ПТСМС / Planirovanie_radiosetei(2)

Тем не менее, системам второго поколения не хватало емкости, глобального роуминга и качества, не говоря уже об объемах данных, которые могут быть отправлены. Все это привело к разработке системы, которая имела более глобальный охват (например, чтобы пользователю не нужно было менять телефон, когда он приезжает в Японию или США из ЮгоВосточной Азии или Европы). Это было началом эволюции систем третьего поколения.

1.4Третье поколение сотовых сетей

Сотовые сети третьего поколения были разработаны с целью предложить абонентам высокоскоростную передачу данных и мультимедийное подключение. Международный союз электросвязи (МСЭ) в инициативе IMT-2000 определил системы 3G как системы способные поддерживать скорость передачи данных в диапазоне от 144 кбит/с до 2 Мбит/с и более. Несколько технологии способны выполнять стандарты Международной подвижной связи (International Mobile Telecommunications, IMT) такие как CDMA, UMTS и некоторые вариации GSM, например, EDGE.

1.4.1 CDMA2000

CDMA2000 имеет варианты, такие как 1X, 1xEV-DO, 1xEV-DV и 3X. Спецификация 1xEV была разработана Third Generation Partnership Project 2 (3GPP2), товарищества, состоящего из пяти телекоммуникационных органов стандартизации: CWTS в Китае, ARIB и TTC в Японии, TTA в Корее и ТIA в Северной Америке. Она также известена как спецификация интерфейса высокоскоростной передачи пакетных данных. Она обеспечивает 3G подобные услуги на скорости до 140 кбит/с, занимая очень небольшую полосу частот (1,25 МГц на несущую). 1xEV-DO, также называемая 1xEV Phase One, является дальнейшим развитием стандарта и использует разные каналы для передачи голоса и данных, обеспечивая доставку данных на скорости 2,4 Мбит/с. EV-DV, или 1xEV Phase Two, обещает скорость передачи данных в диапазоне от 3 Мбит до 5 Мбит. Однако, утвержденным МСЭ стандартом IMT-2000 (3G) является CDMA2000 3Х. Эту часть стандарта МСЭ назвал IMT-2000 CDMA MC. Технология использует спектр

5МГц (3 канала × 1,25 МГц) и обеспечивает скоростью около 2-4 Мбит/с.

1.4.2UMTS

Универсальная система мобильной связи (UMTS) является одной из технологий сетей мобильной связи третьего поколения (3G). Она использует W-CDMA в качестве основной технологии. W-CDMA была разработана NTT DoCoMo, как радиоинтерфейс для их сети 3G FOMA. Позже они представили спецификацию в Международный союз электросвязи (МСЭ) в качестве

21

кандидата на международный стандарт 3G, известной как IMT-2000. В итоге W-CDMA была принята МСЭ, как часть семейства стандартов 3G IMT-2000. Позже, W-CDMA была выбрана в качестве радиоинтерфейса для UMTS, 3Gпреемника GSM. К ключевым особенностям можно отнести поддержку двух основных режимах FDD и TDD, изменяемую скорость передачи, межсотовые асинхронные операции, адаптивное регулирование мощности, увеличение покрытия и емкости, и т.д. W-CDMA использует технологию мультиплексирования CDMA, имеющую преимущества по сравнению с другими технологиями множественного доступа, такими как TDMA. W- CDMA является лишь радиоинтерфейсом в соответствии с определением IMT-2000, в то время как UMTS является полным стеком протоколов связи, предназначенных для 3G глобальных мобильных телекоммуникаций. UMTS использует пару 5 МГц каналов, один в диапазоне 1900 МГц для восходящей линии связи и один в диапазоне 2100 МГц для нисходящей линии связи. Конкретные диапазоны частот, первоначально определенные стандартом UMTS, занимают полосу частот 1885-2025 МГц для восходящей линии связи и 2110-2200 МГц для нисходящей линии связи.

Архитектура системы UMTS

Сеть UMTS состоит из трех взаимодействующих доменов: основной сети (Core Network, CN), наземной сети радиодоступа UMTS (UMTS Terrestrial Radio Access Network, UTRAN) и пользовательского оборудования

(User Equipment, UE). UE или ME состоит из мобильного телефона и SIM (модуль идентификации абонента) карты, называемой USIM (Universal SIM). USIM содержит данные о пользователе и позволяет проверить подлинность абонента (аутентификация) при входе в сеть. UMTS UE способно работать в трех режимах: CS (circuit switched, с коммутацией каналов) режим, PS (packet switched, с коммутацией пакетов) режим и CS/PS режим. В режиме CS UE подключено только к базовой сети. В режиме PS UE подключено только к домену PS (хотя еще услуги CS, такие как VoIP, могут быть предложены), в то время как в режиме CS/PS, мобильная станция способна работать, одновременно предлагая как CS так и PS услуги.

Компонентами сети радиодоступа (Radio Access Network, RAN) являются базовые станции (БС) или Node B и контроллеры радиосети (Radio Network Controllers, RNC). Основными функциями BS являются управление мощностью с замкнутой петлей, физическое кодирования канала, модуляция/демодуляция, передача/приема по радиоинтерфейсу, обработки ошибок и т.д., в то время как основными функциями RNC являются управление ресурсами радиосвязи, управление мощностью, распределение каналов, управление доступом, шифрование, сегментация/повторная сборка и т.д.

Основной функцией базовой сети (CN) является обеспечение коммутации, маршрутизации и транзита пользовательского трафика. CN

22

также содержит базы данных и функции управления сетью. Базовая архитектура CN для UMTS основана на сети GSM с GPRS. Все оборудование должно быть модифицированы для работы в сети UMTS и предоставления услуг UMTS. CN делится на домены с коммутацией каналов и коммутацией пакетов.

Элементами домена CS являются Mobile Services Centre (MSC),

гостевой регистр местоположения (VLR) и шлюзовой MSC. Элементами домена PS являются обслуживающий узел поддержки GPRS (Serving GPRS Support Node, SGSN) и шлюзовой узел поддержки GPRS (Gateway GPRS Support Node, GGSN). Сетевые элементы, такие как EIR, HLR, VLR и AUC

используются обоими доменами. Базовая сеть строится с использованием технологии ATM (Asynchronous Transfer Mode). Уровень адаптации ATM 2- го типа (ATM Adaptation Layer type 2, AAL2) обрабатывает соединения с коммутацией каналов, а протокол пакетной коммутации AAL5 предназначен для доставки данных. Типичная сеть 3G показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Сеть UMTS

Классы качества обслуживания в UMTS

В зависимости от типа трафика услуги сети UMTS имеют различный класс качества обслуживания (quality of service, QoS):

−разговорный класс (например, голос, видео-телефония, видео игры);

−потоковый класс (например мультимедиа, видео по запросу);

−интерактивный класс (например, веб-просмотр, сетевые игры, доступ к базе данных);

−фоновый класс (например электронная почта, SMS, загрузка данных).

Разговорный класс (Conversational class)

23

Лучшие примеры трафика этого класса – это голосовой трафик, трафик данных в режиме реального времени, такой как видео-телефония, видео игры и т.д. Этот трафик использует CS службы. Качество этого класса зависит полностью от абонентского восприятия. Ключевым свойством этого класса является низкая end-to-end задержка (например, менее чем 400 мс). Для кодирования/декодирования речи используется адаптивная многоскоростная (adaptive multirate, AMR) техника кодирования. По запросу AMR кодеры могут переключать битрейт каждые 20 мс речевого кадра. Так, в ЧНН, скорость передачи может быть снижена, чтобы получить более высокую пропускную способность в ущерб качеству. Кроме того, зона покрытия соты может быть увеличена за счет уменьшения скорости передачи. Таким образом, эта техника помогает получить баланс между покрытием, пропускной способностью и качеством сети.

Потоковый класс(Streaming class)

Мультимедиа, видео по запросу и т.д., являются примерами потокового класса. Данные передаются в устойчивом и непрерывном потоке. Задержка в этом классе больше, чем в разговорном классе.

Интерактивный класс (Interactive Class)

Интернет представляет собой классический пример интерактивного класса. Абонент запрашивает информацию у сервера и ждет прибытия информации. Поэтому, задержка не является минимальной для этого класса, так как время загрузки зависит от количества абонентов в системе и пропускной способности системы. Еще одним свойством услуг данного класса является то, что передача данных является прозрачной. Другими примерами услуг этого класса являются услуги, связанные с местоположением, а также компьютерные игры.

Фоновый класс (Background Class)

Другие приложения, такие как SMS, факс, электронная почта и т.д., подпадают под фоновый класс. В этом классе обслуживания задержка является самой высокой. Кроме того, передача данных не является прозрачной, как в интерактивном классе.

1.4.3 HSPA/HSPA+/HSPA Advanced

Технология HSPA (High Speed Packet Access, Высокоскоростной пакетный доступ) является дальнейшим развитием UMTS. HSPA – это технология радиоинтерфейса. HSPA является комбинацией высокоскоростного пакетного доступа в нисходящем (HSDPA) и в восходящем (HSUPA) каналах.

Впервые архитектура технологии HSDPA была опубликована в спецификации 3GPP Release 5. В данном документе для HSDPA описаны

24

алгоритмы адаптивной модуляции и кодирования AMC (Adaptive Modulation and Coding), а также модернизированный метод автоматического запроса повторной передачи ARQ (Automatic Request for Repeat). Для передачи данных по технологии HSDPA используется транспортный канальный уровень High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH). На одной несущей возможна организация до 15 таких каналов. В технологии HSDPA

применяются схемы модуляции QPSK (Quadrature Phase-Shifting Keying,

квадратурная фазовая модуляция) и 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation, квадратурная амплитудная модуляция). Спецификация определяем максимальную скорость передачи в 14,4 Мбит/с.

Спецификация 3GPP Release 6 описывает технологию HSUPA. Для передачи данных по технологии HSUPA введено несколько новых каналов, используется метод гибридный метод повторной передачи, одновременная передача по нескольким кодовым каналам, модуляция QPSK. Все это позволило получить максимальную скорость передачи 5,76 Мбит/с.

Спецификации 3GPP Release 7-10 описывают дальнейшее развитие технологии HSPA – технологию HSPA+ (рис. 1.3) [12].

Рисунок 1.3 – Эволюция HSPA+ (Qualcomm)

Технология HSPA+ Rel.7 в полосе частот 5 МГц позволяет получить максимальную скорость передачи в направлении «вниз» 21 Мбит/с при использовании модуляции более высокого порядка (High order modulation, HOM) – 64QAM или 28 Мбит/с при использовании нескольких антенн (2х2 MIMO). В направлении «вверх» скорость может быть увеличена до 11,52

Мбит/с за счет HOM (16 QAM).

В технологии HSPA+ Rel.8 скорость в направлении «вниз» увеличивается до 42 Мбит/с за счет объединения 2 несущих (Carrier aggregation (CA), Dual Carrier(DC)), т.е. использования полосы 10 МГц и модуляции 64 QAM. Второй вариант организации радиоканала – 2 х2 MIMO + 64 QAM.

25

спецификации 3GPP Release 10 технология получила новое название – LTE Advanced. Эта версия полностью отвечает требованиям, установленным МСЭ для IMT Advanced, и поэтому ее относят к технологиям сетей 4G. На сегодняшний день в коммерческой эксплуатации находятся сети LTEAdvanced Release 10. Дальнейшая эволюция сетей LTE представлена на рис.1.5.

Сети LTE могут работать в парном спектре частот в режиме FDD (Frequency Division Duplex). В этом случае для передачи в обоих направлениях связи выделяются фиксированные частотные ресурсы. Сети LTE также могут работать в непарной полосе частот в режиме TDD (Time Division Duplex). Технология LTE TDD имеет возможность гибкого назначения ресурсов для направлений передачи, что оптимально для передачи ассиметричного трафика.

Всего под технологию LTE выделено более 40 диапазонов частот (bands) в диапазоне от 700 до 2.7 МГц. При этом использование спектра для LTE имеет региональные особенности. В России в основном используются диапазоны LTE 2600 FDD, Band 7 (2500–2530 МГц / 2620–2650 МГц) и LTE 800 FDD, Band 20 (854,5–862 МГц / 813,5–821 МГц).

Рисунок 1.5 – Эволюция LTE

Для достижения высокой спектральной эффективности в радиоканале и обеспечения эффективного планирования во временной и частотной области, 3GPP был выбран вариант множественного доступа с множеством несущих. Для нисходящей линии связи было выбрано OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов доступа) и для восходящей линии связи – SC-FDMA (Single Carrier - Frequency Division Multiple Access, множественный доступ с частотным разделением на одной несущей).

Полоса частот, выделяемая для одной несущей, может быть 1.4, 3, 5, 10, 15 или 20 МГц. Для повышения скорости передачи используется технология MIMO (2x2, 4x4, 8х8). В радиоканале используется модуляция 64 QAM в нисходящем направлении и до 64 QAM в исходящем.

27

Пропускная способность составляет для нисходящего направления 73– 150 Мбит/с, для восходящего 36–75 Мбит/с (FDD, полоса частот 10 и 20

МГц, 2х2 MIMO).

Схема сети 4G(LTE) представлена на рис. 1.6.Как видно из данной схемы, сети LTE включают в себя модули сетей 2,75G (EDGE) и 3G (UMTS). Из-за данной особенности строительство сетей четвертого поколения будет достаточно специфичным и походит скорее на следующую ступень развития сегодняшних технологий, нежели на что-то принципиально новое.

К примеру, в соответствии с такой структурой, звонок или интернетсессия в зоне действия сети LTE может быть без разрыва соединения передана в сеть 3G (UMTS) или 2G (GSM). Кроме того, сети LTE довольно легко интегрируются с сетями WI-FI (обозначение WLAN Access NW на вышеприведенной схеме) и Интернет.

Рисунок 1.6 – C хема сети 4G

Основное изменение в сети радиодоступа связано с появлением интерфейса X2, который объединяет базовые станции в сотовую сеть - Mesh Network – и дает им возможность обмениваться данными между собой напрямую, не задействуя для этого контроллер RNC - Radio Network Controller (рис. 1.7).

28

Рисунок 1.7 – структура eUTRAN

На сегодняшний день передача голосовой информации в сети LTE основана на технологии CSFB(Circuit Switch FallBack), которая использует существующий традиционный CS (Сircuit switching) домен сетей 2G/3G (рис. 1.8). В оригинальной технологии передачи голоса в LTE — VoLTE (Voice over LTE), голос передается уже по IP-сети.

Рисунок 1.8 – Технология CSFB

Дальнейшее увеличение скорости передачи в технологии LTE основано на усовершенствовании технологии объединения несущих (carrier aggregation), использовании более сложных схем модуляции и MIMO, применении технологии Multiflow.

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте основные отличия каждого поколения сетей мобильной связи относительно предыдущего поколения.

2.Назовите основные элементы архитектуры GSM и опишите их

функции.

29

3.Почему в системе GSM определено так много идентификаторов и адресов (MSISDN, TMSI, IMSI и т.д.)?

4.Какая инфраструктура необходима для системы GPRS? Какие ее составляющие являются новыми? Назовите их функции.

5.Какой максимальной теоретической скорости передачи можно достичь при использовании технологии EDGE? Каким способом это достигается?

6.Назовите основные элементы архитектуры UMTS и опишите их

функции.

7.Какие технологии лежат в основе технологии радиодоступа

WCDMA?

8.Использование каких технологий связи позволяет наращивать скорость передачи данных в сетях WCDMA/HSPA/HSPA+?

9.Какие требования предъявляются к сетям 4G?

10.Назовите технологии радиодоступа сетей LTE. Как каждая из них влияет на скорость передачи данных?

11.Предусмотрен ли в сетях LTE межсистемный хэндовер?

12.В чем разница между технологиями FDD и TDD?

13.Объясните суть и назначение технологии Carrier aggregation.

14.Объясните суть и назначение технологии Multiflow.

15.Как на сегодняшний день организована передача речевого трафика в сетях LTE?

16.Какие максимальные скорости передачи данных достигнуты на сегодняшний день в сетях 3G и 4G? За счет каких технологий они будут увеличиваться дальше?

30