Сети сотовой связи стандарта UMTS
Международным cоюзом электросвязи была разработана концепция развития мобильных сетей связи третьего поколения 3G под названием IMT-2000, задачей которой было достичь более высоких скоростей передачи данных в сравнении с сетями поколений 2 и 2,5. При этом основные требования по минимальной пропускной способности были сформулированы не менее:
· 2 Мбит/с внутри помещений и для терминалов, перемещающихся с пешеходной скоростью;
· 384 кбит/с для терминалов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч в областях городской застройки;
· 144 кбит/с в сельской местности и для быстро перемещающихся транспортных средств.
Было предложено несколько стандартов IMT - 2000, одним из которых является европейский и называется универсальная система мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunication System). Эта концепция содержит также следующие требования:
· Все технические характеристики системы должны быть точно определены (как в системе GSM), а основные интерфейсы должны быть стандартизованными и открытыми.
· По сравнению с GSM система 3G должна выйти на совершенно новый уровень, причем во всех аспектах. Однако на начальном этапе такая система должна быть совместимой, по крайней мере, с GSM и ISDN.
· Система 3G должна поддерживать мультимедийную среду со всеми ее компонентами.
· Система 3G должна обеспечивать широкополосный радиодоступ с тем, чтобы стать пригодной во всем мире. Термин «широкополосный» используется, чтобы отразить промежуточные требования к пропускной способности систем 3G, между узкополосными системами 2G и средствами фиксированной, проводной, связи.
· Услуги, предоставляемые конечному пользователю, не должны зависеть от особенностей используемых технологий радиодоступа, а сетевая инфраструктура не должна ограничивать появление новых услуг. Другими словами, речь идет о полном разделении технологической базы и услуг, использующих эту базу.
В основу UMTS положена технология широкополосного доступа с кодовым разделением WCDMA. По сравнению с другими стандартами CDMA принятый в UMTS стандарт более устойчив и хорошо помехозащищён, надёжен в отношении перехвата. Для реализации этих преимуществ WCDMA занимает более широкую полосу частот - 5 МГц.
Для разработки стандартов систем 3G было проведено объединение шести организаций, одной из которых ETSI. Это объединение, занимающееся стандартизацией, получило название 3GPP (Third Generation Partnership Project, партнерство в области технологий 3G). Идентификатор документов 3GPP начинается с префикса 3GPP, за которым следуют две буквы: TS (Technical Specification) для технических спецификаций или TR (Technical Reports) для технических отчетов.
Спецификациями на UMTS в развитие последовательно разрабатывались предусмотрено следующие версии (release) -R99, R4, R5, R6, R7. Версия R99 основана на принципах GPRS и включает две наземные сети доступа и две области базовой сети (с коммутацией каналов КК и коммутацией пакетов КП). На рис. 23.5 приведена структура сети UMTS версии R99. UMTS версии R99 совместима с сетью GSM на уровне базовой сети. Область наземного радиодоступа BSS и базовая сеть КК практически такая же, как и в GSM. Область базовой сети КП - это по существу усовершенствованная система GPRS.
Рис. 23.5. Структура сети UMTS версии R99
Основное отличие от GSM состоит в том, что в сети радиодоступа UMTS используется технология широкополосного множественного доступа с кодовым разделением каналов WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Когда говорят конкретно о системе UMTS с технологией WCDMA, используют для обозначения области радиодоступа терминологию UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access Network, универсальная наземная сеть радиодоступа). Сеть радиодоступа с коммутацией каналов BSS в этой сети часто называют GERAN (GSM/GPRS Radio Access Network). Как видно из рис. 23.5 UTRAN включает широкополосную базовую станцию WBTS (Wide Base Transceiver Station) и контроллер радиосети RNC (Radio Network Controller). Оконечное оборудование в сети UMTS называется оборудованием пользователя UE (User Equipment). UE, как и MS в сети GSM, состоит из мобильного абонентского устройства ME (Mobile Equipment) и модуля идентификации абонента USIM (UMTS Subscriber Identity Module) - чипа, аналогичного SIM-карте в GSM. Базовая станция UMTS называется узлом B (Node B). Каждый Node В подсоединен к одному контроллеру радиосети RNC (Radio Network Controller). Контроллер RNC управляет ресурсами подсоединенных к нему узлов В (базовых станций) и является аналогом контроллера BSC в сети GSM. Область базовой сети КК способна поддерживать как абонентов сети GSM (MS), так и абонентов UE. Это приводит к изменению в оборудовании MSC (в UMTS оно называется 3GMSC), HLR, VLR, AUC, EIR. Механизм обеспечения информационной безопасности по-разному устанавливается в сети 2G и 3G. Поэтому область базовой сети КК должна поддерживать оба эти механизма.
Разработка R99 на систему UMTS проходила в то время, когда технология, основанная на IP-протоколе, стала использоваться для передачи не только данных, но и речи, видео. Передача речевых услуг поверх IP-протокола в обычных фиксированных сетях связи явилось причиной создания и развития мультисервисных сетей связи. Поэтому целью последовавших за R99 версий UMTS была ее полная интеграция в сеть IP c одновременным сосуществованием двух различных сетей, построенных на базовой сети с коммутацией каналов и базовой сети с коммутацией пакетов. Версия R99 обеспечивала скорость передачи до 384 Кбит/с.
Версия R4. Определены изменения в базовой сети с коммутацией каналов, при которых новые функциональные возможности не добавляются. Введены понятия медиашлюза MGW, сервера MSC и шлюза сигнализации SGW, что позволило логически разделять пользовательские данные и информацию сигнализации в центре коммутации подвижной связи MSC. Введены усовершенствования, обеспечивающие повышение скорости передачи для подвижных пользователей.
Версия R5 явилась основой для создания беспроводной сети полностью на IP с помощью создания мультимедийной IP- подсистемы IMS (IP Multimedia Subsystem) предусматривает полный переход к коммутацией пакетов, ввод новой модели вызова, домашний регистр HLR заменяется/дополняется сервером HSS домашней сети. С точки зрения услуг главную роль в R5 в более поздних версиях будет играть мультимедийная подсистема IMS (IP Multimedia Subsystem). IMS представляет собой отдельное системное решение, способное использовать различные сети, одна из которых и есть UMTS. IMS позволяет абоненту использовать сложные услуги по передаче сообщений и мультимедиа. Технология IMS обеспечивает предоставление мультимедийных услуг через сеть IP. Она позволяет однократно реализовать общую базовую функциональность и затем использовать ее всем приложениям IMS. Общая функциональность включает создание услуг, взаимодействие с подсистемой обеспечения качества обслуживания и др. IMS рассматривается как один из базовых элементов, определяющих будущее развитие телекоммуникаций. Европейский институт стандартизации в области злектросвязи ETSI одобрил IMS в качестве основы сетевой инфраструктуры сетей следующего поколения NGN (Next Geneneration Networks) [80].
IMS представляет собой программно-аппаратный комплекс, который является ключевым компонентом практически всех IP-сетей следующего поколения NGN, поддерживающих систему сигнализации SIP. Основные преимущества IMS:
· Обеспечение взаимодействия разного типа сетей.
· Возможность разработки и быстрого внедрения новых услуг.
· Обеспечение качества оказания услуг (QoS).
· Точное выставление счетов
и др.
Благодаря универсальной архитектуре одна и та же IMS-платформа может быть использована для приложений и услуг в мобильных сетях всех поколений (2G, 3G, 4G), а также в фиксированных сетях. (http://www.tadviser.ru/index.php/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F:IP_Multimedia_Subsystem_(IMS))
В сетях фиксированной связи ТфОП/ISDN концепция IMS появилась первоначально - как инструмент сокращения числа сетей крупных операторов (и, соответственно, расходов) за счет миграции на IP. С каждой новой версией 3GPP технология IMS развивалась. Подробней IMS будет изложена в настоящей работе при описании работы сети беспроводной связи 4G стандарта LTE.
В версии R5 введена также технология высокоскоростной пакетный доступ в линию "вниз" HSDPA (High Speed Downlink Packet Access - высокоскоростной пакетный доступ в нисходящем канале). Скорость передачи данных до 14,4 Мбит/с (эта величина при благоприятных условиях, когда кодирование не используется). В реальных условиях помех каналов связи скорость значительно ниже.
В версии 6 добавлена технология высокоскростной пакетный доступ "вверх" HSUPA (High Speed Uplinc Packet Access) — сервис в восходщем канале, увеличивающий скорость в восходящем канале до 5,76Мбит/с. Введение в коммерческую эксплуатацию HSUPA началось в 2007 году. Совместно с HSDPA эти технологии стали называться высокоскоростной пакетный доступ HSPA (High-Speed Packet Access).
Версия 7. Развитие технологии HSPA (HSPA+ или HSPA Evolution) и EDGE (EDGE Evolution). Теоретически максимальная скорость возросла до 42 Мбит/с в нисходящем и до 11 Мбит/с в восходящем каналах.
Таким образом, к настоящему времени совершенствуется система UMTS, предназначенная для предоставления мультимедийных услуг связи с возможностью передачи изображений и видеоинформации высокого качества на основе высокоскоростного радиодоступа в сетях общего пользования и корпоративных сетях.