гармонизации все три варианта CDMA используют одну и ту же ширину полосы частот.
Вариант WCDMA с дуплексной передачей и частотным разделением каналов использует в нисходящем направлении частоты в диапазоне 2110— 2170 МГц (в направлении от базовой станции к пользовательскому оборудованию UE) и в восходящем направлении частоты в диапазоне 1920— 1980 МГц (от пользовательского оборудования к базовой станции). Направления передачи радиоинтерфейса разнесены на различные частоты, а дуплексное расстояние составляет 190 МГц.
Вариант WCDMA с дуплексной передачей и временным разделением каналов использует частотную полосу, расположенную с обеих сторон восходящего канала WCDMA-FDD. Нижняя полоса частот, предлагаемая для варианта с временным разделением каналов, составляет 20 МГц, а верхняя — 15 МГц.
Для сравнения следует учитывать, что система GSM 1800 использует частоты для нисходящего канала 1805—1880 МГц (от базовой приемопередающей станции BTS к мобильной станции MS) и для восходящего канала — 1710—1785 МГц (от мобильной станции MS к базовой приемопередающей станции BTS). Направления передачи радиоинтерфейса разнесены на различные частоты, а дуплексное расстояние составляет 95 МГц.
Рис. 3.23. Спектр 3G