Мультисервисные сети2

Домен транзитной сети (Transit Network, TN). Домен транзитной сети – это часть базовой сети, расположенная между доменом сети обслуживания (SN) и территориально удаленной частью сети. Если для конкретного вызова удаленная часть сети расположена в той же сети, что и порождающий вызов домен UE, то активизации домена транзитной сети не происходит.

9.4. Системная архитектура сети UMTS

Согласно концепции IМТ-2000 системная архитектура систем 3G подразделяется на две составные части: сеть радиодоступа и базовую сеть.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется посредством ряда интерфейсов. Данные интерфейсы были стандартизованы в ETSI, что позволяет строить сеть, используя сетевые элементы различных производителей телекоммуникационного оборудования. Интерфейсы обеспечивают взаимодействие перечисленных ниже ключевых подсистем сети UMTS и внешних сетей:

Gb-интерфейс (SGSN–BSS);

Gn-интерфейс (GSN–GSN);

Gp-интерфейс (межсетевой интерфейс для PLMN);

Gi-интерфейс (GGSN – внешняя IP сеть);

Gr-интерфейс (SGSN–HLR);

Gs-интерфейс (SGSN–MSC/VLR);

Gd-интерфейс (от SGSN к SMS–GMSC/SMS–IWMSC).

Абонентское оборудование (User Equipment, UE) это подвижные,

носимые или возимые терминалы, которые посредством радиоинтерфейса взаимодействуют с базовыми станциями сети. Основное отличие абонентского оборудования UMTS от аналогичных устройств сетей 2-го поколения (MS) состоит в их расширенной функциональности, обеспечиваемой за счет высоких скоростей передачи информации. Планируется использование как отдельных абонентских станций UMTS, так и двухрежимных GSM/UMTS терминалов.

Базовые станции (Base Station, BS) осуществляют организацию радиоканалов по вызовам мобильных абонентов или по своей инициативе при поступлении внешнего вызова. В функции BS входит приемо/передача радиосигнала, его обработка и формирование транспортных потоков данных. В стандартной конфигурации базовая станция обеспечивает обслуживание до 3-х секторов, предоставляя до 3-х несущих на один сектор. В ее задачи также входит осуществление мягкого хендовера. Базовые станции взаимодействуют с контроллером радиосети и поддерживают на сетевом уровне ATMинтерфейс (более 2 Мбит/с, G.703) и IP-интерфейс. Оборудование ведущих фирм мира обеспечивает гибкое внедрение новых базовых станций UMTS в существующие сети GSM:

302 Глава 9. Технические аспекты развития мобильных сетей связи третьего поколения

объединение на уровне коммутаторов, когда устанавливаются базовые станции TDD и FDD режимов и контроллер UMTS, подключаемый к коммутатору;

объединение на уровне контроллеров, когда базовые станции TDD режима подключаются к контроллерам BSC сетей GSM, которые в

свою очередь подсоединяются к коммутатору.

Контроллер сети радиодоступа (Radio Network Controller, RNC) по интерфейсу Iub осуществляет управление базовыми станциями, с которыми он образует подсистему базовых станций BSS, и по интерфейсу Iu взаимодействует с центром коммутации сети 3G-MSC/VLR. Основными функциями RNC являются управление распределением радиоканалов, контроль соединений, регулирование их очередности, удаленная динамическая коммутация, а также контроль за распределением нагрузки. Контроллеры ведущих мировых производителей телекоммуникационного оборудования строятся на базе ATM-комму- татора, расширенного блоками управления радиоканалами.

Мобильный центр коммутации сети 3G (Mobile Switching Center/Visitor Location Register, MSC/VLR) является центральным эле-

ментом сети. Он может обслуживать большую группу базовых станций в подсистеме BSS и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная абонентская станция. 3G-MSC/VLR осуществляет обмен внутри сети UMTS, соединяя между собой различные сетевые элементы, в частности, элементы подсистемы BSS. Кроме того, он работает как шлюз к другим сетям общего пользования, таким как сети подвижной связи, ТфОП и сети передачи данных. Центр коммутации 3G-MSC/VLR обеспечивают соединение с другими MSC, в частности, с зональными GMSC и другими службами. Коммутаторы ведущих фирм-производителей обеспечивают реализацию двух режимов радиопередач TDD/FDD UTRA, а также могут выполнять функции коммутатора для сети GSM и ее режимов пакетной передачи GPRS.

База данных местоположения абонентов (Home Location Register, HLR) представляет собой справочную базу данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации и данные о роуминге абонента.

Пакетная передача данных (Packet Switching, PS) в сети обес-

печивается следующими главными элементами – SGSN (сервисным опорным узлом пакетного трафика GPRS) и GGSN (шлюзовым опорным узлом пакетного трафика GPRS).

Сервисный опорный узел GPRS (Serving GPRS Support Node, SGSN) решает задачи идентификации абонента и управления мобильностью, конвертирования протоколов IP-сети в протоколы, ис-

пользуемые BS и UE, сбора данных об оплате и трафике абонентов и маршрутизации данных (при подключении к другим (внешним) сетям).

Шлюзовой опорный узел GPRS (Gateway GPRS Support Node, GGSN) является интерфейсом между базовой сетью GPRS и внешними сетями, играя роль маршрутизатора подсистем. В случае если данные, принятые GPRS, адресованы специальным пользователям, осуществляется их проверка и поиск адресата. GGSN осуществляет перераспределение пакетов данных мобильным абонентам и контролирует правильность подсоединения внешних сетей.

9.5. Текущее развитие сетевой архитектуры UMTS

В ходе работы над сетевой архитектурой UMTS в рамках 3GРР был подготовлен Релиз 99 (R99), определивший пути развития данной системы на среднесрочную перспективу.

Ключевые требования к архитектуре первой фазы развития системы UMTS обеспечивались техническими требованиями стандарта GSM и включали:

совместимость с сетями GSM;

обеспечение доступа к высокоскоростным услугам передачи данных;

управление качеством предоставляемых услуг.

Кроме того, важнейшие требования Релиза 99 состояли в следую-

щем [4]:

за основу базовой сети UMTS выбрана базовая сеть GSM, ее развитие осуществляется по пути совершенствования как подсистемы

MSC, так и SGSN;

сетевая архитектура и стандарты UMTS/IMT-2000 фаза 1 (R99) должны позволять оператору 3G выбирать тип создаваемой базовой сети (интегрированная базовая сеть или базовая сеть, разделенная на CS- и PS-домены);

расположение транскодеров должно соответствовать требованиям Технических спецификаций TS 23.930 «Развитие платформы GSM в направлении UMTS»;

абонентское оборудование должно предоставлять ручной выбор между CS и PS подсистемами базовой сети;

развитие системы UMTS должно проводиться в направлении передачи части услуг от CS-доменов к PS-доменам базовой сети без изменения протоколов обмена высокого уровня и их функций;

требования R99 должны обеспечивать гибкое развитие сети и совместимость с абонентским оборудованием.

Направления развития архитектуры сети UMTS на ближайшую перспективу (согласно R99) показано на рис. 9.5.

Дальнейшее развитие сети UMTS, начавшееся с разработки Релизов R4 и R5, состоит в дополнении сетевой архитектуры мультиме-

304 Глава 9. Технические аспекты развития мобильных сетей связи третьего поколения

Рис. 9.5. Развитие архитектуры сети UMTS

Рис. 9.6. Будущее развитие сетевой архитектуры UMTS

дийной IP-подсистемой. Основные требования R4, R5 включают: совместимость с R99, дополнение мультимедийными услугами, основанными на IP-протоколах, обеспечение высокой эффективности IPтелефонии для мультимедийных услуг.

Подсистема базовой сети, обеспечивающая передачу данных с коммутацией каналов должна поддерживать и предоставлять 100% совместимость с CS-доменом базовой сети, определенной R99. PSдомен должен поддерживать IP-протокол, а также предоставлять возможность модернизации подсистемы пакетной коммутации базовой сети для обеспечения мультимедийных услуг. Дополнительные IP-подсистемы должны предоставлять новые услуги мультимедиа, чтобы дополнить существующий набор услуг, обеспечиваемый CSдоменом.

Целью дальнейшего развития сетевой архитектуры системы UMTS является создание интегрированной сетевой платформы, базирую-

306 Глава 9. Технические аспекты развития мобильных сетей связи третьего поколения

Рис. 9.8. Пример архитектуры UTRAN

Iur – интерфейс между контроллерами сети радиодоступа;

Iub – интерфейс между базовыми станциями и контроллерами сети радиодоступа.

Ключевые функции, осуществляемые ими:

контроль и измерение ошибок в канале между базовой сетью и абонентским оборудованием;

обеспечение функций мобильности (хендовер, поиск и определение сот, управление поиском и определением местоположения абонента);

управление емкостью сети;

контроль радиоизлучений и интерфейсных каналов.

Спомощью интерфейса Iu в сети UTRAN несколько подсистем радиодоступа (RNS) соединяются с базовой сетью (СN). Данный интерфейс предоставляет возможность логического выбора базовых сетей 3G с коммутацией каналов (СS) или с коммутацией пакетов (РS) на основе разделения на физическом уровне на:

Iu-CS – интерфейс для потока данных с коммутацией каналов, базирующийся на использовании транспортных протоколов АТМ;

Iu-РS – интерфейс для потока данных с коммутацией пакетов, базирующийся предпочтительно на использовании транспортных протоколов IP.

Как показано на рис. 9.8, в зависимости от вида услуг связи 3G, определяющих используемые скорости передачи данных и, соответственно, принципы коммутации, RNS может взаимодействовать как с системой коммутации 3G-MSC, так и с 3G-SGSN.

Подсистема радиодоступа включает контроллеры сети радиодоступа (RNC) и одну или более BS (узлы В). BS подключаются к контроллеру радиосети с помощью интерфейса Iub, и обеспечивают работу в режиме FDD или TDD или комбинированный режим работы.

Рис. 9.9. Обслуживающая и пассивная RNC

Контроллер радиосети RNC обеспечивает хендовер и обмен служебной и сигнальной информацией с абонентским оборудованием (UE). Он совмещает функции соединения/разъединения и обеспечивает многообразие подключаемых BS (узлов В). Контроллеры радиосети взаимодействуют друг с другом через логический интерфейс Iur. Интерфейс Iur может быть обеспечен путем прямого соединения контроллеров радиосети или с использованием любой транспортной сети.

Передача информации в сети UTRAN обеспечивается с использованием интерфейса Uu рядом активных RNC, называемых обслуживающими (Serving RNC), через них осуществляется передача на абонентское оборудование не только служебной информации, но и трафика. Ряд RNC не обслуживающих в данный момент МТ, называются пассивными (Drift RNC). Пассивная RNC не связана непосредственно с базовой сетью, однако, взаимодействуя с обслуживающей RNC, способна предоставить свой радиоресурс, когда это потребуется для установления соединения с UE. Кроме того, в целях обеспечения макроразнесенного приема между пассивной и обслуживающей RNС осуществляется обмен с использованием протокола Iur. Данный механизм взаимодействия представлен на рис. 9.9.

Информационные коды и функции UTRAN. Специальные ин-

формационные коды контроллеров сети радиодоступа определяются оператором и устанавливаются в контроллере с помощью системы управления и обслуживания. Данные коды используются для обеспечения алгоритмов управления системой UMTS.

Управление доступом к сети. Абоненты 3G подключаются к сети UMTS на основе процедур системного доступа. Абонентский доступ к сети может быть осуществлен как с использованием абонентского оборудования, так и сетевого оборудования базовых станций.

Контроль допуска в сеть и перегрузки сети. Система контроля допуска к сети обеспечивает допуск новых абонентов в сеть и возможность создания новых линий связи, исходя из загрузки сети и состояния BS. Задача системы контроля допуска – избежать перегрузки

308 Глава 9. Технические аспекты развития мобильных сетей связи третьего поколения

сети. Система принимает решения на основе данных измерения уровня помех в сети, излучаемой мощности и наличия свободного ресурса в сети радиодоступа. Кроме того, система используется при первичном вхождении абонентов в сеть, измерении и обновлении уровня ошибок в канале RAB и обеспечении хендовера. Обслуживающий контроллер RNC осуществляет контроль допуска с использованием интерфейса Iu.

Система контроля перегрузки отслеживает, определяет ситуации перегрузки сети и управляет ими. В случаях, когда система радиодоступа приближается к состоянию перегрузки или находится в состоянии перегрузки, а пользователи остаются подключенными, система перераспределяет в сети имеющиеся радиочастотные ресурсы, ограничивая качество обслуживания, и восстанавливает утраченные связи.

9.7. Радиоканалы сети радиодоступа UMTS

Использование кодового разделения каналов в радиоинтерфейсе цифрового широкополосного стандарта, охватывающего Интернет, мультимедиа, видео и прочие высокоемкие приложения (Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA) обуславливает необходи-

мость детального рассмотрения организации соответствующих каналов этого радиоинтерфейса и их взаимодействия на сетевом уровне. Организация каналов WCDMA выполнена в виде каналов трех уровней: логических каналов, транспортных и физических каналов. Исходя из этого деления логические каналы определяют тип информации которая передается в сети, транспортные каналы определяют каким образом преобразуется и осуществляется обмен информацией циркулирующей в логических каналах между элементами сети, а физические каналы представляют платформу радиоинтефейса на которой осуществляется реальная передача сигналов между абонентским оборудованием и базовыми станциями сети радиодоступа UMTS.

В отличии от базовых станций, работающих с физическими каналами, контролеры сети радиодоступа RNC различают и работают только с транспортными каналами. Транспортные каналы переносят различную информацию по интерфейсу Uu путем использования элементов физических каналов (радиосигналов) создаваемых между МТ и BS сети. Логические каналы не являются реальными каналами как упомянутые выше и организуются в сети для выполнения тех или иных задач в требуемые моменты времени. Ниже приведено описание основных каналов радиоинтефейса WCDMA, используемых в ли-

ниях связи UE-BS и BS-UE.

9.7.1. Каналы радиоинтерфейса WCDMA в линии «вверх» UE-BS

Выделенные транспортные каналы.

Выделенный канал (Dedicated Channel, DCH):

используется для передачи средних и больших объемов данных (данные реального масштаба времени: речь, видеосвязь, видеоигры);

используется для передачи управляющей информации более высоких уровней;

не используется для передачи данных с импульсным характером;

используется расширяющий код для максимальной скорости передачи данных;

скорость передачи данных может изменяться по кадрам;

используется быстрое управление мощностью;

используется мягкий хендовер;

пользовательские данные транспортного канала передаются по выделенному физическому каналу данных (Dedicated Physical Data Channel, DPDCH); управляющая информация транспортного канала DCH передается по выделенному физическому каналу управ-

ления (Dedicated Physical Control Channel, DPCCH);

требуется покрытие всей площади соты.

Мощность канала DPCCH всегда меньше мощности канала

DPDCH, когда по каналу DPDCH передаются данные. В табл. 9.2 показаны типовые разности в мощности каналов DPCCH и DPDCH для услуг разных классов в предположении об одинаковом требуемом отношении сигнал/помеха для всех скоростей передачи данных.

Принимаемая мощность канала DPCCH выше для более скоростных услуг. Чем выше мощность канала DPCCH, тем более точно можно оценить характеристики канала для приема DPDCH и тем меньшее отношение сигнал/помеха требуется для обеспечения того же качества услуги.

Общие транспортные каналы.

Канал случайного доступа (Random Access Channel, RACH):

используется для передачи управляющей информации МТ для запроса на установление соединения;

Таблица 9.2. Типовые разности в мощности каналов

310 Глава 9. Технические аспекты развития мобильных сетей связи третьего поколения

Таблица 9.3. Характеристики канала RACH

используется для передачи малых объемов данных импульсного характера (короткие текстовые сообщения, текстовая электронная почта, запрос на загрузку web-страницы);

используются определенные коды в каждой соте;

фиксированные скорости передачи информации (16 кбит/с для длительности посылки 10 мс, 8 кбит/с для длительности посылки

20 мс);

не используется быстрое управление мощностью;

не используется мягкий хендовер;

пользовательские данные передаются по физическому каналу слу-

чайного доступа (Physical Random Access Channel, PRACH).

требуется покрытие всей площади соты.

Для любой области радиопокрытия соты, где обеспечивается заданное качество связи по выделенному каналу, должно обеспечиваться и требуемое качество канала RACH для возможности установить соединение. Очевидно, что в силу низкой скорости передачи информации по каналу RACH, выделенные каналы, по которым передаются высокоскоростные услуги, имеют меньшую зону радиопокрытия. Поэтому зона радиопокрытия для канала RACH должна сравниваться с зоной радиопокрытия низкоскоростных услуг, таких как передача речи.

Для обеспечения соответствия зон радиопокрытия этих каналов RACH должен иметь характеристики, показанные в табл. 9.3.

Радиопокрытие для канала RACH является крайне важным в том случае, если в сети планируется сплошное радиопокрытие только для низкоскоростных услуг. Если же планируется сплошное радиопокрытие для высокоскоростных услуг, то канал RACH не является лимитирующим.

Общий канал пакетных данных (Common Packet Channel, СРСН):

используется для передачи малых и средних объемов данных с импульсным характером (короткие текстовые сообщения, текстовая электронная почта, запрос на загрузку web-страницы);

используются определенные коды в каждой соте;