Глава 3

СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ

 

3.1.  Стандарты третьего поколения

 

3.1.1.                   Пути эволюции систем третьего поколения

 

Многие из будущих приложений мобильных систем третьего поколения (3G) обнаруживаются по мере разработки стандартов этого поколения [105]. В первую очередь разрабатываются и внедряются такие услуги, как доступ к беспроводным услугам Интернета, постоянный доступ к Сети, диалоговому видео и др.

Термин 3G, означающий третье поколение, стал довольно неопределен­ным. Вначале положения о системах третьего поколения были определены достаточно точно в рамках стандартов. Они ставили целью обеспечить поль­зователям мобильной связи характеристики услуг не хуже, а возможно луч­ше, чем в системе ISDN при скорости обмена 144 кбит/с.

Некоторые первоначальные переходные от поколения 2G к 3G стандарты, такие как «Общая радиослужба пакетной передачи» (GPRS — General Packet Radio Service) и IS-95, могли обеспечивать характеристики, близкие к наме­ченным в 3G при некоторых оптимальных условиях. Например служба па­кетной передачи предполагала скорость не более 115 кбит/с. Системы третье­го поколения вначале не были предназначены для широкого использования из-за дороговизны терминалов и оборудования базовых станций.

Технологически увеличение скоростей реализуется несколькими спосо­бами: расширением используемого спектра и новыми методами модуляции, использующими сжатие данных при заданном частотном диапазоне. На­пример, новые методы модуляции заменяют традиционную двоичную сис­тему системой с большим значением одного разряда (амплитудно-фазовая модуляция).

Требования к системам 3G наиболее полно сформулированы в рекомен­дациях IMT-2000 Международным союзом электросвязи (МСЭ). Наиболее важные из них:

- глобальный роуминг;

- сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов;

- эффективное использование спектра;

- открытая архитектура;

- обеспечение передачи речи, данных и мультимедийной информации;

- качество речи, сопоставимое с проводной связью;

- защита   информации,   сопоставимая   с   уже   имеющейся   системой   в ТфОП/ISDN;

- совместная работа со спутниковыми системами;

- высокая скорость передачи данных;

- поддержка иерархической структуры сот (HCS — Hierarchical Cell Struc­ture);

-поэтапный подход к повышению скорости передачи данных до 2 Мбит/с.

Эволюция сетей 3G шла по-разному в различных регионах, происходя по различным стандартам и технологическим направлениям (рис. 3.1).

В Европе преобладает тенденция разработки систем на основе CDMA, со­вместимых с GSM (в частности с японскими системами), но не предусматри­вается совместимость в глобальном масштабе.

В США имеется много сторонников эволюционного развития cdmaOne к системе cdma2000. При этом ни один из стандартов не предполагает взаи­модействия с европейской и японской системами.

Операторы D-AMPS и GSM являются сторонниками дальнейшего раз­вития систем на базе TDMA. В результате глобальный роуминг видится возможным только с использованием многорежимного телефона. Послед­нее требование особенно важно для поставщиков услуг, операторов и про­изводителей аппаратуры. Они заинтересованы в том, чтобы предоставлять лучшие услуги (естественно, получая прибыли), но при этом сохранить доходы с уже вложенных средств (защита инвестиций). Поэтому наиболее подходящим является эволюционный путь развития. Один из многих ва­риантов [21, 65, 82, 83, 114, 128] такой эволюции показан на рис. 3.1. В связи с этим разрабатываемые стандарты должны предусматривать со­вместимость с их предшественниками. Конечная цель заключается в том, чтобы имеющиеся телефоны могли обслужить соединение при перемеще­нии мобильной станции между сотами, базирующимися на старых и новых технологиях.

В апреле 2007 г. Федеральным агентством связи РФ (Россвязь) проводил­ся конкурс на право предоставления услуг подвижной радиотелефонной свя­зи с использованием полос частот в трех диапазонах 1935-1950 МГц, 2010-2015 МГц, 2125-2140 МГц. Это по сути явилось началом внедрения услуг 3G на территории России. Если рассмотреть сегодняшние прогнозы по внедре­нию систем 3G, то они сводятся к трем принципиальным моментам:

1. Системы, относящиеся к 3G, являются наиболее совместимыми с суще­ствующим оборудованием, дешевыми и имеют большие перспективы разви­тия, поскольку в них вложены большие средства и имеется хорошая админи­стративная база.

2. Россия имеет уникальный шанс сразу перейти на широкополосную сис­тему (наиболее вероятно — это система WiMAX, о которой будет сказано да­лее).

3. Система 3G и широкополосные системы имеют разные сектора приме­нения на рынке услуг и могут существовать параллельно.

Рассмотрение доводов в защиту каждого из этих направлений выходит за рамки этой книги. Ниже приведены основные сведения о системах, охваты­ваемых понятием систем 3G, и их характеристиках. Естественно, что эти сис­темы развиваются стремительно во времени, и в ближайшее время можно ожидать новых свойств, например, повышения скоростей и расширения услуг до уровня, сравнимого с системами широкополосной мобильной связи.

 

 

3.1.2.           IMT-2000

 

Работы по созданию систем 3G начались в 1992 г., когда стало ясно, что мо­бильные системы играют все более и более важную роль. Международная ис­следовательская группа предсказала, что через 10 лет мобильные телефоны составят конкуренцию стационарной сети [128], однако в некоторых странах это предсказание осуществилось несколько раньше.

Работы были начаты в проекте, который получил название FPLMTS (Fu­ture Public Land Mobile Telecommunication System — перспективная сухопут­ная мобильная телекоммуникационная система) [125]. Акроним был несколь­ко неуклюжим даже по сравнению с другими принятыми терминами, так что МСЭ скоро принял немного более удобное название IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the year 2000 — Международная мобильная связь 2000).

Проект IMT-2000 ставил перед собой следующие цели:

- реализацию набора новых услуг (рис. 3.2);

- обеспечение мобильной связи со скоростью передачи данных выше 20 Мбит/с;

- освоение частотной области 2000 МГц, которую МСЭ хотел бы сделать доступной для новой технологии;

- достижение указанных целей к 2000 г.

Ни одна из этих задач не была полностью выполнена, но название закре­пилось. Скорость данных, поставленная в качестве цели, в настоящее время достижима, но только при некоторых оптимальных условиях.

 

Наиболее важно, что не каждая страна сделала доступным запрошенный МСЭ частотный диапазон. Европа и ряд азиатских стран это сделали, но США пока не могут отвести для IMT-2000 весь запрашиваемый спектр. Тех­нология IMT-2000 в США считается важной, и в перспективе отсутствие не­обходимой пропускной способности заставит США вступить на этот путь.

Проект FPLMTS [125] рассматривал только мобильную телефонную связь и мобильную передачу данных, IMT-2000, как предполагалось, охватывал все возможные применения беспроводной связи, в частности:

- беспроводные сети доступа и локальные вычислительные сети (LAN), которые могут обеспечить пользователям высокие скорости передачи данных на улице, в офисе и дома;

- связь через спутники и обращение к основным речевым службам и ус­лугам передачи данных буквально из любой точки Земли, даже если они находятся вне области, охваченной сотовой сетью.

Вторая возможность — это мобильная спутниковая служба (MSS — Mo­bile Satellite Service) и глобальная мобильная персональная спутниковая связь (GMPCS — Global Mobile Personal Communication by Satellite).

Беспроводные сети IMT-2000 могли предоставить связь более бедным странам, впервые обеспечивая их более дешевым и быстрым способом со­вместного развития наземных и мобильных линий связи.

Теоретически, ориентируясь на использование всех типов беспроводных услуг по единственной системе радиосвязи, многочисленные пользователи могли бы приобретать только одно устройство. Они могли бы использовать мобильный телефон как домашний переносной телефон или даже делать вы­зовы через спутник посреди океана. Промышленность могла бы экономить средства за счет того, что составляющие устройство компоненты разрабаты­вались бы для одного типа технологии и могли быть легко использованы в различных странах.

Первоначально МСЭ надеялся создать единый стандарт универсальной системы подвижной связи, однако по прошествии времени стало ясно, что, несмотря на относительную несложность формулировки основных требова­ний к системе 3G, весьма непростым вопросом оказалась разработка страте­гии достижения этих требований. К 1999 году большинство этих идей было оставлено, когда были созданы первые прототипы оборудования ШТ-2000.

Фиксированные беспроводные системы (беспроводный доступ и локаль­ные сети) лучше всего работают на намного более высоких частотах, чем обычные мобильные телефоны.

Спутниковые телефоны являются более дорогими и имеют намного большие размеры, чем те, которыми готово воспользоваться большинство людей. Беспроводные LAN получают развитие в некоторых областях, напри­мер, в беспроводном мобильном Интернете, однако реализация этих стандар­тов в рамках IMT-2000 маловероятна, поэтому IMT-2000 сегодня имеет наи­более эффективную цель — высокоскоростная передача данных по сотовой сети. Первоначально МСЭ определил только скорости данных для IMT-2000. Предложены три различных скорости, каждая из которых предназначена для передачи различного типа информации ISDN, а также стандарт на несущие частоты для основных сетей передачи речи.

Предлагаются следующие скорости:

- 144 кбит/с — та же самая скорость, что у ISDN-линии (базовый доступ). Этот тип линий может использоваться в движении, и там, где этот сер­вис не может быть реализован по обычной наземной сети (проводной или оптоволоконной);

- 384 кбит/с — эта скорость одна из ближайших реальных целей. Она соот­ветствует каналу цифровой сети интегрального обслуживания Н-скорости (НО), часто используемому для видеоконференцсвязи. Хотя передача видео возможна и на более низких скоростях, эта скорость считается минимально необходимой для обеспечения качества;

- 2,048 Мбит/с — скорость, которая может быть достигнута внутри здания при низкой мобильности пользователя (скорость перемещения объекта до 3 км/час). Она соответствует скорости доступа на первичной скорости (PRI) линии ISDN; обычно для этого используется кабель, несущий до 30 отдельных телефонных каналов до распределительного щита. Идея использования высоких скоростей заключается в создании не­больших пикосот (picocells), которые могли бы быть установлены в обще­ственных местах, таких как вокзалы, залы прибытия и отправлении в аэро­портах, давая людям возможность обращаться к высоким скоростям пере­дачи данных.

Эти рекомендации по скоростям были предложены в 1992 году для служб, показанных на рис. 3.2, когда Интернет не был еще широко распро­странен вне академических и технических кругов. IMT-2000 предполагался для того, чтобы формировать только мобильную часть сети, дополняя назем­ную службу.

Когда Интернет нашел общедоступное и коммерческое применение, МСЭ понял, что Интернет стал одним из наиболее важных факторов использова­ния технологии IMT-2000. Это повлекло за собой дополнительные требова­ния для поддержания протоколов, связанных с сетью коммутации пакетов. Предварительно установленные скорости обмена данных, как и в цифровой сети интегрального обслуживания, остались.

 

3.1.3. Сервисные требования

 

Сейчас в индустрии связи ясны направления, по которым следует двигаться. Разработки систем третьего поколения стремятся объединить Интернет, те­лефонию и широковещательные средства обмена информацией в едином уст­ройстве. Для того, чтобы этого достигнуть, система IMT-2000 должна в ос­новном обеспечивать шесть широких классов обслуживания. Три сервисных класса уже существуют в некоторой степени на сетях 2G, в то время как имеются три новых класса, которые включают в себя мобильные мультиме­дийные службы. Указанные виды обслуживания описаны ниже.

 

Речь, голосовая почта

 

Эта услуга может быть предоставлена на скорости 4-32 кбит/с. Даже учитывая в будущем быстродействующую передачу данных, эта служба не может рассматриваться как новая услуга. Для рынка мобильной связи 3G сможет предложить качество вызова не лучше, чем хорошая стационарная телефонная сеть. Речевая почта также будет стандартна и, в конечном счете, интегрирована полностью с электронной почтой. Она может быть только до­полнена компьютеризированным распознаванием голоса и синтезированной речью для передачи сообщений диктора.

 

Передача сообщений, коммутация пакетов

 

Данная услуга — дополнительно расширенная служба, объединенная с электронной почтой Интернет при скорости 9,6-14,4 кбит/с. В отличие от текстовых служб передачи сообщений и передачи коротких сообщений SMS, которые встроены в некоторые системы второго поколения, службы 3G обес­печивают почтовые текстовые вложения. Они будет использоваться для рас­четов за услуги и для электронных продаж (покупок).

 

Коммутируемые данные

 

Этот класс услуг включает процедуры отправления документов по факсу. При этом необходимо подключение к телефонной сети с набором номера или к Интернету по сети коммутации каналов. Термин «коммутируемые данные» в 3G обычно обозначает информацию от любого изделия, которое не требует подключения к сети с коммутацией пакетов, а использует услуги сети ISDN. Предлагаемая скорость передачи этой услуги — 144 (64) кбит/с.

 

Мультимедиа средней скорости

 

Это, вероятно, будет самой популярной службой 3G. Скорость потока дан­ных «сеть-пользователь» идеальна для Web-навигации, если предположить, что сеть к тому времени, когда системы 3G станут широко доступны, не изме­нится до неузнаваемости. Другие приложения включают совместную работу на компьютере, игры, определение местоположения с предоставлением карты ме­стности, директивы передвижения от одной точки местности до другой и т.п. Предлагаемая скорость передачи этой службы — 128-384 кбит/с.

 

Мультимедиа высокой скорости

 

В настоящее время предлагается асимметричная работа такой службы со скоростью 384-2048 кбит/с. Этот класс может использоваться для очень бы­стродействующего доступа в Интернет, а так же для передачи по требованию видео высокой четкости и аудио (качественные CD). Другое возможное при­ложение — интерактивные (online) покупки для «неосязаемых» изделий, на­пример «скачивание» отдельных музыкальных произведений или программ для мобильного компьютера.

 

Диалоговое мультимедиа высокой скорости

 

Этот класс услуг может использоваться для довольно высококачествен­ной видеоконференцсвязи или видеофонов, а также для организации заочной конференции с помощью телевидения. Скорости передачи данных для рас­сматриваемых услуг показаны в табл. 3.1 [21, 114]. Хотя три из них требуют коммутации каналов, что, вероятно, будет осуществляться с помощью заме­ны реальных каналов виртуальными. Поскольку любая информация предос­тавляется в пакетах, включая речь, факс и видео, пакеты в виртуальном кана­ле будут передаваться с учетом приоритета. Диалоговое мультимедиа высо­кой скорости гарантирует клиенту качество, за которое он заплатил, и в ос­новном занимает неприоритетные каналы, когда они не используются. Клас­сический пример занятия неприоритетных каналов — передача данных в те­чение промежутков (пауз) в разговоре, но существуют и другие. Другой при­мер: большинство процедур заочной конференции с помощью телевидения и передачи изображений посредством видеофона передают только те части изо­бражений, которые изменились, а не постоянно все кадры, обеспечивая суще­ственную экономию пропускной способности. Видеоряд при телепередаче кого-то, сидящего неподвижно в неизменяющейся комнате, может быть передан очень небольшим количеством данных. Хотя наблюдается всплеск пе­редачи данных, как только кто-то (или что-то) начинает двигаться.

В настоящее время речь составляет самую большую долю трафика через мобильные сети. Передача сообщений, использование мультимедийных услуг и передача данных в настоящее время занимают меньший объем, но демонст­рируют быстрый рост. Детальное исследование запросов клиентов показыва­ет, что эти типы трафика, вероятно, продолжат рост до тех пор, пока почти каждый пользователь в пределах обслуживания IMT-2000 будет иметь мо­бильный телефон. После этого трафик будет все еще расти, но это будет за­висеть, главным образом, от роста услуг мультимедиа.

Типы служб, доступных по IMT-2000, показаны в табл. 3.1, а примеры предоставляемых услуг на рис. 3.3.

 

 

3.1.4.   Требования к спектру

 

В 1992 году МСЭ рекомендовал, чтобы все страны мира распределяли для услуг 3G одни и те же частоты. Это позволило бы упростить глобальный роуминг, особенно при условии, что каждая страна использовала бы один и тот же стандарт IMT-2000. Тогда пользователь независимо от местоположения мог бы быть уверен, что его мобильный телефон или устройство передачи данных будет работать.

К сожалению, единственная большая страна, которая фактически точно следовала рекомендациям МСЭ, был Китай. Европа и Япония уже использо­вали часть спектра для переносных телефонов и системы GSM. США уже ис­пользовали весь спектр для службы персональной связи и фиксированной ра­диосвязи [6, 114]. В России это диапазон частот занят радиослужбами фикси­рованной, подвижной и космической связи [46]. Введение служб по стандар­ту IMT-2000 нуждается в освобождении полос частот в существующей ин­фраструктуре.

Единственная часть всемирного спектра, доступная системам 3G, отно­сится к услугам спутниковой связи, для которых, конечно, частотный диапа­зон должен быть всюду один и тот же. Проблемы заключаются в том, что нет спутников, выведенных на орбиту для того, чтобы обеспечивать работу с мо­бильной станцией со скоростью 144 кбит/с.

Наиболее экономичные спутники — это широкополосные устройства. Они нуждаются в более высоких частотах, что приводит к мысли предложить на базе терминала для мобильной спутниковой службы совмещенный терми­нал, который можно применять и для сотовой связи стандарта IMT-2000.

Исходя из прогнозов Форума UMTS (Universal Mobile Telecommunications Services) [65, 68], МСЭ определил дополнительную ширину спектра, необхо­димый для размещения служб 3G в каждом из трех глобальных регионов. Ре­зультаты анализа показаны на рис. 3.4 вместе со спектром частот, уже ис­пользуемым службами 2G и распределенным для служб 3G.

Предполагая, что существующие сети 2G будут в конечном счете модерни­зированы к 3G, МСЭ прогнозирует, что в каждом регионе до 2010 г., в соответ­ствии с прогнозом по рис. 3.4, потребуется дополнительно иметь полосу по крайней мере 160 МГц. Где этот спектр будет найден, еще не ясно, хотя МСЭ и различные промышленные группы рассматривают несколько предложений.

Очевидно, что использование частотных полос вокруг уже распределен­ного спектра — не выход. Они уже широко используются организациями, подобными НАСА, чтобы поддерживать контакт с космонавтами и космиче­скими кораблями. Последние может быть все еще будут передавать полезную информацию в течение многих десятилетий после того, как они были запу­щены. Поэтому управление ими на других частотах невозможно.

 

 

Рассмотрим возможности в каждой полосе [6, 44, 114].

420-806 МГц. Это диапазон, известен как УВЧ-диапазон. В большинстве стран эти частоты используются для аналогового широковещательного теле­видения. Они могут быть отданы мобильным телефонам только тогда, когда цифровое телевидение полностью заменит аналоговое, хотя это вряд ли слу­чится повсеместно до 2010 года.

1429-1501 МГц. Эта частотная полоса используется для различных целей [46] во всем мире, включая переносные телефоны, фиксированное радио и широковещательную передачу. Часть этого диапазона не используется. Она оставлена свободной для того, чтобы ученые могли пытаться принять воз­можные сигналы, которые могут передавать другие цивилизации.

1710-1885 МГц. Некоторая часть этого частотного диапазона уже ис­пользуются для мобильных служб в Европе и Азии, но этот диапазон может обеспечить дополнительную канальную емкость и в Америке. В Европе он интенсивно используется для управления воздушным движением.

2290-2300 МГц. Эта очень узкая полоска спектра используется для фик­сированного радио, а также радиоастрономами, проводящими исследование глубокого космоса.

2300-2400 МГц. Эта частотная полоса используется для фиксированной беспроводной связи и некоторых телеметрических измерений. Диапазон рас­положен близко к спектру, уже распределенному для IMT-2000.

2520-2670 МГц. Некоторые страны используют эту частотную полосу для различных приложений, таких как широковещательная передача и фиксированное радио. Часть этого диапазона также используется спутниками, связывающимися с Землей. Эта частотная полоса одобрена Форумом UMTS как резерв для дополнительного расширения.

2700-3400 МГц. Частоты более 2700 МГц используются главным обра­зом для радаров, хотя некоторые частоты имеют другие приложения, такие как спутниковая связь. В частности частотные полосы 3260-3267 МГц, 3332-3339 МГц, и 3345,8-3352,5 необходимы радиоастрономии, поскольку они соответствуют частотам радиоизлучения звезд.

 

3.1.5.   Совместимость

 

Для построения мобильной сети третьего поколения МСЭ первоначально планировал создать единственный глобальный стандарт, но это оказалось не­возможным. Вместо этого рассматриваются два главных типа стандартов CDMA, основанных на прямом расширении спектра (DS — Direct Spectrum), — WCDMA и cdma2000, и один тип стандарта, основанного на TD-CDMA, — EDGE (UWC-136). Эти стандарты с разной степенью подробности будут рассмотрены ниже.

Главная причина расхождения стандартов — несовместимость с сущест­вующими системами. Совместимость может быть достигнута одним из трех способов.

Прямая модернизация. Сетевые операторы для новых сервисов должны развертывать систему, которая по существу является только модернизацией существующего оборудования для подключения абонентов, использующих новые услуги. При этом такая система должны быть реализована так, чтобы обеспечивать работу со старыми базовыми станциями. Типичным примером такой модернизации является использование пакетной коммутации или луч­шего метода модуляции, но сохранение существующих размеров сот и струк­туры каналов существенно ограничивает варианты развития. В частности, большинство систем 2G базируется на принципах TDMA, поэтому принцип прямой модернизации должен сохранить структуру TDMA.

Роуминг. В принципе, мобильное терминальное устройство может быть сделано так, чтобы взаимодействовать с любым числом систем, отличающих­ся протоколами взаимодействия, давая возможность абонентам пользоваться ими во всем мире. Кажется, что нет нерешаемых проблем по созданию тер­минала стандарта IMT-2000 с различными протоколами работы. Создание только одного типа терминала является наиболее желательным и самым де­шевым решением вопроса роуминга.

Хэндовер. Роуминг от одной системы к другой неудобен для большинст­ва пользователей, поскольку соединение, как правило, сбрасывается, чтобы получить полномочия на работу в другой сети. Система 3G может быть орга­низована так, чтобы она фактически «передавала» пользователей к сети 2G с помощью процедуры хэндовера, при которой пользователь не должен заме­тить замены сети. Проблема заключается в передаче обслуживания при нали­чии мультимедиа соединений, которые не реализуются сетью 2G. В этом слу­чае абонент не получает доступа к службам 3G, не доступным в сети 2G. Это накладывает некоторые ограничения на проект систем 3G и средства, кото­рые могли бы работать в сетях 2G и 3G.

 

 

 

3.2.  Типы систем третьего поколения

 

WCDMA

 

Широкополосный CDMA (WCDMA) — система, одобренная большинст­вом операторов, способных получить новый спектр частот. Система третьего поколения с таким названием была разработана японской фирмой ARIB в 1998 году. Одна из основных целей разработки — хэндовер к системе GSM. Сети GSM не могут быть модернизированы для работы с WCDMA, хотя не­которые компоненты системы GSM, такие как услуга пакетной радиопереда­чи GPRS (General Packet Radio Service), могут многократно транслироваться через сеть CDMA.

Ширина полосы, которая отводится для одного канала WCDMA, равна 5 МГц. Возможно увеличение полосы до 10 МГц и далее до 20 МГц. Это в четыре раза больше, чем cdmaOne, и в десятки раз больше, чем GSM. Широ­кая частотная полоса была выбрана, чтобы обеспечить более высокие скоро­сти передачи данных, хотя только в непереполненной области спектра с очень хорошим приемом. Другое главное отличие WCDMA от cdmaOne — отсутствие потребности в синхронизации времени. WCDMA был разработан для того, чтобы работать без сигналов синхронизации от Глобальной навига­ционной системы GPS (Global Positioning System). Имеются различия в ко­дировании: в WCDMA для кодирования используются не коды Уолша, а ко­ды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же самой модуляции, что и в cdmaOne. Все это позволяет передавать данные с макси­мальной скоростью приблизительно 2,048 Мбит/с в пределах одной соты. Скорость в канале 3,84 Мчип/с (7,8 и 15,6 Мчип/с). При этом предусматрива­ется метод CDMA с прямым расширением спектра — DS-CDMA.

Каждый канал повторно используется каждой сотой, повышая спектраль­ную эффективность по сравнению с системами TDMA.

WCDMA предоставляет возможность мягкого хэндовера, но при взаимо­действии с GSM такой тип хэндовера не поддерживается.

 

TD-WCDMA

 

TD-WCDMA (Time Division - Wideband Code Division Multiple Access) — временное разделение - широкополосный многостанционный доступ с кодо­вым разделением. Такое сочетание звучит противоречиво, как гибрид между TDMA и CDMA. Принцип TDMA подразумевает разбиение несущей частоты на канальные интервалы, но каждый канальный интервал «уплотняется» не­сколькими CDMA-сигналами, которые преобразованы с помощью ортого­нальных кодов. При этом методе сохраняется методика мультиплексирования системы CDMA. На рис. 3.5 показан кадр системы TD-WCDMA. Основными параметрами такого метода являются: частота, канальный интервал системы TDMA (КИ) и код системы CDMA. Структура кадра кнального интервала аналогична структуре кадра в системе GSM (см. рис. 1.27), но отличается продолжительностью кадра.

В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного ду­плексного разделения FDD (Frequency Duplex Division) и временного дуп­лексного разделения (TDD).

При FDD в различных направлениях передачи используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Очевидно, что если спектр лимити­рован, то выделение парных полос частот затруднительно.

Временное разделение разделяет прямой и обратный потоки по времени. Мобильная и базовая станции поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях. В этом случае можно уменьшить величину занимаемой полосы, и не требуется разделение спектра на парные частоты. Этот способ наиболее применим для небольших сот, поскольку интервал прием/передача зависит от времени распространения информации. Однако для временного разделения часто выходом является применение асимметричных скоростей в прямом и обратном направлении. Метод TDD может оказаться более эффек­тивным в пикосотах для работы с компьютерами беспроводного доступа в Интернет.

В WCDMA несущие частоты выделяются в соответствии с заданными ме­тодами доступа для каждой частоты. При выдаче лицензии для каждого кана­ла указывается, должен ли он использоваться в направлении от абонента к станции, или от станции к абоненту, или в непарном режиме. На рис. 3.6 по­казан пример разделения диапазона между операторами на 12 парных кана­лов и 7 непарных каналов (5 МГц каждый).

UMTS

 

С 1996 года разрабатываемый европейский стандарт для WCDMA был известен как Универсальные услуги мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). Для руководства его разработкой был создан Форум UMTS с группой, ответственной за развитие GSM, для того, чтобы новый проект был бы также успешен как GSM, быстро распространя­ясь по остальному миру. Форум UMTS успешно разработал рабочие пред­ложения для WCDMA, совместимого с GSM. Однако первыми применили его в Японии. Операторы Японии нуждались в новой системе 3G, поскольку возможности предоставления услуг 2G резко сокращали емкость. Первые сети WCDMA были установлены в Японии операторами NTT DoCoMo и Jphone [44].

Компания NTT DoCoMo определила три приложения, которые необходи­мо поддерживать. Эти приложения содержали дополнительные услуги, от­личные от тех, которые определил МСЭ. Система обеспечивала речь и видео со скоростью более чем 8 и 64 кбит/с соответственно, двухсторонние соеди­нения со скоростью 348 кбит/с для автомобилей и для связи с интеллектуаль­ной транспортной системой (центральный компьютер дистанционного управления трафиком на дорогах).

В настоящее время Международный консорциум операторов связи и про­изводителей связной аппаратуры, включающий компании NTT DoCoMo, Vo-dafone, Cingular Wireless, Siemens и Alcatel, ведет работы по созданию теле­коммуникационных мобильных сетей четвертого поколения (4G). NTT DoCoMo, в частности, уже удалось достичь скорости передачи данных на мо­бильный терминал в 1 Гбит/с. Правительство Японии планирует начать коммерческое использование сетей связи 4G в 2010 году.

 

cdma 2 000

 

Из систем второго поколения только cdmaOne базируется на CDMA. Это дает преимущества в движении к системам 3G, так как операторы могут мо­дернизировать свои существующие сети с помощью нового программного обеспечения или новой системы модуляции, не вводя новые системы радио­связи. Эти обновления в совокупности известны как cdma2000, они совмес­тимы с существующими системами IS-95.

До середины 2000 года путь обновления для cdmaOne казался ясным. Ре­зультат, как предполагалось, был системой, названной cdma2000 3XMC, ко­торая могла бы комбинировать три канала системы cdmaOne и расширяла пропускную способность. К сожалению, эта система не была совместима с WCDMA, одобренной Европой и Японией, хотя их спецификации почти идентичны. Разница состоит в скорости чипа: скорость чипа cdma2000 долж­на быть кратна скорости cdmaOne, для WCDMA скорость чипа должна быть приспособлена к структуре тактовой синхронизации GSM.

В 2000 году компании Motorola и Nokia начали совместную разработку системы, названной l Xtreme, которая, по их утверждению, может достигнуть скоростей, подобных ЗХМС, но при этом использовать только один канал и, следовательно, одну треть спектра. Это утверждение пока еще не доказано, и некоторые аналитики утверждают, что они просто хотят опередить многие патенты, касающиеся CDMA, своего конкурента — компании Qualcomm. Однако, если их утверждения окажутся справедливыми, то CDMA l Xtreme действительно предоставит операторам cdmaOne шанс увеличить емкость любой конкурирующей системы. Параметры конкурирующих вариантов мо­дернизации CDMA приведены в табл. 3.2 вместе с существующими система­ми IS-95b и WCDMA. В этой таблице реальная пропускная способность — это только оценки изготовителей [128].

Для всех операторов cdmaOne следующий шаг после IS-95b — система, названная 1ХМС (МС означает много несущих— Multi Carrier). Она требует новых аппаратных средств для базовых станций и базовых контроллеров, но никакого нового радиоинтерфейса, и позволяет вдвое увеличить пропускную способность, используя каждый из кодов Уолша дважды. Поскольку стандарт этой системы весьма похож на предыдущие, иногда его называют IS-95c.

 

ЗХМС

 

ЗХМС — предложение проекта cdma2000, принятое МСЭ как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны WCDMA, но он требует меньшего диапазона частот и использует в некоторой степени ре­шения cdmaOne, например, скорость чипа и потребность в синхронизации. МСЭ выражает надежду, что будут разработаны терминалы, которые смогут легко адаптироваться для обеих систем: WCDMA и ЗХМС.

 

HDR

 

Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модерни­зация 1ХМС, предложенная компанией Qualcomm. Она приспосабливает ка­нал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различ­ные типы модуляции. Вместо QPSK она может использовать 8-PSK (8-позиционная фазная манипуляция) или 16-QAM (16-уровневая квадратур­ная амплитудная модуляция). Эти виды модуляции позволяют увеличить ско­рость передачи информации.

Используя 16-QAM, можно увеличить максимальную скорость передачи данных от станции к абоненту до 2,4 Мбит/с и до 307,2 кбит/с на канале связи от абонента к станции.

Этот диапазон используется всеми абонентскими станциями и разделен с помощью кода Уолша на 32 канала, из которых 3 служебных.

Канал связи от абонента к станции разделяется с помощью TDMA на 240 временных слотов, каждый из которых может быть предоставлен отдельному абоненту. Однако следует учитывать, что система должна предоставлять дву­стороннюю связь.

Пропускная способность понижается в условиях большой интерферен­ции, поскольку 16-QAM требует соединения с малым уровнем помех. Как только сигнал становится слабым, модуляция понижает число фазовых со-стояний до S-PSK или QPSK (два фазовых состояния). Поскольку HDR может использоваться только для данных, она не может быть конкурентом ЗХМС. Компания Qualcomm утверждает, что это — промежуточный шаг, который будет сделан перед запуском полной системы ЗХМС.

 

IXtreme

 

Система, разработана совместно компаниями Nokia и Motorola [123]. Она выставлена на продажу как конкурент HDR и ЗХМС и использует те же са­мые методы модуляции что HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.

Не все системы 3G базируются на CDMA. На основе TDMA разработана новая технология, названная «увеличение скорости передачи данных для со­действия эволюции GSM» (EDGE — Ehanced Data rate for GSM Evolution), Как указывает название, она была запланирована как модернизация сети GSM для операторов, которые уже развернули системы HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data — высокоскоростная передача данных в сетях с комму­тацией каналов) и GPRS.

 

EDGE (UWC-136)

 

Технология EDGE планировалась для того, чтобы операторы GSM могли применить ее в существующей сети в процессе перехода к UMTS. При этом они могли использовать в своих интересах спектр IMT-2000. Поскольку UMTS может выполнять хэндовер к GSM, обе эти технологии были бы со­вместимы, и много терминалов, работающих в Европе, были бы способны работать через обе системы.

Все изменилось, когда был создан UWCC (Universal Wireless Communica­tions  Consortium  —  Консорциум  универсальной  беспроводной  связи)  — группа, представляющая американскую индустрию TDMA. Работая с Ассо­циацией GSM, участники Консорциума разработали способ модернизации системы стандарта D-AMPS для перехода к EDGE. Объяснение этого факта простое — D-AMPS выполнил свою задачу, и операторам надо было строить новые сети 3G. И cdma2000, и WCDMA были рассчитаны на построение этих новых сетей, но проблема была в каналах. Любая система радиосвязи чтобы работать нуждается, по крайней мере, в одном канале, а для оператора — это необходимость новой лицензии.

Новый радиоинтерфейс EDGE, созданный на основе стандартов GSM, обеспечивает плавный переход к системам радиосвязи 3G, позволяя увели­чить скорость передачи данных до 384 кбит/с. Что же касается более высоких скоростей передачи (от 2048 кбит/с), которые определены в IMT-2000 для но­вых поколений пико- и микросотовых сетей, то их предполагается реализо­вать во второй фазе спецификаций.

Ширина канала EDGE — 200 кГц, та же самая что и у GSM. Даже условия повторного использования каналов одинаковы. В 2000 году МСЭ принял EDGE как режим IMT-2000 и стандартизировал его как UWC-136. В специ­фикациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM воз­можности. В первую очередь — это автоматическое распознавание типа мо­дуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в тре­буемый режим. Усовершенствованный метод модуляции позволяет абонент­ской радиостанции автоматически адаптироваться к качеству канала радио­связи, причем самые высокие скорости передачи обеспечиваются, безуслов­но, в наиболее благоприятных условиях распространения радиоволн (напри­мер, вблизи базовых станций). В табл. 3.3 приведены сравнительные характе­ристики систем EDGE и WCDMA

Технология EDGE предусматривает организацию двух служб: усовер­шенствованной службы пакетной передачи (EGPRS, Enhanced GPRS) и усо­вершенствованной радиослужбы коммутации каналов (ECSD, Enhanced Cir­cuit Switched Data). Она унаследовала почти все свои главные особенности от GSM и GPRS, включая структуру кадра TDMA с восемью слотами про­должительностью 0,577 мс. Разница заключается в схеме модуляции. Вме­сто двоичной GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying — гауссовская мани­пуляция с минимальным частотным сдвигом) применяется 8-PSK, такая же, как в HDR. Это сразу утраивает пропускную способность по сравнению cGSM.

Услуги технологии EDGE могут быть предоставлены обычному клиенту GSM для передачи речи и данных. Однако операторы, установившие эту сис­тему, предоставляют также услуги GPRS (пакетной радиопередачи) и HSCSD (высокоскоростной передачи данных в сетях с коммутацией каналов). По этой причине услуги, предоставляемые EDGE, указываются иногда как EGPRS и EHSCSD. Для клиентов, которые не имеют оборудования EDGE, терминал полностью совместим с терминалом GSM. Поскольку 8-PSK более восприимчива к ошибкам, чем GMSK, EDGE имеет девять различных схем модуляции и кодирования (табл. 3.4). Каждая из них предназначена для раз­личного по качеству соединения. Они отличаются по количеству корректи­руемых ошибок. Смена режима кодирования производится каждый раз, когда декодируемый предыдущий блок принимается с низкой достоверностью. В результате следующий блок данных передается с более высокой помехоза­щищенностью (режим 8-PSK).

EDGE Compact

 

Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, UWCC предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact, который может использоваться только для передачи данных, но не речи. Он не требует многих каналов управления, которые присутствуют в полномасштабной системе.

EDGE Compact можно рассматривать как промежуточный вариант. Его задача — обеспечить скоростную передачу данных для пользователей, кото­рые используют речевую службу стандарта D-AMPS. Передача данных «по­верх» речи подобна функциям HDR на сетях CDMA.

 

3.3.  Система UMTS

3.3.1.   Архитектура системы

 

Архитектура системы UMTS показана на рис. 3.7. Она использует ту же хо­рошо известную архитектуру, которая применяется во всех основных систе­мах второго поколения и подобна уже рассмотренной архитектуре системы GSM (см. рис. 1.1, разделы 1.3, 1.4).

Сеть 3G строится на базе тех же компонентов, что и рассмотренные выше подвижные сети [28]. Это: мобильная телефонная станция, в системе UMTS она называется UE (User Equipment); базовая телефонная станция, по исполь­зуемой терминологии — узел В; контроллер базовой станции (BSC) и центр коммутации мобильной связи (MSC).

В системе WCDMA вместо термина «контроллер базовой станцией» при­меняется термин — «контроллер управления радиосетью» (RNC — Radio Network Controller).

UE и сеть наземного радиодоступа UMTS (UTRAN — UMTS Terristrial Radio Access Network) работают в соответствии с совершенно новыми прото­колами, построение которых основано на потребностях новой технологии ра­диосвязи WCDMA. И наоборот, построение основной сети — CN (Core Net­work) [102, 106] — повторяет GSM. Это дает системе с новой технологией радиосвязи глобальную базу из известной и испытанной технологии, что способствует ускорению ее внедрения и позволяет использовать такое замеча­тельное преимущество, как глобальный роуминг. Но в перспективе UMTS ориентируется на быстродействующую сеть на базе технологии ATM.

По своим функциям элементы сети группируются в сеть UTRAN, которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и в базовую сеть CN, которая обеспечивает коммутацию и маршрутизацию вызовов, а также каналы передачи данных во внешние сети. В системе UMTS применяется оборудование пользователя (UE — User Equipment), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс Uu.

Другим способом группирования компонентов сети UMTS служит ее де­ление на подсети. Система UMTS является модульной в том смысле, что она может включать несколько элементов сети одного и того же типа. В принци­пе, минимальным требованием для того, чтобы сеть работала и реализовывала все свои функциональные возможности, является наличие, по крайней ме­ре, одного логического элемента сети каждого типа (отметим, что некоторые функции и, следовательно, некоторые элементы сети, являются необязатель­ными). Возможность иметь несколько объектов одного и того же типа позво­ляет делить систему UMTS на подсети, работающие либо самостоятельно, либо вместе с другими подсетями, которые являются тождественными друг другу. Такая сеть UMTS называется PLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). Обычно одна PLMN [108] эксплуатируется одним оператором и соединяется с другими PLMN так же, как и с другими типами сетей, напри­мер, ISDN, PSTN, Интернет и т.д. На рис. 3.7 показаны элементы PLMN, a также указаны связи к внешним сетям (PSTN, ISDN, TCP/IP),

Краткие сведения об элементах архитектура сети наземного радиодоступа UTRAN приводятся ниже.

 

3.3.2.                       Пользовательское оборудование

 

Пользовательское оборудование (UE) включает две части:

- подвижное оборудование — радиотерминал, используемый для радио­связи через интерфейс Uu;

- модуль идентификации абонента UMTS-SIM (USIM — UMTS Subscriber Identification Module), представляющий собой интеллектуальную плату, которая аналогично SIM-карте служит идентификатором абонента, вы­полняет алгоритмы аутентификации и шифрования, а также предостав­ляет некоторые данные об услугах, которыми имеет право пользоваться абонент при работе с терминалом.

Мобильная станция должна быть рассчитана на поддержку всех видов ус­луг сети третьего поколения, в частности, она должна обеспечивать:

- передачу речи с принятым для системы набором скоростей (см. табл. 3.3);

-услуги служб видеоконференции и приложений видеотелефонии, осно­ванные как на коммутации каналов (ISDN), так и использующие пере­дачу пакетов (TCP/IP);

- услуги сети Интернет со скоростями до 473,6 кбит/с при работе в обыч­ном режиме, и с максимально возможной скоростью в режиме best effort;

-удаленный доступ к корпоративным локальным сетям для работы с файловыми серверами, базами данных и другими приложениями;

- приложения электронной почты.

UTRAN состоит из двух элементов: базовая станция и контроллер базо­вой станции.

Базовая станция (по терминологии 3GPP — узел В) преобразует поток данных между интерфейсами Iub и Uu. Она также участвует в управлении ра­диоресурсами. Базовая станция должна обеспечить пропускную способность базовых и управляющих каналов для поддержания перечисленных служб.

Контроллер базовой станции (по терминологии 3GPP — контроллер ра­диосети — RNC) обеспечивает интерфейсы со станциями с коммутацией ка­налов I-CS или пакетной коммутации I-PS.

Каждая из этих станций имеет традиционную архитектуру, но с учетом новых сервисов и технологий. Рассмотрим кратко архитектуру RNC. По­скольку она зависит от места станции в сети и связи с другими станциями этой и других систем, архитектура может быть различной. Поэтому приведем конкретный пример. В этом примере дан некоторый типовой состав уст­ройств, обеспечивающий типовой набор услуг [16]. Архитектура ориентиро­вана на работу в быстродействующей сети ATM. Эта система показывает возможности станций 3-го поколения WCDMA.

 

3.3.3.                       Архитектура контроллера радиосети

 

Контролер радиосети  (RNC),  архитектура которого показана на рис. 3.8, обеспечивает следующие функции:

- управление радиоресурсом, обработку принятых сигналов и мягкий хэндовер;

- кодирование и декодирование сигналов (если кодеры и декодеры уста­новлены в контроллере);

- прием и передачу информации от мобильных станций по интерфейсу Iub, обеспечивающему взаимодействие с системой ATM со скоростью 1,5/2 Мбит/с [106];

- передачу информации к центру коммутации мобильной связи по кана­лам ATM со скоростью 155 Мбит/с по интерфейсу Iub;

- передачу неструктурированных данных (услуги UDI);

- отсчет времени и синхронизацию.

К одному контроллеру радиосети могут быть подключены как минимум три базовые станции. При этом каждая из них может использовать до двух Iub-каналов 1,5/2 Мбит/с. Транспортная емкость конфигурации, представлен­ной на рис. 3.8, составляет около 160 мобильных станций, которые могут ус­тановить соединения друг с другом или с сетью фиксированной связи. Каж­дое подключение коммутируется в MSC через ATM-коммутатор. В последнее время проводятся работы по замене ATM-коммутаторов на Softswitch [18].

В сети UMTS в процессе мягкого хэндовера с одним UE могут работать два контроллера RNC. Тогда один из них (завершающий соединение) называ­ется обслуживающим (SRNC — Service RNC), а другой — дрейфующим (DRNC — Drift RNC). Принцип работы и задачи станций при мягком хэндовере были изложены при описании работы сети CDMA и будут рассмотрены далее для UMTS.

 

3.3.4.   Центр коммутации мобильной связи

 

Центр коммутации мобильной связи (MSC) системы UMTS, архитектура ко­торого представлена на рис. 3.9, содержит все типовые элементы станции то­го же типа для системы GSM и выполняет те же функции (см. 1.3.3). MSC обеспечивает:

- подключение к фиксированным сетям (таким, например, как ТфОП и ISDN);

- передачу сигналов между функциональными объектами в подсистеме сети с использованием ОКС-7;

- обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах опре­деленной географической зоны;

- обслуживание группы сот и все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция; MSC аналогичен коммутацион­ной станции ISDN и реализует интерфейс между фиксированными се­тями (PSTN, Интернет, ISDN и т.д.);

- взаимодействие с RNC через интерфейс Iub, а с сетями ISDN и локаль­ными компьютерными ATM-сетями — через интерфейсы фиксирован­ных сетей;

- маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами, выполнение процедур управления, все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местопо­ложения, хэндовер;

- формирование данных, необходимых для выписки счетов за предостав­ленные сетью услуги связи;

- поддержание  процедур  безопасности,   применяемых  для  управления доступом к радиоканалам.

Основным отличием MCS системы UMTS от аналогичного узла системы GSM является то, что коммутатор MSC должен быть рассчитан на высокие скорости, поэтому он обычно выполняется на базе АТМ-коммутатора.

Основными элементами базовой сети GSM являются:

-домашний регистр местоположения (HLR — Home Location Register), который содержит всю административную информацию каждого абонента, зарегистрированного в соответствующей сети GSM, наряду с те­кущим местоположением мобильных станций;

- визитный регистр местоположения (VLR — Visit Location Register), с помощью которого достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR.

 

Подобно RNC, MSC системы UMTS также разработан на основе базовой AT М-инфраструктуры и обладает такой же гибкостью, что и RNC. В дейст­вительности, некоторые функции могут даже перераспределяться между RNC и MSC, который взаимодействует с RNC через интерфейс Iub, а с сетями ISDN и локальными компьютерными ATM-сетями — через интерфейсы фик­сированных сетей.

Основной задачей MSC является установление и сброс соединений от мо­бильных станций. Так как MSC может в одном и том же узле обрабатывать голос, осуществлять передачу пакетных данных и данных с коммутацией ка­налов, то становится возможными обслуживание мультимедийных приложе­ний. MSC выполняет функции:

- адаптивной обработки, как пакетных данных, так и данных для переда­чи по сети с коммутацией каналов;

- взаимодействия с сетями ISDN;

- взаимодействия с локальными компьютерными АТМ-сетями;

- кодирования/декодирования   речи   в   соответствии   с   рекомендацией ITU-T G.729 (при условии реализации кодеков в MSC);

- эхоподавления;

- IР-маршрутизации.

Для адаптивной обработки абонентских данных с целью передачи по ана­логовым голосовым сетям, а также сетям с коммутацией каналов и пакетов, используется внешнее оборудование, например, конвертор ISDN и АТМ-мар-шрутизатор.

Внешний интерфейс основной скорости (BRI) соответствует стандартам. Кроме того, при подключении внешнего конвертора ISDN также могут быть реализованы европейские ISDN-интерфейсы (PRI и BRI), соответствующие рекомендациям ITU-T Q.931 (уровень 3), Q.921 (уровень 2) и I.430/I.431 (уро­вень 1). Внешняя компьютерная ATM-сеть использует постоянный виртуаль­ный канал для осуществления всех подключений «IP-поверх-АТМ» в соот­ветствии со спецификацией IETF RFC 1483.

Возможности совместимости центра коммутации мобильной связи (блок IWF на рис. 3.9) позволяют подключаться к центрам коммутации сетей GSM.

Встроенный IP-маршрутизатор обеспечивает обработку потоков со скоро­стью до 10 Мбит/с. Распределение ресурсов между голосом, канальными данными и пакетными данными регулируется различными вариантами кон­фигурации эхоподавителя, блоков адаптации услуг UDI (UADP) и адаптации пакетных услуг (PADP), IP-маршрутизатора (IPR) и интерфейса PRI.

Внешние сети делятся на две группы:

- сети с коммутацией каналов CS (Channel Switching), обеспечивающие соединения в существующей в настоящее время сети телефонной связи;

-сети с коммутацией пакетов PS (Packet Switching) (рис. 3.10). Они обес­печивают соединения с коммутацией пакетов; одним из примеров сети PS служит Интернет.

 

Для целей пакетной коммутации на мобильной сети устанавливаются следующие виды коммутаторов:

- SGSN (Serving  GPRS  Support  Node — узел по  обеспечению услуг GPRS), функции которого подобны функциям MSC/VLR (управление мобильностью, аутентификация и шифрование), но используются для услуг с коммутацией пакетов;

- GGSN (Gate GPRS Support Node) — узел по обеспечению межсетевого взаимодействия (шлюз) GPRS с другими сетями с коммутацией пакетов.

Иногда при начальном запуске станции или небольшой нагрузке передача пакетной информации осуществляется дополнительным оборудованием, ус­танавливаемом на MSC.

 

 

3.3.4. Каналы

 

Данные, передаваемые по каналам UMTS/WCDMA, организуются в виде кадров, временных положений (слотов) и каналов. Это касается всей полез­ной нагрузки и управляющих сигналов.

UMTS использует технологию CDMA как технологию доступа, а также дополнительно технологию временного разделения и, соответственно, струк­туру кадра (см. рис. 1.27) и временного положения (слота) (см. рис. 1.29) для организации структуры каналов [60].

Каналы разделяются на 10-миллисекундные кадры, каждый из которых содержит 16 слотов длительностью по 625,0 мкс. В направлении от станции к UE время разделяется так, чтобы временные слоты содержали поля с пользо­вательскими данными и управляющими сообщениями. В направлении от UE при образовании каналов используется передача в одном формате данных и управляющих сообщений.

Все каналы классифицируются по трем категориям: логические, транс­портные и физические. Логические и транспортные каналы определяют ме­тоды и пути передачи данных, физические каналы переносят полезную на­грузку и обеспечивают физические характеристики сигналов. Каналы органи­зованы так, чтобы логические каналы зависели только от передаваемой ин­формации, а физический уровень определяет, как и с какими характеристи­ками передается эта информация. Протокол управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) обеспечивает обслуживание логических кана­лов. Набор типов логических каналов определен для различных видов услуг передачи данных.

 

Логические каналы

 

Широковещательный канал управления {ВССН — Broadcast Control Channel) — канал от базовой станции к UE (DL — downlink). Этот канал ши­роковещательно передает информацию к UE, например информацию о пилот-сигналах соседних сот.

Широковещательный управляющий канал оповещения (РССН — Paging Control Channel) (от станции к абоненту). Этот канал связан с PICH (Paging Indication Channel), о котором будет сказано немного позднее. Он использу­ется для уведомления и широковещательных передач вызова.

Выделенный канал управления (DCCH — Dedicated Control Channel) (от станции к UE и обратно). Этот канал используется, чтобы доставить специа­лизированную информацию управления в обоих направлениях.

Общий канал управления (СССН — Common Control Channel) (от станции к UE и обратно). Этот двунаправленный канал используется, чтобы передать управляющую информацию.

Общедоступный канал управления канала (SHCCH — Shared Channel Control Channel) (двунаправленный). Этот канал используется только в ре­жиме временного дуплексного разделения (TDD — Time Duplex Division)

WCDMA/UMTS для транспортировки общедоступной управляющей инфор­мации канала.

Специализированный канал трафика (DTCH — Dedicated Traffic Channel). Этот двунаправленный канал используется для доставки пользовательских данных или трафика.

Общий канал трафика (СТСН — Common Traffic Channel) (от станции к абоненту). Этот однонаправленный канал используется для передачи специа­лизированной пользовательской информации группе UE.

 

Транспортные каналы

 

Транспортные каналы передают сообщения, обеспечивающие надежное и достоверное прохождение информации по сети.

Специализированный (выделенный) транспортный канал (DCH — Dedi­cated transport Channel) представляет собой двунаправленный канал. Он ис­пользуется для передачи данных конкретному UE. Каждый UE имеет свой собственный DCH в каждом направлении.

Широковещательный канал (ВСЯ — Broadcast Channel) (от станции к UE). Этот канал широковещательно передает информацию о соте в направле­нии к UE, чтобы дать возможность UE идентифицировать сеть и соту.

Канал прямого доступа (FACH — Forward Access Channel) (от станции к абоненту). Этот канал передает данные или информацию к UE, которые заре­гистрированы в системе. В соте может быть больше чем один FACH. Они мо­гут доставлять пакеты данных.

Широковещательный канал коротких сообщений (канал вызова) (РСН — Paging Channel) от станции к абоненту. Этот канал может передавать аварий­ные сообщения UE, SMS-сообщения, данные о сеансах связи или о типе тре­буемого обслуживания, например, обеспечение процедуры перерегистрации станции.

Канал (связи) с произвольным доступом (RACH — Random Access Chan­nel) — канал связи от абонента к станции. Этот канал передает запросы на обслуживание от UE, обращающегося к системе.

Общий капал передачи пакетов (СРСН —- Common Packet Channel) — ка­нал связи от UE к станции. Этот канал обеспечивает возможности, допол­няющие RACH, а также сигналы быстрого регулирования мощности.

Канал совместного использования по направлению «вниз» (DSCH — Downlink Shared Channel) — канал связи от станции к UE. Этот канал может быть разделен между несколькими пользователями и используется для дан­ных, которые являются «взрывными» по природе, такие как служба просмот­ра web-браузеров, заявки, которые могут «взорваться» от события или по времени (например, во время чемпионата мира по футболу).

 

Физические каналы

 

Первичный общий физический канал управления (РССРСН — Primary Common Control Physical Channel) (от станции к UE). Этот широковещатель­ный канал непрерывно передает системную идентификацию и информацию управления доступом.

Вторичный общий физический канал управления (SCCPCH -— Secondary Common Control Physical Channel) (от станции к UE) Этот канал доставляет информацию канала прямого доступа FACH и широковещательного канала вызова РСН с сообщениями для UE, которые зарегистрированы на сети.

Физический канал произвольного доступа {PRACH — Physical Random Access Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал дает возмож­ность UE передать сообщения произвольного доступа при попытке обраще­ния к сети.

Специализированный (выделенный) физический канал данных (DPDCH — Dedicated Physical Data Channel) (двунаправленный). Этот канал использует­ся для передачи пользовательских данных.

Специализированный (выделенный) физический канал управления (DPCCH — Dedicated Physical Control Channel) (двунаправленный). Этот канал доставля­ет управляющую информацию к/от UE. В обоих направлениях канал достав­ляет биты информации пилотного канала и идентификатор объединенного транспортного формата (TFI — Transport Format Combination Identifier). Канал связи от станции к UE содержит также информацию управления мощностью передатчика и информацию обратной связи (FBI — Feedback Information).

Общий пилот-канал (CPICH — Common Pilot Channel). Информация по этому каналу передается каждым узлом В для того, чтобы UE были способны поддерживать синхронизацию. Дополнительно эта информация должна быть использована для того, чтобы UE могли определить при перемещении соту, имеющую наиболее высокий уровень сигнала.

Канал индикации вхождения в синхронизм (AICH —Acquisition Indicator Channel). AICH используется, чтобы сообщить UE данные о канале данных (DCH), он может использоваться для установления связи с узлом В. Это на­значение канала возникает как результат успешного запроса службы произ­вольного доступа от UE.

Физический совместно используемый канал по направлению «вниз» (PDSCH — Physical Downlink Shared Channel) (от станции к UE). Этот канал совместно используется для пересылки управляющей информации к различ­ным UE в пределах области охвата узла В.

Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel). Канал синхрониза­ции используется UE с общим пилотным каналом (CPICH). Информация по этому каналу передается каждым узлом В для того, чтобы UE были способны поддерживать синхронизацию с точки зрения уровня сигнала. Как указыва­лось, дополнительно они могут использоваться как средство определения UE лучшей соты при перемещении.

Канал индикации вызова (PICH — Paging Indication Channel) Этот канал обеспечивает информацией UE в неактивном состоянии и сохранность ресур­сов батареи при слежении в этом режиме за широковещательным каналом вызова (РСН). PICH обеспечивает UE момент дезактивации.

Канал индикации состояния СРСН (CSICH — СРСН Status Indication Channel) — это канал, который применяется только по направлению от стан­ции к UE для передачи информации о состоянии вызова. Он может также ис­пользоваться для передачи излишней нагрузки при ее всплеске или прерыви­стом характере.

Обнаружение конфликтов/канал индикации назначения канала (CD/CAICH — Collision Detection/Channel Assignment Indication Channel). Этот канал исполь­зуется в направлении от станции к UE для того, чтобы указать, можно ли на­значенный канал использовать сразу или необходимо ожидание.

 

3.4.        Общая модель протоколов UMTS

 

Общая модель протоколов UMTS показана на рис. 3.11. Она построена по принципу модели протоколов B-ISDN на основе взаимодействующих уров­ней и плоскостей.

Потоки информации, проходящие через UTRAN, логически делятся на две части:

- слой доступа (access stratum, AS) — информация, необходимая для взаимодействия UE и UTRAN;

- слой без доступа (non-access stratum, NAS) — информация, переносимая между CN и UE через UTRAN.

В состав слоя без доступа входят протоколы верхнего (пользовательско­го) уровня, которые не занимаются проблемами доступа, а связаны только с услугами.

Плоскость управления

Протоколы плоскости управления (C-plan) определяют все функции сиг­нализации, установления, контроля и разъединения соединений. Кроме этого она включают в себя несколько прикладных протоколов, которые позволяют поддерживать сигнализацию на различных участках сети (рис. 3.11). Это про­токолы:

- RANAP (RAN Application), предназначенный для управления задачами сигнализации на участке радиодоступа (RNC-MSC), как часть интер­фейса Iub;

-RNSAP (Radio Network System Application), предназначенный для управления задачами сигнализации на участке радиосети (на участке RNC-RNC), как часть интерфейса lur;

- NBAP (Network Base station Application), предназначенный для управле­ния задачами сигнализации на участке между базовыми станциями и RNC.

 

 

 

Плоскость пользователя

 

Плоскость пользователя (U-plane) включает транспортировку всех видов информации в совокупности с соответствующими механизмами защиты от ошибок, контроля и управления потоком. Вся информация, передаваемая и принимаемая пользователем, например, кодированная речь при речевом вызо­ве или пакеты при соединении с Интернет, передается через плоскость пользо­вателя. Каждый поток данных характеризуется одним или несколькими типами кадров, указанных в интерфейсе для конкретного типа информации.

 

Плоскость управления транспортной сетью

 

Поскольку сеть UTRAN рассчитана на передачу высокоскоростной ин­формации, в наземной части она базируется на сети ATM. Для этой сети ха­рактерно, что для сигнализации используется сеть отдельных виртуальных каналов (SVC — Signaling Virtual Channel), предназначенных только для передачи сигналов управления, взаимодействия и технического обслуживания. Некоторые приложения могут требовать создания нескольких (постоянных или временных) виртуальных каналов. Например услуги мультимедиа могут потребовать установления отдельных каналов сигнализации для услуг речи, видеоизображения и передачи данных. Каналы сигнализации могут быть од­но- или двунаправленными, симметричными (одинаковая скорость в обоих направлениях) и асимметричными (различные скорости в противоположных направлениях).

Виртуальные каналы могут быть:

- виртуальным каналом метасигнализации;

- общим широковещательным каналом;

- селективным широковещательным виртуальным каналом сигнализации;

- виртуальным каналом «точка-точка».

Плоскость управления транспортной сетью используется для управления организацией указанных выше каналов сигнализации на транспортном уров­не. Она не охватывает уровня радиосети. Для сети UMTS в нее включается протокол управления звеном доступа ALCAP (Access Link Control Applica­tion), который необходим для установления транспортных В-каналов для плоскости пользователя. Например, для установления каналов сигнализации «точка-точка» и для установления канала сигнализации в соответствии с ус­лугами, предоставляемыми данному пользователю.

Когда используется плоскость управления транспортной сетью, каналы сигнализации пользователя устанавливаются по входному сообщению (тран­закции) от прикладного протокола на плоскости управления, которое запус­кает установление этих каналов с помощью одной из частей протокола ALCAP, специально предназначенного для передачи информации в плоско­сти пользователя.

Следует отметить, что протокол ALCAP может и не потребоваться, на­пример в случае, когда используются сети с заранее заданной конфигурацией каналов сигнализации. Тогда протокол ALCAP не запускается.

Спецификации UMTS предполагают, что запуск системы по протоколам ALCAP всегда осуществляется с помощью действий персонала по эксплуата­ции и обслуживанию (О&М).

 

3.5.  Интерфейсы отдельных участков

 

На рис. 3.12 представлено сквозное представление протоколов плоскости управления сети UMTS. Это рисунок показывает набор протоколов, которы­ми пользуется каждый элемент сети для передачи сообщений сигнализации.

Устройство пользователя UE использует две группы протоколов:

- прикладные протоколы: управление мобильностью — ММ, управление соединением — СМ;

- управления радиоресурсами (RRC) — транспортные протоколы для ор­ганизации передачи информации: управление радиоканалом (звеном) — RLC, управление доступом к среде — MAC.

Для сообщений этих протоколов узел В (BTS) «прозрачен» [87]. Он пере­дает их в RNC, преобразуя радиосигналы в сигналы сети ATM с помощью протоколов уровня адаптации ATM 2 (AAL2). Уровень AAL2 предназначен для обеспечения управления эффективной пропускной способностью переда­чи трафика коротких пакетов с низкой битовой скоростью, требующих малой временной задержки.

 

3.5.1. Уровень управления радиоресурсами

 

Уровень протоколов управления радиоресурсами RRC (Radio Resource Con­trol) — совокупность протоколов верхнего уровня [57], которая является ча­стью интерфейса Iub. Процедуры и сообщения подсистемы управления ра­диоресурсами приведены в табл. 3.4. В RRC входят следующие протоколы:

- прикладные протоколы RRC;

- протоколы управления каналом связи (RLC);

- протоколы управления доступом к среде (MAC); RRC выполняет следующие функции:

- распределяет заявки по уровням на стороне пользовательского оборудо­вания или на стороне сети UTRAN;

-реализует функции — широковещательное управление, доставку широ­ковещательных сообщений;

- оповещает пользовательские терминалы UE о состоянии сети и радио­ресурсов;

- рассылает информацию по радиосети;

- рассылает информацию всем уровням сети;

- устанавливает, обслуживает и освобождает RRC-соединения между UE  и UTRAN;

- осуществляет установление, реконфигурацию и освобождение радионо­сителей;

- осуществляет назначение, реконфигурацию и освобождение радиоре­сурсов для RRC-соединения;

- обеспечивает функции мобильности соединения;

- формирует UE-сообщение о результатах измерения;

- осуществляет управление мощностью;

- управляет шифрованием;

- осуществляет выбор и перевыбор первичной соты;

- обеспечивает достоверность информации.

Уровень RRC обеспечивает соединения сигнализации с верхними уров­нями с целью поддержания обмена информационными потоками между процессами верхнего уровня. Сигнальное соединение используется для передачи информации верхнего уровня между пользовательским оборудованием и ос­новной сетью. Для каждой локальной области сети сигнальное соединение может обслуживать в каждый момент времени только один вызов. В табл. 3.5 приведены процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами.

 

Протокол управления радиоканалом связи (RLC)

 

Протокол управления радиоканалом (RLC) [117, 124] при передаче ин­формации обеспечивает 3 режима работы:

1. Передача информации в режиме прозрачного обслуживания TrD (Trans­parent mode Data).

2. Передача информации в режиме без подтверждения правильного прие­ма данных (UMD — Unacknowledged Mode Data);

3. Передача и получение информации в режиме с подтверждением пра­вильного приема данных (AMD — Acknowledged Mode Data).

RLC выполняет следующие функции:

- сегментация и сборка сервисных блоков данных;

- последовательное соединение (конкатенация);

- дополнение информации для согласования форматов (например, нулей);

- передача пользовательских данных;

- коррекция ошибок;

-доставка протокольных блоков высокого уровня в исходном порядке следования ;

- управление потоком;

- проверка порядкового номера;

- обнаружение ошибок протокола и восстановление;

- шифрование;

- приостановка/возобновление функций.

Передаваемые блоки данных. Они могут содержать данные или сообще­ния управления протоколов сигнализации.

В соответствии с режимами протокол использует различные форматы:

Формат TrD (блок, передаваемый в прозрачном режиме). Формат TrD используется для того, чтобы передать с помощью RLC данные, поступившие от обслуживаемого уровня, не добавляя никаких заголовков.

Формат UMD (блок передачи информации в режиме без подтверждения о приеме данных). Формат UMD используется для того, чтобы передать по­следовательно пронумерованные протокольные блоки данных (PDU), содер­жащие RLC-данные исходного сервисного блока данных (SDU). При этом исходные данные сегментируются для включения в протокольные блоки. При таком режиме сегменты передаются без подтверждения правильности приема сегментов и их сборки.

Заголовок UMD PDU в первом октете содержит порядковый номер перво­го сегмента блока данных (для этого используются 7 старших разрядов). Да­лее заголовок RLC содержит индикаторы, указывающие длину каждого сег­мента, начиная с первого.

Формат AMD (блок приема и передачи в режиме обслуживания с под­тверждением о приеме данных). Как и в предыдущем случае, формат AMD используется для того, чтобы передать последовательно пронумерованные PDU, содержащие RLC-данные исходного блока SDU. Однако формат AMD

передает помимо пользовательских данных и другую информацию, позво­ляющую подтвердить правильный прием сегментов и поддержать процессы повторной передачи. Эта информация позволяет:

- сообщить передатчику о непринятых протокольных блоках, содержа­щих часть сегментов исходной информации;

- сообщить передатчику данные о согласовании скоростей передачи;

- сообщить приемнику данные о согласовании скоростей передачи.

Формат с вложением состояния PDU (Piggybacked Status PDU) наряду с пользовательскими данными содержит дополнительно вложенные данные для управления (например, данные о состоянии оборудования, сброса обору­дования или таймеров в исходное состояние и др.).

Подробное описание этих форматов приведено в [117, 124].

 

Протокол управления доступом к среде

 

Протокол управления доступом к среде MAC (Media Access Control) обеспечивает услуги передачи данных по логическим каналам [126]. Исполь­зуемый этим протоколом набор типов логических каналов определяется ви­дами услуг передачи данных.

Уровень MAC включает несколько групп протоколов:

- МАСЬ — протоколы работы с широковещательными каналами (ВСН — Broadcast Channel);

- MACc/sh — протоколы работы с общими каналами управления (СССН — Common Control Channels);

- MACd  — протоколы  работы  с  выделенными  каналами управления (DCCH — Dedicated Control Channel).

Каждый протокольный блок данных (PDU) содержит заголовок опции MAC и заголовок сервисного блока данных (MAC SDLJ). Оба этих заголовка имеют переменный размер.

Содержание и размер заголовка MAC зависят от типа логического канала, и в некоторых случаях не указывается ни один из параметров этих заголов­ков. Размер MAC SDU зависит от размера протокольного блока данных пре­дыдущих уровней, который определяется в процедуре установки протоколов. Структура заголовка протокола MAC представлена на рис. 3.13.

 

TCTF (Target Channel Type Field) — поле назначения канала. Оно обеспе­чивает идентификацию логического класса каналов, которые подразделяются на каналы случайного доступа (RACH) и каналы прямого доступа (FACH). Размер поля TCTF FACH для FDD — 2 или 8 битов в зависимости от двух старших битов, для TDD — 3 либо 5 битов в зависимости от значения трех старших разрядов. TCTF для TDD — 2 либо 4 разряда в зависимости от зна­чения двух старших битов.

Поле UE-Id type — поле длиной 2 бита, необходимое для того, чтобы га­рантировать правильную расшифровку поля UE-Id в заголовках MAC.

Значения этого поля:

00  — U-RNTI (UMTS Radio Network Temporary Identity) — временный идентификатор радиосети, входящей в UMTS;

01 — C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identity) — временный иден­тификатор соты радиосети;

10 — зарезервированы (PDU с этим кодом будет отклонен этой версией протокола);

11  — зарезервированы (PDU с этим кодом будет отклонен этой версией протокола).

Поле UE-Id обеспечивает идентификацию UE при передаче по транспорт­ным каналам. Определены следующие типы UE-Id, используемые в MAC:

- U-RNTI — может использоваться в заголовке MAC в выделенном канале управления (DCCH), когда он размещен в обычном транспортном канале;

- C-RNTI — используется в канале передачи данных {Date Transmission Channel) и в канале синхронизации данных (Date Synchronizer Channel) в режиме FDD и может использоваться в выделенном канале управле­ния DCCH; размещается в обычных транспортных каналах.

Длина поля UE-Id заголовка MAC следующая:

- U-RNTI — 32 бита;

- C-RNTI — 16 битов.

Поле С/Т обеспечивает идентификацию типа логического канала, когда имеется много логических каналов в одном и том же транспортном канале. В этом случае используется также для идентификации логического типа ка­нала на выделенных транспортных каналах и на FACH и RACCH, когда для их передачи используются пользовательские каналы передачи данных. Раз­мер поля С/Т — 4 бита. Он установлен и для обычных транспортных каналов, и для выделенных транспортных каналов.

Поле С/Т имеет следующие значения:

- 0000 — логический канал 1;

- 0001 — логический канал 2;

-  …

- 1110 — логический канал 15;

- 1111 — зарезервировано (PDU с таким кодом будут отклонены).

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5.2.   Прикладные протоколы

 

Управление соединением

 

Управление соединением (СМ — Connection Management) обрабаты­вает общий процесс управления установлением соединения, разъединения и управляет дополнительными услугами, а также службой передачи коротких сообщений. Он участвует в обслуживании следующих процедур:

- установление вызова;

- прекращение вызова (разъединение, освобождение приборов);

- процедур в фазе обмена информацией: хэндовер, переадресация соеди­нения и другие.

Формат сообщения этого протокола представлен на рис. 3.14. Значения поля «тип сообщения» формата СМ приведены в табл. 3.6.

 

 

 

 

 

Управление мобильностью (ММ — Mobility Management)

 

Управление мобильностью (ММ — Mobility Management) [117] вы­полняет функциии управления обновлением местоположения и процедурами регистрации, а так же защитой и аутентификацией. Формат ММ показан на рис. 3.15.

Поля формата имеют следующие значения:

- Дискриминатор протокола — 0101

- Индикатор шага обычно равен — 0000.

Значение поля «тип сообщения» в формате протокола ММ указан в табл. 3.7.

 

 

3.5.2.                       Протоколы различных уровней в системе UMTS

 

Три плоскости в интерфейсе Iub используют общие средства передачи в ре­жиме ATM для всех плоскостей. Физический уровень представляет собой ин­терфейс с физической средой: волоконно-оптическими кабелями, радиокана­лом или медным кабелем. Реализация на физическом уровне может выби­раться из большого ряда имеющихся на сегодняшний день стандартных тех­нологий передачи: SONET, SDH и др.

Принцип работы уровня адаптации протоколов сигнализации (плоскость управления) в режиме ATM изложен в [19]. Рассмотрим два случая.

Основная сеть (CN) применяет технологию коммутации каналов (CS). В этом случае задачу адаптации решает уровень адаптации для сигнали­зации (S-AAL Signaling ATM Adaptation Layer). Протоколы этого уровня со­держат следующие подуровни (рис. 3.16):

- сервисно-ориентированные функции координации (SSCF — Service Specific Coordination Function), которые разделяются на функции для интерфейса «пользователь-сеть» (SSCF UNI — User-Network Interface) и «сеть-сеть» (SSCF NNI — Network-Network Interface);

- сервисно-ориентированный   протокол   с   установлением   соединения (SSCOP — Service Specific Connection Oriented Protocol);

- общие протоколы уровня адаптации (для UMTS обычно пятый уровень адаптации  AAL5,  предназначенный для  высокоскоростной передачи данных).

Для управления сигнализацией применяются также некоторые из уровней систем сигнализации по общему каналу. Эти уровни рассмотрены в [1, 10, 11, 17, 35]. К ним относятся:

- SCCP (Signaling Connection Control Part) — подсистема управления со­единениями сигнализации. Кратко этот уровень был рассмотрен при описании протоколов GSM. Подсистема предназначена для обеспече­ния логических соединений при передаче блоков данных сигнализа­ции;

- МТР-3 — подсистема передачи сообщений третьего уровня, обеспечи­вает сетевые функции, например, маршрутизацию сигнальных сообще­ний, управление потоками сигнализации, переход на резерв и т.д.

При выполнении функций могут быть отдельные отклонения. Например, пакет протоколов для плоскости управления транспортной сетью состоит из протокола сигнализации для установления соединений AAL2 (Q.2630.1) и уровня адаптации (Q.2150.1) без уровня SCCP.

Основная сеть (C7V) применяет технологию пакетной коммутации (PS). Тогда применяются средства, используемые в сети Интернет (рис. 3.17).

MUA-3 (Mail User Agent) — протокол агента пользователя (почты) третьего уровня. Этот протокол позволяет подключаться к хосту Интернета.

SCTP (Stream Control Transmission Protocol) — транспортный протокол управления потоком. Он был введен в стек протоколов TCP/IP-2000 [112]. Это новый транспортный  протокол,  который  вводится  на транспортном уровне наряду с существующими протоколами IP и UDP. Он обеспечивает достоверность передачи информации по сети без ошибок и нарушения после­довательности. Подобно TCP он ориентирован на систему с установлением соединения. В отличие от TCP он обеспечивает транспортировку сообщений сигнализации с учетом особенностей этой информации. Подробно протокол рассмотрен в [112].

Для плоскости управления транспортным уровнем сети с коммутацией пакетов в целях адаптации к сети ATM применяется протокол GTP (GPRS Tunnelling Protocol) — протокол туннельной проводки GPRS. Туннельная проводка допускает прозрачную передачу информации между различными узлами, т.е. без ее обработки и преобразования.

 

3.6.        Процедуры сигнализации UTRAN

 

По сравнению с системой GSM система UMTS имеет много дополнительных возможностей по управлению соединениями и услугами. Это объясняется, в первую очередь, следующими обстоятельствами:

- наличием дополнительных каналов между RNC (контроллерами управ­ления радиосетью) по интерфейсу Iur;

- возможностью  одновременной работы  UE с несколькими  узлами В (BTS).

Кроме того, добавляются процедуры взаимодействия с существующей се­тью GSM. Поэтому количество возможных процедур велико. Рассмотрим только некоторые из них. Большое число примеров процедур сети UMTS приведено в документах группы 3GPP [58, 118, 126, 129], а также в источни­ках [88, 89, 99,100,116,118].

На рис. 3.18 показаны каналы и протоколы UE и UTRAN, применяемые при установлении и в процессе соединения [116, 118]. Состав сигналов, про­цедур и сообщений прикладного уровня приведен в табл. 3.8-3.10.

 

3.6.1. Протоколы прикладного уровня сети радиодоступа

 

RANAP (RAN Application Protocol) — прикладной протокол сети радиодос­тупа в интерфейсе Iub. Он управляет сигнализацией и установлением кана­лов туннельной проводки (GTP — GPRS Tunneling Protocol), т.е. каналов про­зрачной передачи данных между контроллером управления радиосетью (RNC), узлом обслуживания с поддержкой GPRS (SGSN), а также сигнализа­цией и установлением каналов сигнализации с MSC для систем третьего поколения [87, 113]. Он также обеспечивает канал сигнализации для прозрач­ной передачи сообщений между UE и базовой сетью (CN). Протокол RANAP обеспечивает процедуры для доступа к радиосредствам, службам RNC, a также процедуры перехода к другой станции. RANAP обеспечивает три типа услуг:

- общие услуги управления;

- услуги уведомления;

- специализированные услуги управления.

Процедуры и сообщения прикладного уровня сети радиодоступа (RANAP) показаны в табл. 3.8.

 

3.6.2.                       Прикладной протокол взаимодействия базовых станций

 

Прикладной протокол взаимодействия базовых станций (NBAP — Network Base station Application Protocol) используется для работы по интерфейсу Iur. Он включает в себя общие и специализированные процедуры, охватывая процедуры для широковещательного распределения информации, запроса.

Подобно большинству протоколов, основанных на нотации абстрактного синтаксиса (abstract syntax notation one), протокол NBAP может передавать много типов сообщений, которые доставляют большой объем данных.

Заголовок протокола NBAP организован таким образом, что каждый PDU NBAP имеет уникальный формат заголовка, который содержит некоторое число полей. На рис. 3.19 приводится пример первоначального сообщения PDU NBAP.

Протокол реализован с использованием правил ASN.1 — формального языка для определения объектов [69].

Сообщение содержит следующие поля:

Тип NBAP PDU. Тип передаваемого протокольного блока данных.

Процедура ID. Должна использоваться при диагностике, как часть проце­дуры обнаружения ошибки (error indication).

Код процедуры. Вместе с полем «тип протокольного блока данных» уни­кально идентифицирует передаваемое сообщение.

Критичность процедуры. Используется, чтобы известить о критичности запускающего сообщения (процедуры).

Дискриминатор сообщения. Используется для того, чтобы различить специализированные и общие (обычные) сообщения NBAP.

Переход ID. Используется, чтобы связать все сообщения, принадлежащие одной и той же процедуре.

Процедуры и сообщения NBAP приведены в табл. 3.9.

 

3.6.3.                       Процедуры и сообщения прикладной подсистемы радиосети

 

Процедуры прикладной подсистемы радиосети (RNSAP — Radio Network Subsystem Application Part) подразделяются на следующие модули:

- управления мобильностью;

- управления по каналу DCH (Dedicated transport Channel);

- глобальные процедуры.

Модули базовых процедур управления мобильностью содержат процеду­ры, используемые при перемещении внутри сети UTRAN, и управляют транспортными потоками данных по интерфейсу Iur.

DCH-процедуры используются для обработки сообщений, поступающих по каналам DCH между двумя RNC через интерфейсу Iur.

Модуль глобальных процедур содержит процедуры, не относящиеся к специфике UE. Эти процедуры в отличие от упомянутых выше работают по принципу «процесс-процесс».

Заголовок RNSAP имеет вид, представленный на рис. 3.20, а процедуры и сообщения приведены в табл. 3.10.

Поля на рис. 3.20 имеют следующие значения [69].

Тип сообщения указывает на модули, перечисленные выше.

Идентификатор сообщения указывает на процедуры (табл. 3.10).

Процедуры сигнализации изложены в основном документе 3GPP [118]. Описание процедур не является стандартом или типовым примером, оно по­казывает некоторую технику обмена сигналами и действий в процессе об­служивания заявок пользователей.

 

3.6.4.                       Нотация сигнальных процедур

 

Приводимые ниже сигнальные процедуры показывают последовательность взаимодействия протоколов на различных узлах. Для изображения этих про­цедур применяются правила, изложенные в документе «Диаграмма обмена последовательностями» и в документе 3GPP «25.931 VI.1.0 1 1999-06». Они состоят в следующем:

- сообщениями обмениваются только узлы, т.е. передатчик и приемник сообщений не представляют собой объекты протокола (программы);

- объекты протокола указаны внутри графических узлов, из которых по­сылаются сообщения, и графически представлены эллипсами, содержа­щими имя протокола этого объекта;

- каждое сообщение пронумеровано, чтобы ниже рисунка можно было дать пояснения в порядке этой нумерации;

- параметры сообщений могут быть при необходимости указаны;

- передача по отдельному сигнальному каналу указана сплошной стрелкой;

- передача по каналу внутри информационного канала показана пунктир­ной линией;

- описание сложных действий показывается в шестиугольнике в виде имени этого набора действий;

-установление и освобождение интерфейсов Iub/Iur транспортных средств переноса данных (DTB — Data Transport Bearer) с помощью прикладного протокола управления звеном доступа (ALCAP) обознача­ется специальной фигурой;

- транспортный канал, используемый в протоколе доступа, или логиче­ский канал, используемый в RLC или RRC, могут быть указаны перед сообщением.

Учет этих правил необходим для дальнейшего анализа диаграмм рассмат­риваемых процедур.

 

3.6.5.                       Процедура широковещательной передачи информации

 

Эта процедура глобальная, т.е. относится ко всем элементам сети. Ее диа­грамма показана на рис. 3.21. На нем отображен принцип рассылки широко­вещательных сообщений от базового узла (CN). Широковещательная информация, обозначенная на рисунке как системная (оператор 1), передается на управляющий RNC — CRNC (Control RNC). Далее она пересылается на оп­ределенный узел В (оператор 2). Этот узел определяет, является ли информа­ция широковещательной, и далее передает ее всем UE в управляемой соте, на рис. 3.21 трем UE (операторы 3-5).

 

 

3.6.6.   Процедуры оповещения

 

В этом разделе рассматриваются примеры двух процедур оповещения (paging):

- оповещение свободного UE (рис. 3.22);

- оповещение UE, имеющего соединение (рис. 3.23).

Первая процедура заключается в том, что станция запрашивает свобод­ный UE. Этот вызов с номером абонента передается по управляемым сотам. Требуемый UE устанавливает сигнальное соединение, после чего базовый узел может начать конкретное взаимодействие.

Рассмотрим первую из указанных процедур — оповещение (paging) для VE на уровне управления радиоресурсом (RRC) в режиме «свободно» (рис. 3.22).

1. Основная сеть (CN) инициирует оповещение UE в зоне нахождения (LA — Location Area), охватывающей два RNC (RNC1 и RNC2), с помощью сообщения RANAP (прикладного уровня сети радиодоступа) оповещение (paging).

Параметры сообщения: идентификатор UE, тип сообщения — оповеще­ние (широковещательная передача вызова).

2.  RNC1 и RNC2 передают это сообщение с помощью NBAP (прикладной подсистемы базовой станции) к соответствующим узлам В (например, Node В 1.1, Node В 1.2).

Параметры сообщения: идентификатор UE.

3. Оповещение UE, выполняемое в соте 1. Надпись «РССН: Paging» на рис. 3.22 обозначает широковещательную рассылку по широковещательному управляющему каналу оповещения.

4. Оповещение UE, выполняемое в соте 2.

5. UE обнаруживает сообщение оповещения, например от RNC1, и начи­нает процедуру установления сигнального канала для передачи с помощью слоя без доступа (NAS — Non-Access Stratum). Теперь по установленному сигнальному каналу может идти передача сообщений.

Рассмотрим вторую процедуру — оповещение для UE, имеющего соеди­нение на уровне управления радиоресурсом RRC (рис. 3.23).

В этом случае для передачи широковещательного сообщения применяется выделенный канал управления DCCH (Dedicated Control Channel).

Процедура применяется, например, при подготовке к работе со службой коротких сообщений SMS. Последовательность процедуры следующая:

1. Основная  сеть  инициирует оповещение UE с помощью сообщения RANAP прикладного уровня сети доступа.

2. Обслуживающий RNC (SRNC) передает широковещательное сообще­ние оповещение (paging) с помощью уже установленного выделенного кана­ла управления DCCH, используя протоколы уровня управления радиоресур­сами (RRC).

 

 

 

 

 

3.6.7.   Установление сигнального канала для передачи с помощью системы, не разделенной на уровни

 

Следующие примеры иллюстрируют установление сигнального соединения либо от UE, либо от CN через слой NAS. Напомним, что NAS — это слой без доступа (Non-Access Stratum) — информация, переносимая между CN и UE через UTRAN.

 

Установление сигнального соединения NAS от UE

 

Этот пример (рис. 3.24) показывает установление сигнального соединения NAS от UE, включающего:

1. Установление соединения для работы по протоколу RRC (RRC-соединение, см. сигналы в табл. 3.5).

2. UE посылает контроллеру SRNC сообщение протокола RRC информа­ция о возможностях UE

Параметры: возможности UE, например, максимальное число одновре­менно работающих радиолиний связи, максимальная мощность передатчика, поддерживаемые типы радиодоступа.

Замечание: Для ускорения передачи начального сообщения NAS сообще­ние RRC информация о возможностях может быть передано на шаге 3, по­сле передачи первоначального сообщения.

3.  UE передает контроллеру SRNC RNC-сообщение протокола RRC пря­мая передача.

Параметры: сообщение прямая передача может содержать, например, запрос уровня СМ на услугу, запрос на изменение местоположения, вызов се­ти GSM, и.т.д.; индикатор основной сети указывает номер узла основной сети (CN), на которую должно быть отправлено сообщение NAS.

4. SRNC инициирует установление сигнального соединения к CN и пере­дает RANAP-сообщение первоначальное сообщение UE.

Параметры: первоначальное NAS-сообщение может содержать, например, запрос уровня СМ на услугу, запрос на изменение местоположения, вызов се­ти и.т.д.

Сигнальное соединение NAS между UE и CN может теперь использовать­ся для передачи сообщений NAS.

 

3.6.8. Установление соединения RRC с использованием специализированного транспортного канала

 

Следующий пример показывают установление соединения RRC на специализированном транспортном канале (DCH) либо на общем транспортном кана­ле. Сначала устанавливается канат DCH. Далее SRNC использует канал DCH для создания RRC-соединения, распределения временных номеров радиосети (RNTI) и радиоресурсов RRC-соединения. Порядок выполнения действий представлен на рис. 3.25.

1. UE инициирует установление соединения передачей сообщения запрос на установления соединения RRC по общему каналу управления (СССН — Common Control Channel).

Параметры: идентификатор UE, причина соединения.

2. После выделения и занятия ресурсов для установления транспортного канала DCH, к узлу В (BTS) посылается сообщение вызов радиосоединения.

Параметры: идентификатор соты, тип формата транспортировки, код скремблирования (для FDD), информация о временных слотах (для TDD), пользовательские коды (для TDD), информация об управлении мощностью.

3. Узел В занимает ресурсы, начинает физический прием и посылает со­общение ответ на вызов радиосоединения.

Параметры: тип оконечного терминала сигнальной линии, информация адресации на транспортном уровне (адрес AAL2, адреса связи AAL2) для транспортных каналов Iub.

4. SRNC инициирует среду переноса на транспортном уровне. Для этого он использует прикладной протокол управления звеном доступа ALCAP (Асcess Link Control Application Protocol). Соответствующее сообщение содер­жит информацию о связи между транспортной средой доставки AAL2 и ка­налом DCH. Запрос для установления транспортных каналов Iub подтвержда­ется узлом В.

5. Узел В и SRNC устанавливают синхронизм для транспортных каналов Iub. Затем узел В начинает передачу (только для FDD).

6. По  каналу  СССН  посылается  сообщение  запрос  на  установление RRC-соединения от SRNC к UE.

Параметры: идентификатор UE, временный сетевой номер радиосети (RNTI), тип формата транспортировки, код скремблирования (для FDD), ин­формация о временных слотах (для TDD), пользовательские коды (для TDD), информация об управлении мощностью.

 

 

 

 

 

3.7.   Процедуры мягкого хэндовера

 

В рамках UMTS применяется хэндовер, который во многом повторяет кон­цепцию, принятую для других систем CDMA. Имеется три типа хэндовера — жесткий, мягкий и более мягкий. Все три типа применяются в зависимости от обстоятельств.

Жесткий хэндовер используется при передаче соединения системе преды­дущего поколения. В данном случае соединение, работающее на одной час­тоте, должно быть передано каналу другой частоты. При таких обстоятельст­вах одновременный прием информации несколькими станциями невозможен, и при передаче соединения оно должно быть прервано.

Мягкий хэндовер не может быть реализован системами предыдущих по­колений мобильной связи. В системах, использующих технологию CDMA, возможна работа смежных сот на одной и той же частоте. В результате воз­можно, что UE получит сигналы из RNC двух смежных сот и они также смо­гут получить сигналы от одного и того же UE. Такое явление называется мяг­ким хэндовером.

Более мягкий хэндовер заключается в том, что каналы от двух RNC вос­принимаются как один объединенный, и один из каналов исключается после его значительного ослабления. Передача вызова с помощью мягкого хэндо­вера обычно происходит при переходе управления в разных секторах одной соты.

Решение о передаче вызова в общем случае принимается контроллером радиосети RNC. Он непрерывно следит за уровнем сигналов, поступающих на UE и узел В, и когда их уровень падает ниже заданного уровня (а имеются радиоканалы с лучшими характеристиками), запускается процесс хэндовера.

Частью процесса слежения (мониторинга) является измерение кода мощности принятого сигнала (RSCP — Received Signal Code Power) и индикатора уров­ня принимаемого сигнала (received signal strength indicator). Эта информация возвращается узлу В по управляющим каналам, а следовательно RNC.

Если требуется жесткий хэндовер, то RNC дает команды UE для измере­ния качества каналов в других сотах.

Всякий хэндовер включает два подпроцесса:

- установление нового канала (дополнение радиоканала);

- удаление старого канала (удаление канала).

В случае мягкого хэндовера установление нового канала осуществляется до удаления старого, что иллюстрируется приводимыми ниже алгоритмами дополнения и удаления радиоканала.

Рассмотрим эти подпроцессы.

 

3.7.1. Дополнение радиоканала

 

Этот пример (рис. 3.26) описывает установление соединения по радиоканалу от дрейфующего RNC (DRNC), который отличается от текущего обслужи­вающего RNC (SRNC), через узел В (BTS). Этот канал будет существовать параллельно с существующим, и в этом смысле он является разнесенным ка­налом.

Рассмотрим этапы процесса дополнения радиоканала (рис. 3.26).

1. SRNC устанавливает радиосоединение через новую соту, управляемую другим радиоконтроллером (DRNC), запросом ресурсов. Если это первое со­единение через DRNC для данного UE, то Iur устанавливает сигнальное со­единение между RNC. Это сигнальное соединение будет использоваться для сигнальных сообщений всех прикладных подсистем RNSAP, относящихся к данному UE. Для этого прикладная система RNSAP посылает сигнальное со­общение дополнить радиосоединение.

Параметры: идентификатор соты, тип формата транспортировки, код скремблирования (для FDD), информация о временных слотах (для TDD), пользовательские коды (для TDD), код каналообразования, информация об управлении мощностью.

2. Если требуемые ресурсы доступны, DRNC посылает с помощью при­кладной подсистемы базовой станции (NBAP) к узлу В, управляемому этим DRNC, сообщение радиосоединение установлено.

Параметры: идентификатор соты, тип формата транспортировки, код скремблирования (для FDD), информация о временных слотах (для TDD), пользовательские коды (для TDD), код каналообразования.

3. Узел В выбирает и закрепляет за данным соединением выбранные ре­сурсы, сообщая, в случае успешного результата, передачей сообщения ответ на установление радиосоединения с помощью подсистемы NBAP.

Параметры: тип оконечного терминала, адресная информация транспорт­ного уровня (адрес AAL2, идентификаторы связи AAL2 для транспортных каналов).

Затем узел В начинает прием пользовательской информации.

4. DRNC с помощью подсистемы RNSAP посылает SRNC сообщение от­вет на дополнение радиосоединення.

Параметры: код каналообразования, адресная информация транспортного уровня (адрес AAL2, идентификаторы связи AAL2 для транспортных кана­лов), информация о соседних сотах.

5. SRNC инициирует установление транспортных каналов передачи дан­ных, использующих прикладные протоколы управления доступом (ALCAP) для установления соединения. Они используют протоколы уровня AAL2, ин­терфейсы Iur/Iub и DCCH. Это повторяется для каждого интерфейса Iur/Iub, который используется.

6. Узел В и SRNC проводят синхронизацию средств транспортировки данных для всех установленных радиоканалов. Затем узел В начинает пере­дачу данных по этим каналам.

7. SRNC посылает по каналу DCCH RRC-сообщение активизация об­новления данных (для дополненного соединения) к UE (см. табл. 3.5).

Параметры: тип сообщения обновление данных, идентификатор соты, параметры скремблирования, код каналообразования, информация, которая предназначена для управления мощностью (номера N-каналов).

8. UE подтверждает RRC-сообщением активизация обновления данных закончена.

 

3.7.2. Удаление радиоканала

 

Этот пример (рис. 3.27) иллюстрирует удаление соединения по радиоканалу, когда узел В управляется по радиоканалу от дрейфующего RNC (DRNC), ко­торый отличается от обслуживающего RNC (SRNC).

Рассмотрим этапы удаления радиоканала (рис. 3.27).

1. SRNC решает удалить радиосоединение, которое проходило через ста­рую соту, управляемую другим RNC (предыдущим). SRNC (новый контрол­лер) посылает к UE по каналу DCCH RRC-сообщение активизация обнов­ления данных (удалить радиолинию).

Параметры: тип сообщения — удалить, идентификатор соты.

2. UE останавливает прием по старой ветви и подтверждает это с помо­щью RRC-сообщения активизация обновления данных закончена.

3. SRNC (новый контроллер) запрашивает DRNC (старый контроллер) ос­вободить размещенные радиоресурсы. Это делается с помощью сообщения удалить радиосоединение.

Параметры: идентификатор соты, информация о транспортном соедине­нии.

4. DRNC посылает узлу В NBAP-сообщение радиосоединение удалено. Параметры: идентификатор соты, информация о транспортном соедине­нии.

5. Узел В освобождает занятые радиоресурсы и в случае успешного ре­зультата посылает NBAP-сообщение ответ на удаление радиосоединения.

6. DRNC посылает к SRNC (новый контроллер) RNSAP-сообщение ответ на удаление радиосоединения.

7. SRNC инициализирует разъединение транспортных каналов передачи данных, используя протокол ALCAP.

 

3.7.3. Одновременное дополнение и удаление соединений

 

Этот пример показывает одновременное дополнение и удаление радиосоеди­нения, проходящего через узел В, который управляет по радиоканалу кон­троллером RNC (DRNC), отличающимся от обслуживающего (SRNC). На­помним, что после обновления данных в процедуре удаления контроллеры меняют свои роли — дрейфующий RNC становится обслуживающим и на­оборот. Процедура представлена на рис. 3.28.

Порядок действий следующий:

1-6. Повторяет пп. 1-6 процедуры дополнения радиосоединения.

7. SRNC посылает по DCCH RRC-сообщение активизация обновления данных. Эта команда имеет две модификации дополнить и разъединить. В данном случае она вызывает процедуру удаления радиосоединения.

Параметры: тип соединения — обновление данных, идентификатор соты, параметры скремблирования, код каналообразования, информация управле­ния мощностью (N-каналы).

8. UE дезактивирует прием данных через старое соединение и активирует прием данных через новую ветвь, посылая сообщение активизация обнов­ления данных закончена.

9-11. Соответствуют описанию п.п. 4, 5, 7 процедуры удаления радиосо­единения (см. рис. 3.27).

 

 

3.8.  Процедуры жесткого хэндовера

 

3.8.1.             Жесткий хэндовер между контроллерами одной основной сети

 

Рассматривается случай передачи управления от SRNC к DRNC, принадле­жащих одной основной сети (CN) представленный на рис. 3.29. Сущность процесса следует из этого рисунка. Процесс содержит операции дополнения и удаления радиоканалов, которые рассмотрены выше.

 

3.8.2. Хэндовер с использованием интерфейса lur

 

Контроллеры RNC сети UMTS могут иметь сигнальные каналы, непосредст­венно связывающие RNC и UMTS друг с другом. Они могут быть использо­ваны для хэндовера, что иллюстрируется диаграммой на рис. 3.30.

При этом виде хэндовера выполняется следующая последовательность действий;

1.  Получив результаты измерения, SRNC принимает решение о начале хэндовера.

2. С использованием интерфейса lur устанавливается общий канал управ­ления (СССН).

3. По этому каналу передается RNSAP-сообщение команда хэндовера.

4. Далее она транслируется с помощью RRC.

5-8. Выполняется обычный набор команд завершения хэндовера.

 

 

3.8.3. Хэндовер с использованием специализированных транспортных каналов интерфейса lur. Организация каналов DCH

 

По интерфейсу между RNC могут быть установлены специализированные транспортные каналы, в частности, DCH. Хэндовер в данном случае включа­ет следующие этапы (рис. 3.31):

1. SRNC  посылает сообщение  запрос  на  вызов  радиосоединения  к RNC-цели.

Параметры: идентификатор RNC-цели, временный номер в радиосети (RNTI), идентификатор соты, набор форматов транспортного уровня.

2. Целевой RNC принимает RNTI, выбирает радиоресурсы для подключе­ния (если это возможно) и посылает узлу В на уровне прикладной подсисте­мы базовой станции (NBAP) сообщение вызов радиосоединения.

Параметры: идентификатор соты, транспортный формат, номинал несущей частоты, код скремблирования (только для режима FDD), номер временного положения, код пользовательского канала (только для режима TDD), код каналообразования (только для FDD), информация для управления мощностью.

3. Узел В выбирает ресурсы и начинает физический прием, после чего от­вечает NBAP-сообщением ответ на вызов радиосоединения.

Параметры: тип оконечного сигнального оборудования, адресная инфор­мация для транспортных средств интерфейса Iub.

4. RNC-источник, используя протокол ALCAP, инициирует установление каналов передачи данных транспортного уровня. Запрос на инициирование содержит идентификаторы связи с уровнем AAL2 и «привязывает» Iub к DCH. Этот запрос на установление каналов передачи данных транспортного уровня Iur подтверждается узлом В-цель.

5. Когда целевой RNC заканчивает фазу подготовки, он посылает SRNC сообщение ответ по запросу на вызов.

6. SRNC, используя протокол ALCAP, инициирует установление соеди­нения транспортных каналов интерфейса Iur. Этот процесс содержит иден­тификаторы связи с уровнем AAL2 для обеспечения связи транспортных ка­налов интерфейса Iur с каналом DCH. Запрос на установление транспортных каналов интерфейса Iur — это подтверждение целевым RNC.

7. SRNC посылает RRC-сообщение команда на хэндовер к UE.

8. Когда RRC-соединение с целевым RNC установлено и выделены необ­ходимые ресурсы, UE посылает сообщение хэндовер окончен к SRNC.

9. SRNC   посылает   RNSAP-сообщение  удаление   радиосоединения   к RNC-источнику.

10. RNC-источник посылает NBAP-сообщение удаление радиосоедине­ния к узлу В-источнику.

Параметры: идентификатор соты, адресная информация транспортного уровня.

11. Узел В-источник освобождает радиоресурсы. Если они освобождены, он посылает к RNC-источнику сообщение ответ на удаление радиосоединения.

12. RNC-источник, используя протокол ALCAP, инициирует разъедине­ние транспортных каналов передачи данных.

13. Когда RNC-источник завершает освобождение, он посылает RNSAP сообщение ответ на удаление радиосоединения.

14. SRNC, используя протокол ALCAP, инициирует разъединение транс­портных каналов передачи данных интерфейса Iur. Этот процесс использует идентификаторы связи с уровнем AAL2 для связи транспортных каналов ин­терфейса Iur с каналом DCH. Запрос на освобождение транспортных каналов интерфейса Iur — это подтверждение целевым RNC.

 

3.8.4.   Хэндовер с коммутацией на основной сети

 

В рассматриваемом случае UE перемещается между зонами, принадлежащи­ми разным MSC. Обслуживающий RNC (SRNC) принимает решение осуще­ствить жесткий хэндовер через основную сеть (CN). SRNC также определяет, какой RNC может быть целью перемещения. Процедура хэндовера иллюст­рируется рис. 3.32. Рассмотрим ее более детально.

1-2. RNC-источник посылает сообщение запрос на изменение местопо­ложения обоим узлам основной сети.

Параметры: идентификатор целевой сети, указатель направления инфор­мации к основной сети и указатель на то, что эта информация должна быть прозрачно передана целевому RNC.

3-4. Когда станции основной сети (CN) заканчивают подготовку к изме­нению местоположения, они передают целевому RNC сообщение запрос на изменение местоположения.

Параметры: идентификаторы каналов, которые могут быть затребованы для перемаршрутизации соединения, запрос на изменение положения, пере­даваемый узлом В-цель, желательный тип маршрутизации («точка» или «много точек» или жесткое заранее определенное соединение).

5-6-7. Целевой RNC и CN устанавливают интерфейс Iu транспортных каналов передачи для каждого узла основной сети. Когда RNC заканчивает подготовительную фазу, он посылает узлам основной сети сообщение под­тверждение запроса на изменение местоположения.

Параметр: указатель прозрачной передачи информации об изменении ме­стоположения к RNC-источнику.

8-9. Когда основная часть готова к изменению RNC, ее узел посылает команду на изменение местоположения.

Параметры: информация для целевого RNC.

10. RNC-источник посылает UE RRC-сообщение команда хэндовера (жесткий хэндовер).

11-12. Когда целевой RNC обнаруживает UE, он посылает к узлу основной сети сообщение обнаружено изменение местоположения. Целевой RNC, когда обнаруживает UE, переключает новое соединение к новому Iu. После подключе­ния пользовательской линии от узла В осуществляется установление соединения с новыми субъектами оборудования управления радиодоступом/радиосоедине­нием (MAC/RLC) и к оборудованию группового радиодоступа узлов В.

 

13. Когда установлено RRC-соединение с целевым RNC и найдены необ­ходимые радиоресурсы, UE посылает RRC-сообщение хэндовер закончен целевому RNC.

14-15. После успешного переключения и выбора ресурсов на целевом RNC последний посылает MSC/SGSN 1 сообщение хэндовер закончен.

На любой фазе, прежде, чем посылается сообщение хэндовер закончен, старое коммутационное соединение между основной сетью и UE существует и работает, процедура хэндовера может быть приостановлена, и соединение легко восстановлено в прежней конфигурации. Если внезапно случается не­предвиденная ситуация, то сообщение ошибка при изменении местополо­жения может быть передано вместо любого из сообщений, которые приведе­ны в пп. 3-10, 13-14.

16-17. Узел основной сети инициирует запрос на разъединение Iu-соеди-нения к RNC-источнику, посылая RANAP-сообщение команда на освобож­дение Iu.

18. После получения запроса на разъединение от узлов основной сети RNC-источник выполняет все необходимые процедуры для освобождения всех ресур­сов UTRAN, которые были связаны с рассматриваемым соединением RRC.

 

 

3.9.  Изменение местоположения

 

3.9.1.   Изменение местоположения соты с изменением обслуживающего RNC

 

Этот пример (рис. 3.33) показывает изменение местоположения RNC с пере­ключением на узле основной сети при изменении обслуживающего RNC.

На рисунке представлен алгоритм работы при перемещении UE к новой RNC-цели. Рассматривается момент, когда уже выполнена часть алгоритма, в которой обслуживающий SRNC обнаруживает, что величина мощности сиг­нала от UE меньше заданного порога, и с помощью CN определена сота (RNC-цель), в которую должно переместиться UE.

Опишем этапы рассматриваемого процесса:

1. RNC-цель получает и декодирует сообщение по общему управляющему каналу — СССН. В этом сообщении содержится идентификатор RNC-цели и временный номер UE. После этого RNC-цель назначает новый сотовый вре­менный номер радиосети C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identifier). Этот номер позволяет идентфицировать станцию на время ее перехода к дру­гому контроллеру.

2. Присвоенный номер передается с помощью RNSAP обслуживающему RNC (SRNC). SRNC принимает решение для передачи UE RNC-цели.

3. Процедура изменения местоположения соты аналогична уже рассмот­ренной на рис. 3.32. В результате этой процедуры назначается обслуживаю­щий временный номер радиосети (S-RNTI — Serving Radio Network Tempo­rary Identifier) на все время пребывания в новом местоположении.

4. RNC-цели присваивается значение обслуживающего временного номе­ра RNC (SRNC), RRC посылает СССН-сообщение подтверждение обновле­ния соты, которое включает в себя старый S-RNTI, новый S-RNTI, иденти­фикаторы старого и нового SRNC.

 

 

3.9.2. Хэндовер между базовой станцией системы GSM и сетью на­земного радиодоступа UMTS (UTRAN)

 

Этот вид хэндовера иллюстрирует рис. 3.34. Основная особенность рассмат­риваемого случая состоит в том, что выполняется процедура жесткого хэндо­вера. Устройства сети UTRAN обеспечивают физическую совместимость с системой GSM. Последовательность выполнения процесса следующая.

1. С помощью BSSMAP BSC передает MSC GSM-сообщение запрос хэн-довера.

2. MSC передает МАР-сообщение подготовка хэндовера основоной сети UMTS (CN UMTS).

3. CN передает RANAP-сообщение запрос изменения местоположения целевому RNC.

4. Ответ подтверждение запроса на изменение местоположения воз­вращается целевым RNC к CN с помощью RANAP-сообщения.

5. MSC передает основной сети UMTS (CN UMTS) МАР-сообщение от­вет на подготовку хэндовера.

6-7. Эти шаги являются нормальными процедурами GSM.

8. Когда целевой RNC обнаруживает UE, узлу CN передается сообщение обнаружена команда на изменение местоположения.

9. Когда RRC-соединение с целевым RNC установлено и необходимые радиоресурсы распределены, UE передает сообщение хэндовер закончен це­левому RNC.

10. После завершения процесса окончания хэндовера целевой RNC пере­дает RAN АР-сообщение изменение местоположения закончено к CN.

11. CN передает МАР-сообщение запрос на окончание к MSC.

12. MSC передает сообщение команда освобождения BSC.

13. BSC отвечает устройствам сети GSM сообщением освобождение за­кончено.

14. MSC передает МАР-сообщение ответ на запрос окончания основной сети UMTS (CN UMTS) для завершения процедуры.

 

 

3.10.   Физический уровень UMTS

 

Физический уровень UMTS/WCDMA полностью отличается от решений, применяемых в GSM. Он использует технологию расширения спектра пере­дачи в виде, применяемом в CDMA, а не технологию TDMA, которая приме­няется в GSM. Кроме того, UMTS работает в другом диапазоне частот.

 

Частоты

 

В настоящее время имеется шесть полос частот, определенных для ис­пользования в UMTS/WCDMA, хотя другие не запрещены. Однако все диапа­зоны, применяемые в настоящее время, выбираются около частоты 2000 МГц. Международная конференция администраций по радиочастотам (WARC — World Administrative Radio Conference) еще в 1992 году администрациям, предполагающим внедрить IMT-2000, рекомендовала не занимать диапазоны 1885-2005 и 2110-2200 МГц. Целью такой рекомендации было облегчение всемирного роуминга для пользователей UMTS.

В пределах этих полос были зарезервированы участки для различных приложений:

- 1920-1980 и 2110-2170 МГц — для дуплексного режима разделения по частоте (FDD) и WCDMA, а также создания парных каналов связи от узла В к UE (downlink) и от UE к узлу В (uplink) с шириной каждого ка­нала — 5 МГц и расстоянием между каналами — 200 кГц. Операторам необходимы 3-4 диапазона (2x15 МГц или 2x20 МГц) для построения быстродействующей сети большой емкости;

- 2010-2025 МГц — для дуплексного режима разделения времени (TDD, TD/CDMA). Непарные каналы с шириной каждого канала — 5 МГц и расстоянием между каналами — 200 кГц. Передача и прием не отделе­ны по частоте;

- 1980-2010 МГц — для спутникового канала связи от абонента к стан­ции и от UE к узлу В (uplink), а также 2170-2200 МГц — от станции к абоненту и от узла В к UE (downlink).

Как упоминалось выше, в России для систем 3G распределяются диапазо­ны 1935-1950, 2010-2015, 2225-2240 МГц.

UMTS использует транспортный механизм WCDMA для транспортиров­ки информации. Каждый канал занимает диапазон 5 МГц. Для передачи ин­формации от узла В к UE и в обратном направлении применяются различные способы модуляции. Для передачи от узла В к UE применяется квадратурно-фазовая манипуляция (QPSK). Для передачи в обратном направлении исполь­зуются два отдельных канала для того, чтобы прямые и обратные линии пе­редачи речи не влияли друг на друга. Эта проблема была обнаружена в GSM. Для образования двойного канала используются специальные модулято­ры-демодуляторы, работающие на основе DQPSK (дифференциальной QPSK). При квадратурной модуляции для передачи по каждому из каналов использу­ются различные фазы модуляции (I и О) или квадратурный выход модулятора.

 

Расширение полосы частот (spreding)

 

Передаваемые данные кодируются расширяющим кодом, конкретным для каждого пользователя. После такого кодирования информацию может рас­шифровать только желательный получатель. Все другие появляющиеся сиг­налы отделяются как шум. Это позволяет нескольким пользователям одно­временно использовать один радиочастотный канал.

Коды исходного сигнала CDMA умножаются на расширяющую кодовую последовательность (spreading code), что увеличивает ширину полосы, зани­маемую сигналом. Для WCDMA каждый физический канал расширяется уникальной последовательностью. Полный коэффициент расширения (отно­шение ширины полосы частот в радиоканале к скорости передаваемой ин­формации) изменяется, что позволяет в наибольшей степени использовать полосу пропускания. В той мере, как будет изменяться требуемая скорость от приложения к приложению, соответственно будет изменяться коэффициент расширения.

При передаче информации от узла В к UE скорость передачи равна 3,84 Мчип/с. При использовании QPSK возможна передача двух бит на каж­дый символ (чип). Таким образом скорость в канале будет равна 7,68 Мбит/с. Если фактическая скорость передачи данных равна 15 кбит/с, то коэффици­ент расширения составляет 512. Если скорость передачи данных будет выше, чем скорость расширяющей последовательности, то система должна регули­ровать скорость передачи данных. Следует помнить, что изменение скорости чипов полностью изменяет эффективность работы системы. Высокий коэф­фициент расширения улучшает характеристики и дает возможность приме­нять простые методы разделения каналов, а, следовательно, позволяет умень­шить мощность передачи при том же самом уровне ошибок.

Коды, которые требуются для расширения сигнала, должны быть ортого­нальны, чтобы множество пользователей и каналов работали без взаимных помех и влияний. И они должны работать синхронно. Поскольку невозможно при переменном коэффициенте расширения сохранить точный синхронизм, то используется второй набор кодов скремблирования, которые гарантируют, что взаимное влияние не отразится на работе системы. Код скремблирова­ния — это код, применяющий для шифрования псевдослучайные числа. Та­ким образом, имеются две ступени расширения: первая ступень — коды на основе ортогональных кодов с переменным коэффициентом расширения (OVSF — Orthogonal Variable Spreading Factor codes), и вторая — на основе псевдослучайных чисел. Эти коды используются для обеспечения двух отли­чающихся уровней отделения сигнала.

Ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения — это ансамбль кодов с переменной длиной, который формируется на основе кодо­вого дерева, каждый уровень которого удваивает число возможных комбина­ций и длину кода.

Расширяющие кодовые последовательности с переменным коэффициен­том расширения (OVSF) используются для идентификации пользовательских услуг в соединительных и пользовательских каналах в направлении от узла В к UE, тогда как псевдокоды (PN) используются, чтобы идентифицировать индивидуальный узел В или UE.

На канале связи от UE к узлу В существует выбор миллионов различных псевдокодов, позволяющих выработать индивидуальный код для того, чтобы идентифицировать UE. В результате более чем достаточно кодов, чтобы раз­местить большое число различных UE, которые, вероятно, могут обратиться к сети для обслуживания. Для каналов с направлением от узла В к UE ис­пользуется короткий код. Общее количество различных кодов, которые могут быть использованы, — 512. Каждому узлу В назначается один из них.

 

Кодирование речи

 

При кодировании речи в UMTS используются различные скорости. В си­лу этого могут быть использованы различные вокодеры. Когда система мо­жет предоставлять возможность использования различных скоростей, она на­зывается адаптивной многоскоростной системой (AMRS — Adaptive Multi-Rate System). Она может применяться там, где скорость выбирается в соот­ветствии с емкостью и требованиями системы. Эта схема аналогична той, что используется в GSM.

 

Прерывистая передача

 

Одной из наиболее важных характеристик мобильных телефонов является время разрядки батареи. Этой характеристикой интересуются люди, поку­пающие телефон, и она в значительной степени определяет его ценность. Принимая во внимание это обстоятельство, в стандарт UMTS/CDMA был введен режим прерывистой передачи (DTX — Discontinuous Transmission) или «спящий режим» (режим ожидания). Этот режим позволяет отключать несколько энергоемких элементов UE до тех пор, пока не будет получен сиг­нал широковещательного вызова. Для реализации такого механизма в UMTS/CDMA цепи, работающие с широковещательным каналом, разделены на группы и подканалы. Реальный номер используемого широковещательно­го подканала (используемой части оборудования) назначается сетью. Таким образом UE только часть времени должно «слушать» сеть. Чтобы обеспечить такой режим, канал индикации вызова (PICH — Paging Indication Channel) разбит на кадры длительностью 10 мс, каждый из которых содержит 300 би­тов -— 288 для широковещательной рассылки данных и 12 незанятых битов. В начале каждого кадра канала широковещательного вызова находится инди­катор оповещения (PI — Paging Indicator), который идентифицирует обслу­живаемую группу оповещения. Согласно номеру PI определяется широкове­щательный канал вызова, и приемник включается только тогда, когда он должен контролировать широковещательный канал вызова.

 

Синхронизация

 

Синхронизация, которая требуется для системы UMTS, обеспечивается первичным каналом синхронизации (PSCH) и вторичным каналом синхронизации (SSCH). Эти каналы работают способом, отличающимся от способов на нормальных каналах, и в результате они не расширяются, используя псевдо­коды (PN) и OVSF-коды. Вместо этого для расширения они используют коды синхронизации. Существует два типа применяемых кодов. Первый называет­ся первичным кодом и используется в PSCH, а второй — вторичным кодом и используется в SSCH. Первичный код один и тот же для всех сот и состоит из последовательности 256 чипов, которые передаются в каждом временном по­ложении. Это позволяет UE синхронизировать свою работу с временными положениями узла В. Как только UE получает слот синхронизации, он «зна­ет» только, что это начало или конец временного положения, но он «не зна­ет» об особенностях информации, содержащейся в этом временном положе­нии, или о характеристиках кадра. Особенности информации указывают вто­ричные коды синхронизации.

Всего имеется 16 различных вторичных кодов синхронизации. Один из кодов (256 чипов) посылается в начале временного положения. Он содержит 15 кодов синхронизации и 64 кода групп скремблирования. Когда UE получа­ет эту информацию, оно может определить, какой код обозначает начало кад­ра. Этим способом завершается синхронизация.

Скремблирующие коды в SSCH дают возможность UE идентифицировать код, используемый в данном случае и, следовательно, идентифицировать узел В. Скремблирующие коды разделяются на 64 группы, по 8 кодов каждая. Это означает, что при достижении синхронизации кадра UE имеет для выбо­ра только 8 кодов и поэтому может попытаться отслеживать общий пилот-канал (CPICH — Common Pilot Channel). Как только это будет сделано, UE сможет «прочитать» широковещательный канал ВСН и достигнет еще луч­шей синхронизации, что позволит ему отслеживать первичный общий физи­ческий канал управления (РССРСН — Primary Common Control Physical Channel).

 

Управление мощностью

 

Подробно вопросы управления мощностью в системе CDMA рассмотре­ны в 2.6. Поэтому ниже кратко изложены принципы организации процессов управления мощностью для системы UMTS.

Как в любой системе, базирующейся на технологии CDMA, в системе UMTS существенно, чтобы узел В получал от всех UE сигнал приблизитель­но одной и той же мощности. Если это не регулировать, то станции, находя­щиеся дальше от узла В, будут на приеме иметь более низкий уровень сигна­ла, чем ближние. Сигналы с высоким уровнем будут подавлять сигналы с низким уровнем, и узел В не сможет принять их. Этот эффект часто упоминается в литературе, как эффект «ближний-дальний». Чтобы его преодолеть, узел В передает команды ближним станциям с целью уменьшить их мощность передачи, а тем, которые дальше, увеличить ее. Этим способом узел В будет получать от всех станций приблизительно одинаковый уровень сигналов.

Управление мощностью также важно для узлов В. Так как сигналы, пере­даваемые различными узлами, не ортогональны друг другу, возможно неко­торые из них будут влиять друг на друга. Соответственно их мощности должны быть минимально необходимыми для обслуживаемых UE.

Для регулирования мощности существует два метода: по открытому цик­лу и закрытому циклу.

Метод по открытому циклу используется на начальном этапе перед уста­новлением соединения между UE и узлом В. Это простые действия, основан­ные на измерении уровня сигнала для принятия решения о требуемой мощно­сти сигнала на передаче. При этом предполагается, что мощности прямого и обратного сигнала коррелированы. Однако частоты прямого и обратного ка­нала различны, могут отличаться также пути следования, поэтому метод не может давать хорошей оценки требуемой мощности. Он может использовать­ся лишь для приблизительной оценки.

Как только UE получает доступ к системе через узел В, используется тех­ника зарытого цикла. На узле В проводятся измерения в каждом временном положении. Как результат этих измерений к UE передается информация о ре­гулировании мощности передатчика (запрос на пошаговое увеличение или уменьшение мощности). Измерение сигнала и управление мощностью идет в обоих направлениях (от узла В к UE и обратно). Для непрерывного управле­ния мощностью используется фактически один бит (1 — увеличить, 0 — уменьшить). Как только достигается необходимый уровень мощности, его либо уменьшают, либо увеличивают, чтобы обеспечить непрерывность про­цесса. Практически позиция UE все время изменяется или изменяется путь следования радиосигнала. В результате движение приводит к изменению уровня сигнала, так что непрерывность процесса регулирования мощности не представляет проблемы.