Цифровые системы связи и передачи данных

звонки, загрузка файлов с высокой скоростью, сетевые игры, мобильная коммерция и мн. др.

Рассмотрим структуру системы UMTS и ее основные отличия от стандарта второго поколения (рис. 5.62).

Рис. 5.62. Структура сети стандарта UMTS

Подсистема коммутации. В первых релизах стандарта UMTS (R99, R4) подсистема коммутации не отличалась по своей структуре от той же подсистемы сетей второго поколения. В нее входили MSC — Mobile Switching Centre, который выполнял функции коммутации, установления соединения, тарификации и др., а также ряд регистров — HLR, VLR, AUC, которые предназначены для хранения абонентских данных. В более поздних релизах (R5, R6, R7, R8) функции MSC были разделены между двумя устройствами: MSC-Server и MGW (Media gateway). MSC-Server отвечает за установление соединений, тарификацию, выполняет некоторые функции аутентификации. MGW представляет собой коммутационное поле, подчиненное MSC-Server.

Подсистема базовых станций. В сети UMTS по сравнению с сетьюGSM

наибольшие изменения претерпела подсистема базовых станций. Отмеченные выше преимущества достигаются в первую очередь за счет новой технологии передачи информации между базовой станцией и телефоном абонента.

312

Итак, рассмотрим основные элементы, входящие в подсистему базовых станций.

RNC (Radio Network Controller) — контроллер сети радиодоступа системы UMTS. Он является центральным элементом подсистемы базовых станций и выполняет большую часть функций: контроль радиоресурсов, шифрование, установление соединений через подсистему базовых станций, распределение ресурсов между абонентами и др. В сети UMTS контроллер выполняет гораздо больше функций, нежели в системах сотовой связи второго поколения.

NodeB — базовая станция системы сотовой связи стандарта UMTS. Основной функцией NodeB является преобразование сигнала, полученного от RNC в широкополосный радиосигнал, передаваемый к телефону. Базовая станция не принимает решений о выделении ресурсов, об изменении скорости к абоненту, а лишь служит мостом между контроллером и оборудованием абонента, и она полностью подчинена RNC.

Оборудование абонента получило название UE (User Equipment (мобильная станция)). Тем самым подчеркивается, что в отличие от предшествующих стандартов в UMTS может быть не только обычный телефон, но и смартфон, ноутбук, стационарный компьютер и т. п.

Пакетные данные в сети UMTS передаются от MGW к известному нам по системе GSM элементу SGSN (узел обслуживания абонентов), после чего через GGSN (шлюзовой узел) поступают к другим внешним сетям передачи данных, например Internet. Как правило, SGSN и GGSN сети GSM применяются для тех же целей и в сети UMTS. Производится только коррекция программного обеспечения данных элементов.

Стандарт LTE и его отличие от предыдущих стандартов

Стандарты третьего поколения позволяют предоставить широкий перечень мультимедийных услуг и поддерживают скорости передачи данных до 14 Мбит/с. Это вполне соответствует запросам абонентов в настоящее время. Однако объемы передаваемой информации в телекоммуникационных сетях растут с каждым днем. Чтобы удовлетворить потребности пользователей по скорости передачи данных и набору услуг хотя бы на 20 лет вперед, необходим новый стандарт, уже четвертого поколения.

Работа над первым стандартом четвертого поколения — LTE (Long Term Evolution) — началась в 2004 г. организацией 3GPP. Главными требованиями, которые предъявлялись в процессе работы над стандартом, были следующие:

313

–скорость передачи данных выше 100 Мбит/с;

–высокий уровень безопасности системы;

–высокая энергоэффективность;

–низкие задержки в работе системы;

–совместимость со стандартами второго и третьего поколений.

В конце 2009 г. в Швеции была запущена в коммерческую эксплуатацию первая сеть стандарта LTE.

Сети LTE поддерживают скорости передачи данных до 326,4 Мбит/с. К примеру, загрузка фильма в хорошем качестве займет менее одной минуты. Таким образом, верхняя планка по скорости передачи данных практически снимается.

Рассмотрим структуру сети LTE (рис. 5.63).

Рис. 5.63. Структура сети стандарта LTE

Из схемы сети LTE, представленной выше, уже видно, что структура сети сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные изменения претерпели и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации. Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией. Также подверглись изменению и протоколы передачи данных между сетевыми элементами. Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части, обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные.

314

Можно выделить следующие основные элементы сети стандарта LTE:

Serving SAE Gateway или просто Serving Gateway (SGW) — обслужи-

вающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных, поступающих из/в подсистему базовых станций. По сути, заменяет MSC (выполняет функции коммутации, установления соединения, тарификации), MGW (представляет собой коммутационное поле) и SGSN (узел обслуживания абонентов пакетной сети передачи данных) сети UMTS (3G). SGW имеет прямое соединение с сетями второго и третьего поколений того же оператора, что упрощает передачу соединения в/из них по причинам ухудшения зоны покрытия, перегрузок и т. п.

Public Data Network (PDN) SAE Gateway или просто PDN Gateway

(PGW) — шлюз к/от сетей других операторов. Если информация (голос, данные) передаются из/в сети данного оператора, то они маршрутизируются именно через PGW.

Mobility Management Entity (MME) — узел управления мобильностью.

Предназначен для управления мобильностью абонентов сети LTE.

Home Subscriber Server (HSS) — сервер абонентских данных. HSS представляет собой объединение VLR (гостевой регистр местоположения), HLR (домашний регистр местоположения), AUC (центр аутентификации абонентов), выполненных в одном устройстве.

Policy and Charging Rules Function (PCRF) — узел выставления счетов абонентам за оказанные услуги связи.

Все перечисленные выше элементы относятся к системе коммутации сети LTE. В системе базовых станций остался лишь один знакомый нам элемент — базовая станция, которая получила название eNodeB. Этот элемент выполняет функции и базовой станции, и контроллера базовых станций сети LTE. За счет этого упрощается расширение сети, т. к. не требуется расширение емкости контроллеров или добавление новых. Мобильная станция представлена UE.

Интерфейсы между узловыми элементами в сетях стандарта LTE

Структура сети стандарта LTE претерпела значительные изменения по сравнению с сетями предыдущих поколений. Это повлияло также и на изменение интерфейсов между узлами сети. На рис. 5.64 представлена общая модель сети стандарта LTE.

315

Gx — интерфейс между PDN-Gateway и PCRF. Gx предназначен для передачи правил тарификации от PCRF к PDN-Gateway;

SGi — интерфейс между PDN-Gateway и внешними IP-сетями.

Принципы построения радиоинтерфейса LTE в Downlink (от БС к МС)

Одной из главных отличительных особенностей стандарта LTE, которая позволяет достигать высоких скоростей передачи данных, является изменение принципов построения интерфейса от eNodeB (БС) до UE (МС) на линии «вниз». Рассмотрим главные особенности этого интерфейса и постараемся выделить основные качественные отличия этого стандарта от других.

В сетях связи стандарта LTE в Downlink (DL) используется модуляция

OFDM — Orthogonal Frequency Devision Multiplexing — ортогональная частот-

ная модуляция. Этот тип модуляции определяет и принцип доступа OFDMA —

Orthogonal Frequency Devision Multiple Access — множественный доступ с ор-

тогональным частотным разделением каналов. Суть его заключается в том, что все частотно-временное поле, выделенное для работы оператора, разделяется на небольшие блоки. Причем они небольшие как по частоте (15 кГц), так и по времени (0,5 мс). Сеть распределяет эти блоки между абонентами в зависимости от их потребностей и возможностей сети. Таким образом, обеспечивается максимально эффективное использование ресурсов.

Рис. 5.65. OFDM-модулятор

Ниже перечислены главные шаги преобразования сигнала в OFDMмодуляторе (рис. 5.65).

1.Разделение исходного потока бит на параллельные потоки.

2.Кодирование помехоустойчивым кодом, в процессе которого значительно увеличивается число символов в отдельных потоках.

317

3.Манипуляция выбранным в данный конкретный момент способом мо-

дуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM.

4.Перемножение полученной последовательности каждого потока на свою поднесущую. Эта операция является ключевой и будет рассмотрена ниже.

5.Объединение сигналов и передача в эфир.

Умножение сигнала на свою поднесущую перемещает сигнал в нужное частотное пространство. Также на этом этапе происходит преобразование сигнала из временной области в частотную. Это выполняется благодаря БПФ — быстрому преобразованию Фурье. Эти две процедуры позволяют добиться максимально близкого размещения сигналов в частотной области и сократить до минимума защитные интервалы. Это достигается благодаря тому, что поднесущие выбираются ортогональными (на практике квазиортогональными), и отдельные потоки относительно легко выделить на приемной стороне.

Кроме использования OFDMA в LTE есть еще одно важное новшество: обязательное (в отличие от UMTS) использование MIMO — Multiple Input Multiple Output — множественный вход множественный выход. При этом информационный поток направляется между сторонами обмена информации несколькими «путями», что обеспечивает более эффективное использование ча- стотно-временного ресурса.

Эти два важных изменения позволяют добиться скорости передачи данных в Downlink свыше 100 Мбит/с. Задержки передачи данных не превышают 20 мс. Для сравнения: в UMTS скорости передачи данных редко поднимаются свыше 20 Мбит/с, а задержки могут колебаться от 40 до 100 мс.

Принципы построения радиоинтерфейса LTE

вUplink (от МС к БС)

Всетях связи стандарта LTE скорость передачи данных в направлении от UE (МС) к eNodeB (БС) может достигать 50 Мбит/с, а задержки не превышают 10 мс. Эти показатели намного превышают значения в сетях третьего поколения

ипрактически сравнялись с проводными выделенными каналами связи. Рассмотрим главные особенности построения радиоинтерфейса Uplink в стандарте LTE.

Вотличие от радиоинтерфейса Downlink, где информация одного пользователя может передаваться на разных поднесущих, в Uplink данные каждого пользователя передаются в одной полосе частот, причем в одно и то же время. Однако это не означает, что информационные потоки накладываются друг на друга и необратимо искажаются. Это обеспечивается благодаря использованию

318

множественного доступа с частотным разделением с единственной несущей ча-

стотой SC-FDMA (Single Carrier Frequency Devision Multiple Access). Рассмот-

рим основные принципы работы SC-FDMA-модулятора (рис. 5.66).

Рис. 5.66. SC-FDMA-модулятор

Первым этапом исходная информационная последовательность, предназначенная для передачи от абонента, преобразуется в частное представление с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Далее, в зависимости от скорости потока от данного абонента сеть выделяет UE (МС) несколько поднесущих, среди которых распределяется преобразованный поток. Те поднесущие, которые используют другие пользователи, не занимаются в данном абонентском терминале, а соответствующие поднесущие перемножаются с «0». После обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ) модулированные потоки объединяются и переводятся обратно во временную область. Несмотря на то, что данные передаются от разных устройств в сети в одно и то же время в одной и той же полосе частот, на приемной стороне после обратных сказанным выше процедур можно выделить информационные потоки от отдельных UE (МС).

Благодаря использованию SC-FDMA в системе LTE удалось достигнуть трехкратного увеличения спектральной эффективности на линии «вверх» по сравнению с сетями 3G.

Логические каналы на радиоинтерфейсе в LTE

Одной из важнейших составляющих радиоинтерфейса любой подвижной системы связи, которая обеспечивает заданные характеристики ее работы, является структура логических, транспортных и физических каналов. Рассмотрим логические параметры сети связи LTE (рис. 5.67).

319

Транспортные каналы на радиоинтерфейсе в LTE

На радиоинтерфейсе в сети стандарта LTE применяется стек каналов для передачи данных между абонентским терминалом и сетью. Низший уровень в этом стеке образуют физические каналы. По ним передаются транспортные, которые, в свою очередь, несут логические каналы.

Рис. 5.68. Транспортные каналы LTE

Рассмотрим виды транспортных каналов на радиоинтерфейсе сети стандарта LTE. Все транспортные каналы можно классифицировать по направле-

нию передачи: Uplink (от UE (МС) к eNodeB (БС)) и Downlink (от eNodeB (БС) к UE (МС)) (рис. 5.68).

К транспортным каналам в Downlink относятся:

BCH (Broadcast Channel) — широковещательный канал;

PCH (Paging Channel) — канал для пейджинга;

DL-SCH (Downlink Shared Channel) — общий канал для передачи дан-

ных вниз;

MCH (Multicast Channel) — многопользовательский канал.

К транспортным каналам в Uplink относятся:

RACH (Random Access Channel) — канал случайного доступа;

UL-SCH (Downlink Shared Channel) — общий канал для передачи дан-

ных вверх. Как было сказано выше, транспортные каналы передаются в логических

каналах. На рис. 5.69 представлена связь между логическими и транспортными каналами в LTE.

321