UMTS - Краткое руководство

Беспроводная связь была волшебством для наших предков, но Маркони смог начать ее с помощью своего беспроводного телеграфа в 1895 году. Беспроводную связь можно разделить на три эпохи.

• Пионерская эра (до 1920 г.)
• Доклеточная эра (1920-1979)
• Эра сотовой связи (после 1979 г.)

Первая коммерческая мобильная телефонная система была запущена компанией BELL в Сент-Луисе, США, в 1946 году. Лишь немногие счастливчики получили услуги. Ранние мобильные системы использовали одиночные передатчики большой мощности с аналоговой частотной модуляцией, чтобы обеспечить покрытие до 50 миль, и, следовательно, только ограниченные клиенты могли получить услугу из-за жестких ограничений полосы пропускания.

Эра сотовой связи

Чтобы преодолеть ограничения, связанные с нехваткой полосы пропускания, и охватить более крупные участки, лаборатория BELL ввела принцип сотовой связи. За счет техники повторного использования частот этот метод обеспечивает лучшее покрытие, лучшее использование доступного частотного спектра и снижение мощности передатчика. Но установленные вызовы должны передаваться между базовыми станциями, пока телефоны находятся в движении.

Несмотря на то, что базирующаяся в США лаборатория BELL ввела принцип сотовой связи, страны Северной Европы первыми представили сотовые услуги для коммерческого использования с введением в 1981 году Nordic Mobile Telephone (NMT).

Системы первого поколения

Все эти системы были аналоговыми системами, использующими технологию FDMA. Они также известны как системы первого поколения (1G). Начались различные системы, основанные на сотовом принципе. Они перечислены ниже.

Год	Мобильная система
1981 г.	Мобильный телефон Nordic (NMT) 450
1982 г.	Американская система мобильной связи (AMPS)
1985 г.	Система связи общего доступа (TACS)
1986 г.	Северная мобильная телефония (NMT) 900

Недостатки систем 1G

• Они были аналоговыми и, следовательно, не были устойчивы к помехам.
• Разные страны следовали своим собственным стандартам, которые были несовместимы.

Чтобы преодолеть трудности 1G, большинство стран выбрали цифровые технологии, и началась новая эра, названная 2G.

Преимущества 2G

• Улучшенное использование спектра, достигнутое за счет использования передовых методов модуляции.
• Кодирование голоса с более низкой скоростью передачи данных позволило большему количеству пользователей получать услуги одновременно.
• Снижение накладных расходов на сигнализацию проложило путь для увеличения пропускной способности.
• Хорошие методы кодирования источника и канала делают сигнал более устойчивым к помехам.
• Были включены новые сервисы, такие как SMS.
• Достигнута повышенная эффективность контроля доступа и передачи обслуживания.

Название систем	Страна
DAMPS-цифровая усовершенствованная система мобильных телефонов	Северная Америка
GSM-Global Система мобильной связи	Европейские страны и международные приложения
JDC - Японская цифровая сотовая связь	Япония
Беспроводной телефон CT-2 – 2	Великобритания
DECT-цифровой европейский беспроводной телефон	европейские страны

История GSM

Стандарт GSM - это европейский стандарт, в котором решено множество проблем, связанных с совместимостью, особенно с развитием цифровых радиотехнологий.

Вехи развития GSM

• 1982 - Конфедерация европейской почты и телеграфа (CEPT) создает группу Special Mobile.
• 1985 - Группа решила составить список рекомендаций.
• 1986 - Проведены различные полевые испытания радиотехники для общего радиоинтерфейса.
• 1987 - TDMA был выбран в качестве стандарта доступа. Меморандум о взаимопонимании был подписан между 12 операторами.
• 1988 - Проведена валидация системы.
• 1989 - Ответственность за это взял на себя Европейский институт стандартов электросвязи (ETSI).
• 1990 - Выпущена первая спецификация GSM.
• 1991 - Запущена первая коммерческая система GSM.

Частотный диапазон GSM

GSM работает в четырех различных частотных диапазонах с FDMA-TDMA и FDD. Они следующие -

Система	P-GSM (первичный)	E-GSM (расширенный)	GSM 1800	GSM 1900
Частота восходящего канала	890-915 МГц	880-915 МГц	1710-1785 МГц	1850-1910 МГц
Частота нисходящего канала	935-960 МГц	925-960 МГц	1805-1880 МГц	1930-1990 МГц

Огромный потенциал обычного телефона не может быть использован в максимальной степени из-за ограничений, накладываемых соединительными проводами. Но это ограничение было снято с появлением сотового радио.

Проблема нехватки частот

Если мы используем выделенный радиочастотный контур для каждого абонента, нам потребуется более широкая полоса пропускания для обслуживания даже ограниченного количества абонентов в одном городе.

пример

Для одного РЧ-контура требуется 50 кГц Ч / Б; тогда для одного лакха абонентов нам нужно 1,00,000 x 50 кГц = 5 ГГц.

Чтобы преодолеть эту проблему ч / б, абоненты должны совместно использовать радиочастотные каналы по мере необходимости, вместо выделенных радиочастотных контуров. Это может быть достигнуто с помощью методов множественного доступа FDMA, TDMA или CDMA. Даже в этом случае количество радиоканалов, необходимое для обслуживания абонентов, оказывается невыполнимым.

пример

Рассмотрим плотность субподрядчиков 30 кв. Км, уровень обслуживания как 1%, трафик, предлагаемый на каждый мобильный субподрядчик, как 30 м E. Тогда количество требуемых РЧ каналов составляет

Радиус (км)	Площадь в кв.км.	Subs	RF каналы
1	3,14	100	8
3	28.03	900	38
10	314	10000	360

Для 10 000 сабвуферов для распределения 360 радиоканалов нам потребуется Ч / Б 360 × 50 кГц = 18 МГц. Это практически неосуществимо.

Сотовый подход

При ограниченном частотном ресурсе сотовый принцип может обслуживать тысячи абонентов по доступной цене. В сотовой сети общая площадь делится на более мелкие области, называемые «ячейками». Каждая сота может охватывать ограниченное количество мобильных абонентов в пределах своих границ. Каждая ячейка может иметь базовую станцию ​​с несколькими радиочастотными каналами.

Частоты, используемые в данной области соты, будут одновременно повторно использоваться в другой соте, которая географически разделена. Например, можно рассмотреть типичный шаблон из семи ячеек.

Общие доступные частотные ресурсы разделены на семь частей, каждая из которых состоит из ряда радиоканалов и распределяется для сотовой станции. В группе из 7 ячеек доступный частотный спектр используется полностью. Те же семь наборов частот можно использовать после определенного расстояния.

Группа ячеек, в которой полностью используется доступный частотный спектр, называется кластером ячеек.

Две соты, имеющие одинаковый номер в соседнем кластере, используют один и тот же набор радиочастотных каналов и, следовательно, называются «сотами совмещенного канала». Расстояние между сотами, использующими одну и ту же частоту, должно быть достаточным, чтобы поддерживать помехи в совмещенном канале (co-chl) на приемлемом уровне. Следовательно, сотовые системы ограничены помехами в совмещенном канале.

Следовательно, клеточный принцип позволяет следующее.

• Более эффективное использование доступного ограниченного источника RF.

• Производство каждого абонентского терминала в регионе с одним и тем же набором каналов, чтобы любой мобильный телефон можно было использовать в любом месте региона.

Форма ячеек

В аналитических целях ячейка «шестиугольник» предпочтительнее других форм на бумаге по следующим причинам.

• Расположение шестиугольника требует меньшего количества ячеек для покрытия данной области. Следовательно, он предусматривает меньшее количество базовых станций и минимальные капитальные вложения.

• Другие геометрические формы не могут этого сделать. Например, если есть ячейки круглой формы, то ячейки будут перекрываться.

• Также для данной области, среди квадрата, треугольника и шестиугольника, радиус шестиугольника будет максимальным, необходимым для более слабых мобильных устройств.

На самом деле ячейки не шестиугольные, а неправильной формы, что определяется такими факторами, как распространение радиоволн по местности, препятствиями и другими географическими ограничениями. Для разделения области на ячейки требуются сложные компьютерные программы. Одна из таких программ - «Торнадо» от компании Siemens.

Рабочая среда

Из-за мобильности радиосигналы между базовой станцией и мобильными терминалами претерпевают множество изменений при перемещении от передатчика к приемнику даже в пределах одной соты. Эти изменения связаны с -

• Физическое разделение передатчика и приемника.
• Физическая среда пути, то есть местность, здания и другие препятствия.

Медленное затухание

• В условиях свободного пространства (или) прямой видимости постоянная распространения радиосигнала считается равной двум, т.е. r = 2. Это применимо для статических радиосистем.

• В мобильной среде эти вариации заметны, и обычно r принимается от 3 до 4.

Рэлеевское затухание

Прямая видимость в мобильной среде между базовой станцией и мобильным телефоном не гарантируется, и сигнал, принимаемый приемником, представляет собой сумму ряда сигналов, проходящих по разным путям (многолучевость). Многолучевое распространение радиочастотных волн происходит из-за отражения радиочастотной энергии от холма, здания, грузовика или самолета и т. Д .; отраженная энергия также претерпевает изменение фазы.

Если сигналы прямого пути не совпадают по фазе на 180, они имеют тенденцию компенсировать друг друга. Таким образом, многолучевые сигналы имеют тенденцию уменьшать мощность сигнала. В зависимости от местоположения передатчика и приемника и различных отражающих препятствий на длине пути сигнал колеблется. Колебания происходят быстро и известны как «рэлеевские замирания».

Кроме того, многолучевое распространение приводит к «расширению импульса» и «межсимвольным помехам».

Эффект Допплера

Из-за мобильности абонента происходит изменение частоты принимаемых радиосигналов. В сотовых мобильных системах для решения этих проблем используются следующие методы.

• Кодирование каналов
• Interleaving
• Equalization
• Приемники граблей
• Медленное скачкообразное изменение частоты
• Разнообразие антенн

Помехи в совмещенном канале и разделение сот

Мы предполагаем, что сотовая система имеет радиус ячейки «R», расстояние в совмещенном канале «D» и размер кластера «N». Поскольку размер соты фиксирован, внутриканальные помехи не зависят от мощности.

Интерференция кохл является функцией «q» = D / R.

Q = коэффициент уменьшения интерференции Co-chl.

Более высокое значение «q» означает меньше помех.

Меньшее значение «q» означает сильные помехи.

«Q» также связано с размером кластера (N) как q = 3N

q = 3N = D / R

Для разных значений N q равно -

N = 1 3 4 7 9 12
Q = 1.73 3 3.46 4.58 5.20 6.00

Более высокие значения «q»

• Уменьшает внутриканальные помехи,
• Приводит к более высокому значению на «N» больше ячеек / кластер,
• Меньшее количество каналов / ячеек,
• Меньшая пропускная способность трафика.

Меньшие значения «q»

• Увеличивает внутриканальные помехи,
• Приводит к снижению значения на «n» меньше ячеек / кластер,
• Больше количества каналов / ячеек,
• Больше пропускной способности трафика.

Обычно N = 4, 7, 12.

Расчет C / I и 'q'

Величина «q» также зависит от C / I. «C» - это мощность несущей, полученная от желаемого передатчика, а «I» - это помехи в совмещенном канале, полученные от всех мешающих сот. Для схемы повторного использования из семи ячеек количество мешающих ячеек в совмещенном канале должно быть равно шести.

Потеря сигнала пропорциональна (расстояние) –r

R - Постоянная распространения.

c α R-r

R = радиус ячейки.

I α 6 D-r

D = расстояние между каналами

C / I = R - r / 6D –r = 1/6 × Dr / Rr = 1/6 (D / R) r

C / I = 1/6 qr, поскольку q = D / R и qr = 6 C / I

Q = [6 × C / I] 1 / г

На основе приемлемого качества голоса было установлено, что значение C / I равно 18 дБ.

Предполагая,

• Схема повторного использования семи ячеек
• Всенаправленные антенны

Значение q обычно составляет около 4,6.

Значение r принято равным 3.

Это идеальное условие, учитывая, что расстояние мобильных устройств от мешающих сот во всех случаях равно "D". Но на практике мобильный телефон перемещается, и расстояние «D» уменьшается до «D-R», когда оно достигает границы соты, а отношение C / I падает до 14,47 дБ.

Следовательно, шаблон повторного использования «частота» 7 не соответствует критериям C / I для всенаправленных антенн.

Если N = 9 (или) 12,

N = 9 q = 5,2 C / I = 19,78 дБ

N = 12 q = 6,0 C / I = 22,54 дБ

Следовательно, 9 или 12 ячеек должны быть с всенаправленными антеннами, но пропускная способность обработки трафика снижается. Следовательно, они не являются предпочтительными.

Чтобы использовать N = 7 (или меньше), на каждой сотовой станции используются направленные антенны. Ячейка с 3 секторами очень популярна и будет похожа на рисунок, показанный ниже.

Шрифт антенны - явление обратной связи снижает количество потенциальных источников помех.

Например, если N = 7.

При использовании всенаправленных антенн количество мешающих ячеек должно составлять шесть. С направленными антеннами и 3 секторами то же самое сокращается до двух. Для N = 7 и трех секторов отношение C / I улучшается с 14,47 дБ до 24,5 дБ даже в наихудших условиях. Тогда C / I соответствует требованиям 18 дБ. Для N = 7 и шести секторов отношение C / I улучшается до 29 дБ.

Для городских приложений N = 4 и используется ячейка с тремя секторами, так что получается большее количество несущих на ячейку, чем N = 7. Кроме того, отношение C / I становится 20 дБ в худших случаях.

DAMPS Использует шаблон ячеек 7/21

GSM Использует шаблон ячейки 4/21

Преимущества разметки

• Уменьшить межканальные помехи
• Увеличьте емкость системы

Недостатки разметки

• Большое количество антенн на базовой станции.
• Увеличение количества секторов на ячейку снижает эффективность транкинга
• Разделение на секторы уменьшает зону покрытия для определенной группы каналов.
• Количество «раздач» увеличивается.

Раздача

Когда мобильный объект движется по пути, он пересекает разные ячейки. Каждый раз, когда он входит в другую соту, связанную с f = другой частотой, управление мобильным телефоном берет на себя другая базовая станция. Это называется «Hand Off».

Передача решена на основании -

• Полученная информация об уровне сигнала, если она ниже порогового значения.
• Отношение несущей к помехе менее 18 дБ.

Помехи по соседнему каналу

Данная сота / сектор использует несколько радиочастотных каналов. Из-за несовершенных фильтров приемника, которые позволяют близким частотам просачиваться в полосу пропускания, возникают помехи по соседнему каналу.

Его можно уменьшить, сохраняя разнесение частот между каждым радиочастотным каналом в данной соте как можно большим. Когда коэффициент повторного использования невелик, этого разделения может быть недостаточно.

Разделения каналов за счет выбора радиочастот, которые разнесены более чем на 6 каналов, достаточно для удержания помех от соседних каналов в определенных пределах.

Например, в GSM, который следует шаблону 4/12, N = 4

Сектора = 3 / ячейка

ИА будет использовать RF Carr. 1, 13, 25, ……… ..

IB будет использовать RF Carr 5, 17, 29, …………

IC будет использовать RF Carr. 9, 21, 33, ……… .. и так далее.

Транкинг

Сотовые радиостанции полагаются на транкинг, чтобы обслуживать большое количество пользователей в ограниченном радиочастотном спектре. Каждому пользователю назначается канал по мере необходимости / для каждого вызова, и по завершении ячейки канал возвращается в общий пул радиочастотных каналов.

Уровень обслуживания (GOS)

Из-за транкинга существует вероятность блокировки вызова, если задействованы все радиочастотные каналы. Это называется «Класс обслуживания» «GOS».

Разработчик сотовой связи оценивает максимальную требуемую пропускную способность и выделяет нужное количество радиочастотных каналов для соответствия требованиям GOS. Для этих расчетов используется таблица «ERLANG B».

Расщепление клеток

Когда количество пользователей достигает насыщения в начальной ячейке (первоначальный проект) и больше нет запасной частоты, тогда начальная ячейка разделяется, обычно на четыре меньшие ячейки, и трафик увеличивается на четыре и более абонентов. можно подавать.

После n разделений трафик будет -

Т2 = Т0 × 42

Мощность будет уменьшена -

P2 = P0 - n × 12 дБ

Следовательно, разделение ячеек увеличивает емкость и снижает мощность передачи.

Сеть GSM разделена на четыре основные системы:

• Система коммутации (SS)
• Система базовых станций (BSS)
• Мобильная станция (MS)
• Центр эксплуатации и обслуживания (OMC)

Система коммутации, также называемая системой сети и коммутации (NSS), отвечает за обработку вызовов и функции, связанные с абонентами. Система коммутации включает в себя следующие функциональные блоки -

• Центр коммутации мобильной связи
• Реестр домашнего местоположения
• Регистр местоположения посетителей
• Регистр идентификации оборудования
• Центр аутентификации

Центр коммутации мобильной связи

Центр коммутации мобильной связи (MSC) выполняет все функции коммутации для всех мобильных станций, расположенных в географической зоне, контролируемой назначенными ему BSS. Кроме того, он взаимодействует с PSTN, с другими MSC и другими объектами системы.

Функции MSC

• Обработка вызовов, которая соответствует мобильному характеру абонентов с учетом регистрации местоположения, аутентификации абонентов и оборудования, передачи обслуживания и предоплаты.

• Управление необходимым логическим каналом радиосвязи во время разговора.

• Управление сигнальным протоколом MSC-BSS.

• Обработка регистрации местоположения и обеспечение взаимодействия между мобильной станцией и VLR.

• Управляет передачей обслуживания между BSS и MSC.

• Действует как шлюз MSC для опроса HLR. MSC, который подключен к сети PSTN / ISDN, называется GMSC. Это единственный MSC в сети, подключенный к HLR.

• Стандартные функции переключателя вроде зарядки.

Регистр домашнего местоположения (HLR)

Реестр домашнего местоположения содержит -

• Идентификатор мобильного абонента называется International Mobile Sub Identity (IMSI).
• Абонентский номер ISDN мобильной станции.
• Информация о подписке на услуги.
• Ограничения обслуживания.
• Информация о местоположении для маршрутизации вызовов.

Рекомендуется один HLR на каждую сеть GSM, и это может быть распределенная база данных. Постоянные данные в HLR изменяются человеко-машинным интерфейсом. Временные данные, такие как информация о местоположении, динамически изменяются в HLR.

Регистр местоположения посетителей (VLR)

VLR всегда интегрирован с MSC. Когда мобильная станция перемещается в новую зону MSC, VLR, подключенный к этому MSC, будет запрашивать данные о мобильной станции из HLR. Позже, если мобильная станция выполняет вызов, VLR имеет информацию, необходимую для установления вызова, без необходимости каждый раз опрашивать HLR. VLR содержит следующую информацию:

• Идентификационные данные мобильного субмарина,
• Любая временная мобильная дополнительная идентификация,
• Абонентский номер ISDN мобильного телефона,
• Телефонный номер для маршрутизации вызова на станцию ​​роуминга,
• Часть данных HLR для мобильных телефонов, которые в настоящее время находятся в зоне обслуживания MSC.

Регистр идентификации оборудования

Регистр идентификатора оборудования состоит из идентификатора оборудования мобильной станции, называемого международным идентификатором мобильного оборудования (IMEI), который может быть действительным, подозрительным и запрещенным. Когда мобильная станция обращается к системе, перед предоставлением услуг вызывается процедура проверки оборудования.

Информация доступна в виде трех списков.

• Белый список - Терминалу разрешено подключаться к Сети.

• Серый список - Терминал находится под наблюдением сети на предмет возможных проблем.

• Черный список - клеммы, заявленные как украденные, не имеют одобрения типа. Им не разрешено подключаться к сети. EIR сообщает VLR о списке, в котором находится конкретный IMEI.

Центр аутентификации

Он связан с HLR. Он хранит ключ идентификации, называемый ключом аутентификации (Ki), для каждого мобильного абонента. Этот ключ используется для генерации троек аутентификации.

• RAND (случайное число),
• SRES (подписанный ответ) - для аутентификации IMSI,
• Kc (Cipher Key) - для шифрования связи по радиоканалу между MS и сетью.

Центр эксплуатации и обслуживания (OMC)

Это функциональный объект, с помощью которого сетевой оператор может контролировать и контролировать систему, выполняя следующие функции:

• Установка программы
• Управление движением
• Анализ данных о производительности
• Отслеживание абонентов и оборудования
• Управление конфигурацией
• Абонентское администрирование
• Управление мобильной техникой
• Управление начислением и выставлением счетов

Система базовых станций (BSS)

BSS соединяет MS и NSS. Он состоит из следующего -

• Базовая приемопередающая станция (BTS) также называется базовой станцией.
• Контроллер базовой станции (BSC).

BTS и BSC взаимодействуют через стандартизированный интерфейс Abis. BTS контролируется BSC, и один BSC может иметь под своим контролем несколько BTS.

Базовая приемопередающая станция (BTS)

BTS размещает радиопередатчики и обрабатывает протоколы радиосвязи с мобильной станцией. Каждая BTS состоит из устройств радиопередачи и приема, включая антенну, сигнальные процессоры и т. Д. Каждая BTS может поддерживать от 1 до 16 РЧ несущих. Параметры, отличающие BTS, - это уровень мощности, высота антенны, тип антенны и количество несущих.

Функции BTS

• Он отвечает за синхронизацию времени и частоты.

• Должны быть выполнены процессы кодирования каналов, шифрования, мультиплексирования и модуляции для транс-направления и обратного приема.

• Он должен заранее организовать передачу с мобильных телефонов в зависимости от их расстояния от BTS (Timing Advance).

• Он должен обнаруживать запросы произвольного доступа от мобильных телефонов, измерять и контролировать радиоканалы для управления мощностью и передачи обслуживания.

Контроллер базовой станции

BSC управляет радиоресурсами для одной или группы BTS. Он обрабатывает настройку радиоканала, скачкообразную перестройку частоты, переключение каналов связи и управление уровнями РЧ мощности. BSC предоставляет опорные сигналы временной и частотной синхронизации, транслируемые своими BTS. Он устанавливает соединение между мобильной станцией и MSC. BSC подключается через интерфейсы к MSC, BTS и OMC.

Мобильная станция

Это относится к оконечному оборудованию, используемому абонентами беспроводной связи. Он состоит из -

• SIM-модуль идентификации абонента
• Мобильное оборудование

SIM-карта является съемной, и с соответствующей SIM-картой доступ к сети можно получить с помощью различного мобильного оборудования.

Идентификатор оборудования не привязан к абоненту. Оборудование проверяется отдельно с IMEI и EIR. SIM-карта содержит интегральную микросхему с микропроцессором, оперативную память (RAM) и постоянную память (ROM). SIM-карта должна быть действительной и должна подтверждать подлинность MS при доступе к сети.

SIM также хранит информацию, связанную с подписчиком, такую ​​как IMSI, идентификатор местоположения соты и т. Д.

Функции мобильной станции

• Радиопередача и прием
• Управление радиоканалом
• Кодирование / декодирование речи
• Защита от ошибок радиосвязи
• Контроль потока данных
• Скорость адаптации пользовательских данных к радиоканалу
• Управление мобильностью

Измеряя производительность максимум шести окружающих BTS и отправляя отчеты в BSS, MS может сохранять и отображать короткие полученные буквенно-цифровые сообщения на жидкокристаллическом дисплее (LCD), который используется для отображения информации о наборе номера и состоянии.

Европейская система GSM определяет пять различных категорий мобильных телефонов: 20 Вт, 8 Вт, 5 Вт, 2 Вт и 0,8 Вт. Они соответствуют уровням мощности 43 дБм, 39 дБм, 37 дБм, 33 дБм и 29 дБм. Блоки мощностью 20 и 8 Вт (пиковая мощность) предназначены для использования на транспортных средствах или переносных станциях. Мощность MS регулируется с шагом 2 дБ от номинального значения до 20 мВт (13 дБм). Это делается автоматически при дистанционном управлении от BTS.

Транскодеры

Транскодеры - это сетевые объекты, вставленные для взаимодействия стороны MSC со стороной Mobile. Скорость кодирования голоса на стороне PSTN составляет 64 Кбит / с, а в GSM по воздуху голос кодируется как 13 Кбит / с. Чтобы снизить скорость передачи данных по радиоинтерфейсу и уменьшить нагрузку на наземный канал (4: 1), транскодеры вводятся в подходящем месте, в основном с MSC.

Транскодер - это устройство, которое использует мультиплексоры речи со скоростью 13 кбит / с или 3,6 / 6/12-кбит / с и четыре из них для преобразования в стандартные данные со скоростью 64 кбит / с. Сначала 13 Кбит / с или данные со скоростью 3,6 / 6/12 Кбит / с доводятся до уровня 16 Кбит / с путем вставки дополнительных синхронизирующих данных, чтобы компенсировать разницу между речью 13 Кбит / с или данными с более низкой скоростью, а затем четыре из них объединены в транспондере для обеспечения канала 64 Кбит / с в BSS. Затем четыре канала трафика могут быть мультиплексированы в один канал 64 Кбит / с. Таким образом, скорость передачи данных на выходе TRAU составляет 64 Кбит / с.

Затем до 30 таких каналов со скоростью 64 кбит / с мультиплексируются на скорости 2,048 Мбит / с, если канал CEPT1 предоставляется на интерфейсе A-bis. Этот канал может передавать до 120- (16x120) сигналов трафика и управления. Поскольку скорость передачи данных в PSTN обычно составляет 2 Мбит / с, что является результатом объединения каналов 30 на 64 Кбит / с или 120 Кбит / с на каналы 16 Кбит / с.

Другие сетевые элементы

Другие сетевые элементы включают такие компоненты, как сервисный центр SMS, ящик голосовой почты и поток SMS.

СМС сервисный центр

Он взаимодействует с MSC, имеющим функциональные возможности взаимодействия для предоставления услуг коротких сообщений (SMS) мобильным абонентам. SMS может быть отправлено на факсимильный аппарат, ПК в Интернете или другое MS. Местоположение MS-получателя запрашивается MSC и доставляется.

Ящик голосовой почты

Когда мобильный абонент не в состоянии отвечать на входящие вызовы из-за занятости / отсутствия зоны обслуживания, тогда вызов перенаправляется на почтовый ящик, который уже был активирован абонентом. Для этого была установлена ​​отдельная связь от MSC. Позднее абонент получит SMS-уведомление и сможет получить сообщение.

SMS поток

• Когда пользователь отправляет SMS, запрос размещается через MSC.

• MSC пересылает SMS в SMSC, где оно сохраняется.

• SMSC запрашивает HLR, чтобы узнать, где находится мобильный телефон назначения, и пересылает сообщение на MSC назначения, если мобильный телефон назначения доступен.

• Если мобильный телефон недоступен, сообщение сохраняется в самом текущем SMSC. В большинстве случаев, если мобильный телефон недоступен для доставки SMS, SMSC не повторяет попытку. Вместо этого MSC назначения сообщает SMSC, когда мобильный телефон возвращается в зону действия. Обработка SMS - это операция промежуточного хранения, в отличие от USSD.

• SMS имеет период действия, в течение которого он будет ждать, пока мобильный телефон назначения станет доступным. По истечении этого времени SMSC удалит сообщение. Срок действия может быть установлен пользователем. Нормальный срок действия - 1 день.

BTS и MS связаны через радиоканалы, и этот эфирный интерфейс называется Um. Радиоволна подвержена затуханию, отражению, доплеровскому сдвигу и помехам от другого передатчика. Эти эффекты вызывают потерю мощности сигнала и искажение, что влияет на качество голоса или данных. Чтобы справиться с суровыми условиями, GSM использует эффективную и защитную обработку сигналов. Правильная конструкция сотовой связи должна обеспечивать достаточное радиопокрытие в данной области.

Изменение уровня сигнала для мобильных устройств связано с различными типами замирания уровня сигнала. Есть два типа изменений мощности сигнала.

• Macroscopic Variations- Из-за рельефа местности между BTS и MS. Эффект затухания вызван затенением и дифракцией (изгибом) радиоволн.

• Microscopic variations- Из-за многолучевого распространения, кратковременного или рэлеевского замирания. По мере движения MS будут приниматься радиоволны с самых разных путей.

Рэлеевское затухание

Рэлеевские замирания или макроскопические вариации могут быть смоделированы как добавление двух компонентов, которые составляют потери на трассе между мобильной станцией и базовой станцией. Первый компонент - это детерминированный компонент (L), который добавляет потери к силе сигнала по мере увеличения расстояния (R) между базой и мобильным телефоном. Этот компонент можно записать как -

L = 1 / R ⁿ

Где n обычно равно 4. Другой макроскопический компонент - это логарифмическая нормальная случайная величина, которая учитывает эффекты затухания тени, вызванные изменениями ландшафта и другими препятствиями на радиотракте. Локальное среднее значение потерь на трассе = детерминированная составляющая + логарифмическая нормальная случайная величина.

Микроскопические вариации или рэлеевские замирания возникают, когда мобильный телефон перемещается на короткие расстояния по сравнению с расстоянием между мобильным устройством и базой. Эти кратковременные колебания вызваны рассеянием сигнала вблизи мобильного устройства, например, холмом, зданием или движением транспорта. Это ведет к множеству различных путей, которые проходят между передатчиком и приемником (многолучевое распространение). Отраженная волна изменяется как по фазе, так и по амплитуде. Сигнал может исчезнуть, если отраженная волна сдвинута по фазе на 180 градусов с сигналом прямого пути. Частичное противофазовое соотношение между несколькими принятыми сигналами приводит к меньшему снижению уровня принимаемого сигнала.

Эффекты рэлеевского замирания

Отражение и многолучевое распространение могут вызывать положительные и отрицательные эффекты.

Процессы передачи / приема

Есть два основных процесса, связанных с передачей и приемом информации по цифровой радиосвязи: кодирование и модуляция.

Расширение покрытия

Многолучевое распространение позволяет радиосигналам проникать за холмы, здания и в туннели. Constructive and destructive interference сигналы, полученные по многолучевым путям, могут складываться или уничтожать друг друга.

Кодирование

Кодирование - это обработка информации, которая включает в себя подготовку основных сигналов данных, чтобы они были защищены и преобразованы в форму, которую может обрабатывать радиоканал. Обычно процесс кодирования включает логическое исключающее ИЛИ (EXOR). Кодирование включено в -

• Кодирование речи или транскодирование
• Кодирование каналов или кодирование с прямой коррекцией ошибок
• Interleaving
• Encryption

Пакетное форматирование

Человеческая речь ограничена полосой частот от 300 Гц до 3400 Гц и подвергается частотной модуляции в аналоговых системах. В цифровых фиксированных системах КТСОП речь с ограниченной полосой частот дискретизируется с частотой 8 кГц, и каждая дискретизация кодируется в 8 бит, что приводит к 64 Кбит / с (А-закон кодирования PCM). Цифровая сотовая радиосвязь не может поддерживать высокую скорость передачи данных, используемую в системах PSTN. Для снижения скорости передачи данных были разработаны интеллектуальные методы анализа и обработки сигналов.

Свойства речи

Человеческую речь можно различить в элементарных звуках (фонемах). В зависимости от языка существует от 30 до 50 различных фонем. Человеческий голос способен воспроизводить до 10 фонем в секунду, поэтому для передачи речи требуется около 60 бит / с. Однако исчезнут все индивидуальные особенности и интонации. Чтобы сохранить отдельные функции, реальный объем передаваемой информации в несколько раз больше, но все же составляет часть от 64 Кбит / с, используемых для PCM.

На основе механизма производства фонем человеческими органами речи может быть создана простая модель производства речи. Похоже, что в течение короткого временного интервала 10-30 мс параметры модели, такие как период основного тона, вокализированный / невокализованный, коэффициент усиления и параметры фильтра, остаются примерно постоянными (квазистационарными). Преимущество такой модели - простое определение параметров посредством линейного прогнозирования.

Методы кодирования речи

Есть 3 класса методов кодирования речи

• Waveform Coding- Речь максимально хорошо передается в волновой форме. PCM - это пример кодирования формы сигнала. Скорость передачи составляет от 24 до 64 кбит / с, качество речи хорошее, говорящего легко узнать.

• Parameter Coding- Отправляется очень ограниченное количество информации. Декодер, созданный в соответствии с моделью формирования речи, будет регенерировать речь в приемнике. Для передачи речи требуется от 1 до 3 кбит / с. Восстановленная речь разборчива, но в ней присутствует шум, и часто говорящего невозможно распознать.

• Hybrid Coding- Гибридное кодирование - это сочетание кодирования формы сигнала и кодирования параметров. Он сочетает в себе сильные стороны обоих методов, а GSM использует метод гибридного кодирования, называемый RPE-LTP (регулярное импульсное возбуждение-долгосрочное прогнозирование), что дает 13 Кбит / с на голосовой канал.

Кодирование речи в GSM (транскодирование)

PCM со скоростью 64 кбит / с транскодируется из стандартных квантованных 8 битов на выборку по А-закону в линейно квантованный поток битов с 13 битами на выборку, что соответствует скорости передачи 104 кбит / с. Поток со скоростью 104 Кбит / с подается в речевой кодер RPE-LTP, который берет 13-битные выборки в блоке из 160 выборок (каждые 20 мс). Кодер RPE-LTP выдает 260 битов за каждые 20 мс, в результате чего скорость передачи данных составляет 13 кбит / с. Это обеспечивает качество речи, приемлемое для мобильной телефонии и сопоставимое с проводными телефонами PSTN. В GSM кодирование речи со скоростью 13 Кбит / с называется кодерами с полной скоростью. В качестве альтернативы также доступны кодеры с половинной скоростью (6,5 Кбит / с) для увеличения пропускной способности.

Канальное кодирование / сверточное кодирование

Канальное кодирование в GSM использует 260 битов из кодирования речи в качестве входных данных для канального кодирования и выводит 456 закодированных битов. Из 260 битов, выдаваемых речевым кодером RPE-LTP, 182 классифицируются как важные биты, а 78 - как неважные. Снова 182 бита делятся на 50 наиболее важных битов, блочно кодируются на 53 бита и добавляются 132 битами и 4 концевыми битами, что в сумме составляет 189 бит, прежде чем подвергаться сверточному кодированию 1: 2, преобразовывая 189 бит в 378 бит. К этим 378 битам добавляются 78 неважных битов, что дает 456 бит.

Чередование - первый уровень

Канальный кодер обеспечивает 456 бит на каждые 20 мс речи. Они чередуются, образуя восемь блоков по 57 бит каждый, как показано на рисунке ниже.

В нормальном пакете могут быть размещены блоки по 57 бит, и если 1 такой пакет потерян, BER составляет 25% за все 20 мс.

Чередование - второй уровень

Был введен второй уровень перемежения, чтобы еще больше снизить возможный BER до 12,5%. Вместо отправки двух блоков по 57 бит из одних и тех же 20 мс речи в одном пакете, блок из одного 20 мс и блок из следующей выборки 20 мс отправляются вместе. В системе вводится задержка, когда MS должна ждать следующих 20 мс речи. Однако теперь система может позволить себе потерять целый пакет из восьми, поскольку потеря составляет только 12,5% от общего числа битов из каждого 20-миллисекундного речевого кадра. 12,5% - это максимальный уровень потерь, который может исправить декодер канала.

Шифрование / шифрование

Целью шифрования является кодирование пакета так, чтобы он не мог быть интерпретирован никакими другими устройствами, кроме получателя. Алгоритм шифрования в GSM называется алгоритмом A5. Он не добавляет биты к пакету, что означает, что ввод и вывод процесса шифрования такие же, как и ввод: 456 бит на 20 мс. Подробная информация о шифровании доступна в специальных функциях GSM.

Мультиплексирование (пакетное форматирование)

Каждая передача с мобильного телефона / BTS должна включать некоторую дополнительную информацию наряду с основными данными. В GSM добавляется всего 136 битов на блок по 20 мс, в результате чего общее количество составляет 592 бита. Также добавлен защитный период в 33 бита, что дает 625 бит на 20 мс.

Модуляция

Модуляция - это обработка, которая включает в себя физическую подготовку сигнала, чтобы информация могла передаваться на РЧ-носителе. GSM использует метод гауссовой манипуляции с минимальным сдвигом (GMSK). Несущая частота сдвинута на +/- B / 4, где B = битовая скорость. Однако использование фильтра Гаусса уменьшает полосу пропускания до 0,3 вместо 0,5.

Особенности GSM

Ниже перечислены особенности GSM, которые мы собираемся обсудить в следующих разделах.

• Authentication
• Encryption
• Ошеломляющий временной интервал
• Время вперед
• Прерывистая передача
• Контроль мощности
• Приемное выравнивание
• Медленная скачкообразная перестройка частоты

Аутентификация

Поскольку радиоинтерфейс уязвим для мошеннического доступа, необходимо использовать аутентификацию, прежде чем предоставлять услуги абоненту. Аутентификация строится на следующих понятиях.

• Ключ аутентификации (Ki) находится только в двух местах: на SIM-карте и в центре аутентификации.

• Ключ аутентификации (Ki) никогда не передается по воздуху. Невозможно получить этот ключ для выдачи себя за конкретного абонента мобильной связи неуполномоченным лицам.

Параметры аутентификации

MS аутентифицируется VLR с помощью процесса, который использует три параметра:

• RAND, которое является полностью случайным числом.

• SRES - ответ, подписанный аутентификацией. Он создается путем применения алгоритма аутентификации (A3) к RAND и Ki.

• Kc, который является ключом шифрования. Параметр Kc создается путем применения алгоритма генерации ключа шифрования (A8) к RAND и Ki.

Эти параметры (называемые триплетом аутентификации) генерируются AUC по запросу HLR, к которому принадлежит подписчик. Алгоритмы A3 и A8 определяются оператором PLMN и выполняются SIM-картой.

Шаги на этапе аутентификации

• Новый VLR отправляет запрос в HLR / AUC (центр аутентификации), запрашивая «триплеты аутентификации» (RAND, SRES и Kc), доступные для указанного IMSI.

• AUC с использованием IMSI извлекает ключ аутентификации подписчика (Ki). Затем AUC генерирует случайное число (RAND), применяет Ki и RAND как к алгоритму аутентификации (A3), так и к шифровальному ключу, алгоритму генерации (A8) для генерировать подписанный ответ аутентификации (SRES) и ключ шифрования (Kc). Затем AUC возвращает тройку аутентификации: RAND, SRES и Kc в новый VLR.

• MSC / VLR сохраняет два параметра Kc и SRES для дальнейшего использования, а затем отправляет сообщение на MS. MS считывает свой ключ аутентификации (Ki) с SIM-карты, применяет полученное случайное число (RAND) и Ki как к своему алгоритму аутентификации (A3), так и к алгоритму генерации ключа шифрования (A8) для получения подписанного ответа аутентификации (SRES) и шифра. ключ (Kc). MS сохраняет Kc на будущее и будет использовать Kc, когда получит команду для шифрования канала.

• MS возвращает сгенерированный SRES в MSC / VLR. VLR сравнивает SRES, возвращенный от MS, с ожидаемым SRES, полученным ранее от AUC. При равенстве мобильный телефон проходит аутентификацию. Если они не равны, все действия по сигнализации будут прерваны. В этом сценарии мы предполагаем, что аутентификация пройдена.

Шифрование / шифрование

Данные шифруются на стороне передатчика в блоках по 114 битов путем взятия 114-битных пакетов данных открытого текста и выполнения операции логической функции EXOR (Исключающее ИЛИ) с 114-битным блоком шифрования.

Функция дешифрования на стороне приемника выполняется путем взятия зашифрованного блока данных из 114 бит и прохождения той же операции «исключающее ИЛИ» с использованием того же 114-битного блока шифрования, который использовался в передатчике.

Блок шифрования, используемый обоими сторонами тракта передачи для данного направления передачи, создается в BSS и MS с помощью алгоритма шифрования, называемого A5. Алгоритм A5 использует 64-битный ключ шифрования (Kc), созданный в процессе аутентификации во время установки вызова, и 22-битный номер кадра TDMA (COUNT), который принимает десятичные значения от 0 до 2715647 и имеет время повторения 3,48 часа. (интервал гиперкадра). Алгоритм A5 фактически создает два блока шифрования в течение каждого периода TDMA. Один путь для восходящего канала, а другой - для нисходящего.

Ошеломляющий временной интервал

Распределение временных интервалов - это принцип получения организации временных интервалов восходящей линии связи из организации временных интервалов нисходящей линии связи. Конкретный временной интервал восходящей линии связи получается из нисходящей линии связи путем сдвига номера временного интервала нисходящей линии связи на три.

Причина

Сдвигая три временных интервала, мобильная станция избегает одновременных процессов «передачи и приема». Это позволяет упростить реализацию мобильной станции; приемник мобильной станции не нуждается в защите от передатчика той же мобильной станции. Обычно мобильная станция принимает в течение одного временного интервала, а затем меняет частоту на 45 МГц для GSM-900 или на 95 МГц для GSM-1800, чтобы передавать через некоторое время. Это означает, что существует одна временная база для нисходящей линии связи и одна для восходящей линии связи.

Время вперед

Опережение по времени - это процесс ранней передачи пакета на BTS (опережение по времени) для компенсации задержки распространения.

Зачем это нужно?

Это необходимо из-за схемы мультиплексирования с временным разделением, используемой на радиотракте. BTS принимает сигналы от разных мобильных станций, расположенных очень близко друг к другу. Однако, когда мобильная станция находится далеко от BTS, BTS должна иметь дело с задержкой распространения. Важно, чтобы пакет, принимаемый BTS, правильно соответствовал временному интервалу. В противном случае пакеты от мобильных станций, использующих соседние временные интервалы, могут перекрываться, что приводит к плохой передаче или даже к потере связи.

Как только соединение установлено, BTS непрерывно измеряет временной сдвиг между своим собственным расписанием пакетов и графиком приема пакетов мобильной станции. На основе этих измерений BTS может предоставить мобильной станции необходимое временное опережение через SACCH. Обратите внимание, что опережение по времени получается из измерения расстояния, которое также используется в процессе передачи обслуживания. BTS отправляет параметр опережения синхронизации в соответствии с предполагаемым опережением синхронизации на каждую мобильную станцию. Затем каждая мобильная станция увеличивает время, в результате чего сигналы от разных мобильных станций поступают в BTS и компенсируются задержкой распространения.

Процесс опережения времени

• 6-битное число указывает, на сколько бит MS должна продвинуть свою передачу. На этот раз продвижение - ТА.

• GP (защитный период) пакета доступа длиной 68,25 бит обеспечивает необходимую гибкость для увеличения времени передачи.

• TA может иметь значение от 0 до 63 бит, что соответствует задержке от 0 до 233 микросекунд. Например, MS, находящаяся на расстоянии 10 км от BTS, должна начать передачу на 66 микросекунд раньше, чтобы компенсировать задержку передачи туда и обратно.

• Максимальный диапазон мобильной связи 35 км определяется скорее значением опережения синхронизации, чем силой сигнала.

Мобильная станция пытается найти подходящую соту, проходя через список в порядке убывания уровня принимаемого сигнала, первый канал BCCH, который удовлетворяет набору выбранных ею требований.

Критерии выбора ячейки

Требования, которым должна удовлетворять сота, прежде чем мобильная станция сможет получать от нее услуги, следующие:

• Это должна быть ячейка выбранной PLMN. Мобильная станция проверяет, является ли сота частью выбранной PLMN.

• Его не следует «запрещать». Оператор PLMN может принять решение не разрешать мобильным станциям доступ к определенным сотам. Эти ячейки могут, например, использоваться только для передачи трафика. Информация о заблокированных ячейках транслируется по BCCH, чтобы дать мобильным станциям указание не обращаться к этим ячейкам.

• Потери на радиотракте между мобильной станцией и выбранной BTS должны быть выше порога, установленного оператором PLMN.

• Если подходящая сота не найдена, то MS переходит в состояние «ограниченного обслуживания», в котором она может выполнять только экстренные вызовы.

Звонок на активную мобильную станцию

Когда активная мобильная станция (MS) перемещается в зоне покрытия наземной мобильной сети общего пользования (PLMN), она сообщает о своих перемещениях, чтобы ее можно было определить по мере необходимости, используя местоположения процедуры обновления. Когда центру коммутации мобильных услуг (MSC) в сети необходимо установить вызов мобильной станции, работающей в его зоне потока, происходят следующие вещи:

• Пейджинговое сообщение - его широковещательная передача, которая содержит идентификационный код MS. Не каждому контроллеру базовых станций (BSC) в сети требуется передать сообщение поискового вызова. Трансляция ограничена кластером радиоячеек, которые вместе образуют зону расположения. Последнее сообщенное местоположение MS определяет зону местоположения, которая будет использоваться для широковещательной передачи.

• MS отслеживает сообщение поискового вызова, передаваемое радиоячейкой, в которой она расположена, и, обнаружив свой собственный идентификационный код, отвечает, передавая сообщение ответа на поисковый вызов в базовую приемопередающую станцию ​​(BTS).

• Затем устанавливается связь между MSC и MS через BTS, которая приняла сообщение ответа на поисковый вызов.

Обновление местоположения

Case 1 - Местоположение никогда не обновляется.

Если местоположение никогда не обновляет реализацию обновления местоположения, стоимость становится нулевой. Но мы должны просмотреть каждую ячейку для поиска MS, и эта процедура не будет рентабельной.

Case 2 - Реализовано обновление локации.

Обновление местоположения происходит в соответствии с требованиями сети, может зависеть от времени, движения или расстояния. Эта процедура связана с высокими затратами, но мы должны вызвать одну или несколько ячеек только для определения местоположения MS, и эта процедура будет рентабельной.

конфигурация сети

Конфигурация наземной мобильной сети общего пользования (PLMN) спроектирована таким образом, чтобы активная мобильная станция, перемещающаяся в зоне действия сети, по-прежнему могла сообщать о своем местоположении. Сеть состоит из разных областей -

• Зона PLMN
• Район расположения
• Зона MSC
• PLMN Площадь

Зона PLMN - это географическая зона, в которой услуги наземной мобильной связи предоставляются населению конкретным оператором PLMN. Из любого места в зоне PLMN мобильный пользователь может устанавливать вызовы другому пользователю той же сети или пользователю другой сети. Другая сеть может быть фиксированной сетью, другой PLMN GSM или другим типом PLMN. Пользователи той же PLMN или пользователи других сетей также могут позвонить мобильному пользователю, который активен в зоне PLMN. При наличии нескольких операторов PLMN географические области, покрываемые их сетями, могут перекрываться. Протяженность зоны PLMN обычно ограничена национальными границами.

Область расположения

Чтобы исключить необходимость в широковещательной передаче поискового вызова в масштабе всей сети, PLMN необходимо знать приблизительные позиции мобильных станций, которые активны в пределах ее зоны обслуживания. Чтобы приблизительные положения любой MS можно было представить одним параметром, общая площадь, покрываемая сетью, делится на области расположения. Зона локации (LA) - это группа из одной или нескольких радиоячеек. Эта группа соответствует следующим требованиям -

• BTS в одной зоне местоположения могут управляться одним или несколькими BSC.

• BSC, которые обслуживают одну и ту же зону расположения, всегда подключены к одному и тому же MSC.

• Радиоячейки с BTS, управляемые общим BSC, могут находиться в разных зонах расположения.

Идентификация зоны расположения

Каждый радиопередатчик в PLMN вещает через канал управления BCCH, идентификатор зоны местоположения (LAI), код для идентификации зоны местоположения, которую он обслуживает. Когда MS не участвует в вызове, она автоматически сканирует BCCH, передаваемый базовыми станциями в данной местности, и выбирает канал, который доставляет самый сильный сигнал. Код LAI, транслируемый выбранным каналом, идентифицирует область местоположения, в которой в настоящее время находится MS. Этот код LAI хранится в модуле идентификации абонента (SIM) мобильного оборудования.

По мере того, как MS перемещается через зону сети, сигнал, принимаемый из выбранного канала управления, постепенно уменьшается по силе, пока не перестанет быть самым сильным. На этом этапе MS повторно настраивается на канал, который стал доминирующим, и проверяет код LAI, который она передает. Если полученный код LAI отличается от сохраненного на SIM-карте, то MS вошла в другую зону местоположения и инициирует процедуру обновления местоположения, чтобы сообщить об изменении в MSC. В конце процедуры также обновляется код LAI в SIM-карте.

Формат идентификации области расположения

Это код идентификации области расположения (LAI) для идентификации области расположения в PLMN. Код LAI состоит из трех компонентов:

Мобильный код страны (MCC)

MCC - это трехзначный код, который однозначно определяет страну проживания мобильного абонента (например, Индия 404). Присваивается ITU-T.

Код мобильной сети (MNC)

MNC - это двухзначный код (трехзначный код для GSM-1900), который идентифицирует домашний PLMN GSM мобильного абонента. Если в стране существует более одной сети PLMN GSM, каждой из них присваивается уникальный код MNC. Он назначается правительством каждой страны. (Например, Cell one, Chennai 64).

Код города местоположения (LAC)

Компонент LAC идентифицирует зону местоположения в PLMN; он имеет фиксированную длину 2 октета и может быть закодирован с использованием шестнадцатеричного представления. Его назначает оператор.

Районы МСК

Зона MSC - это область сети, в которой операциями GSM управляет один MSC. Зона MSC состоит из еще одной локационной зоны. Граница области MSC следует за внешними границами областей расположения на ее периферии. Следовательно, область расположения никогда не выходит за пределы области MSC.

Зона VLR

Область VLR - это область сети, которая контролируется единым регистром местоположения посетителей (VLR). Теоретически зона VLR может состоять из еще одной зоны MSC. Однако на практике функции VLR всегда интегрируются с функциями MSC, так что термины «область VLR» и «область MSC» стали синонимами.

Базы данных, связанные с местоположением

Управление местоположением использует две базы данных для хранения данных о местоположении MS.

• Регистр местоположения посетителей (VLR)
• Регистр домашнего местоположения (HLR)

Регистр местоположения посетителей

VLR содержит запись данных для каждой мобильной станции, которая в данный момент работает в ее зоне. Каждая запись содержит набор идентификационных кодов подписчика, соответствующую информацию о подписке и идентификационный код зоны расположения (LAI). Эта информация используется MSC при обработке вызовов к или от MS в этой зоне. Когда MS перемещается из одной области в другую, ответственность за ее наблюдение переходит от одного VLR к другому. Новая запись данных создается VLR, принявшим MS, а старая запись удаляется. При условии, что между заинтересованными сетевыми операторами существует соглашение о совместной работе, транзакция данных может пересекать как сетевые, так и национальные границы.

Реестр домашнего местоположения

HLR содержит информацию, относящуюся к мобильным абонентам, которые являются платными клиентами организации, которая управляет PLMN.

HLR хранит два типа информации:

Subscription Information

Информация о подписке включает IMSI и абонентский номер, выделенный подписчику, тип предоставляемых услуг и любые связанные ограничения.

Location Information

Информация о местоположении включает в себя адрес VLR в области, где в настоящее время находится абонентская MS, и адрес соответствующего MSC.

Информация о местоположении позволяет маршрутизировать входящие вызовы на MS. Отсутствие этой информации указывает на то, что MS неактивна и недоступна.

Когда MS перемещается из одной области VLR в другую, информация о местоположении в HLR обновляется новой записью для MS с использованием данных подписки, скопированных из HLR. При условии, что между операторами сети существует соглашение о взаимодействии, соответствующие транзакции с данными могут перемещаться как через сетевые, так и через национальные границы.

Типы идентификационных номеров

Во время выполнения процедуры обновления местоположения и обработки мобильного звонка используются разные типы номеров -

• Номер ISDN мобильной станции (MSISDN)
• Номер мобильного абонента в роуминге (MSRN)
• Международная идентификация мобильного абонента (IMSI)
• Временная идентификация мобильного абонента (TMSI)
• Идентификация локальной мобильной станции (LMSI)

Каждый номер хранится в HLR и / или VLR.

Номер ISDN мобильной станции

MSISDN - это абонентский номер, присвоенный мобильному абоненту. Он набирается для телефонного звонка абоненту мобильной связи. Номер состоит из кода страны (CC) страны, в которой зарегистрирована мобильная станция (например, Индия 91), за которым следует национальный мобильный номер, который состоит из сетевого кода назначения (NDC) и номера абонента (SN). NDC назначается каждой PLMN GSM.

Состав MSISDN таков, что его можно использовать в качестве адреса глобального заголовка в части управления сигнальным соединением (SCCP) для маршрутизации сообщения в HLR мобильного абонента.

Номер роуминга мобильной станции

MSRN - это номер, требуемый MSC шлюза для маршрутизации входящего вызова к MS, которая в настоящее время не находится под контролем MSISDN шлюза. При использовании мобильного телефона завершенный вызов направляется на шлюз MSC. На основании этого MSC шлюза MSISDN запрашивает MSRN для маршрутизации вызова на текущий посещенный международный идентификатор мобильного абонента MSC (IMSI).

MS идентифицируется своим IMSI. IMSI встроен в SIM-карту мобильного оборудования. Он предоставляется MS в любое время, когда он обращается к сети.

Mobile Country Code (MCC)

Компонент MCC IMSI представляет собой трехзначный код, который однозначно определяет страну проживания подписчика. Присваивается ITU-T.

Mobile Network Code (MNC)

Компонент MNC - это двухзначный код, который идентифицирует домашнюю PLMN GSM мобильного абонента. Он назначается правительством каждой страны. Для GSM-1900 используется трехзначный MNC.

Mobile Subscriber Identification Number (MSIN)

MSIN - это код, который идентифицирует абонента в сети PLMN GSM. Назначается оператором.

Временная идентификация мобильного абонента (TMSI)

TMSI - это псевдоним идентичности, который используется вместо IMSI, когда это возможно. Использование TMSI гарантирует, что истинная личность мобильного абонента остается конфиденциальной, устраняя необходимость передачи незашифрованного кода IMSI по радиоканалу.

VLR выделяет уникальный код TMSI каждому мобильному абоненту, который работает в его зоне. Этот код, который действителен только в пределах области, контролируемой VLR, используется для идентификации абонента в сообщениях к MS и от MS. Когда изменение области местоположения также включает изменение области VLR, новый код TMSI выделяется и передается на MS. MS хранит TMSI на своей SIM-карте. TMSI состоит из четырех октетов.

Сценарий обновления местоположения

В следующем сценарии обновления местоположения предполагается, что MS входит в новую область местоположения, которая находится под управлением другого VLR (называемого «новым VLR»), чем тот, в котором MS в настоящее время зарегистрирована (называемый "старый ВЛР"). На следующей схеме показаны этапы сценария обновления мобильного местоположения.

MS входит в новую зону соты, прослушивает идентификатор зоны расположения (LAI), передаваемый по широковещательному каналу (BCCH), и сравнивает этот LAI с последним LAI (сохраненным в SIM-карте), представляющим последнюю зону, в которой мобильный телефон был зарегистрирован. .

• MS обнаруживает, что она вошла в новую зону расположения, и передает сообщение запроса канала по каналу произвольного доступа (RACH).

• Как только BSS принимает сообщение запроса канала, он выделяет автономный выделенный канал управления (SDCCH) и пересылает эту информацию о назначении канала в MS по каналу предоставления доступа (AGCH). MS будет связываться с BSS и MSC через SDCCH.

• MS передает сообщение запроса на обновление местоположения в BSS по SDCCH. В это сообщение включены временный идентификатор мобильного абонента MS (TMSI) и старый абонент зоны местоположения (старый LAI). MS может идентифицировать себя по своему IMSI или TMSI. В этом примере мы предположим, что мобильный телефон предоставил TMSI. BSS пересылает сообщение запроса обновления местоположения в MSC.

• VLR анализирует LAI, предоставленный в сообщении, и определяет, что полученный TMSI связан с другим VLR (старым VLR). Чтобы продолжить регистрацию, необходимо определить IMSI MS. Новый VLR получает идентичность старого VLR, используя полученный LAI, предоставленный в сообщении запроса на обновление местоположения. Он также запрашивает, чтобы старый VLR предоставил IMSI для определенного TMSI.

• Сценарий обновления местоположения - Обновление HLR / VLR - это момент, когда мы готовы сообщить HLR, что MS находится под управлением нового VLR и что MS может быть отозвана из старого VLR. Шаги на этапе обновления HLR / VLR:

  • Новый VLR отправляет сообщение HLR, информирующее его о том, что данный IMSI изменил местоположение и может быть достигнут путем маршрутизации всех входящих вызовов на адрес VLR, включенный в сообщение.

  • HLR запрашивает у старого VLR удаление записи подписчика, связанной с данным IMSI. Запрос подтвержден.

  • HLR обновляет новый VLR данными подписчика (профиль клиента мобильных абонентов).

Шаги на этапе перераспределения TMSI

• MSC пересылает MS сообщение о принятии обновления местоположения. Это сообщение включает новый TMSI.

• MS извлекает новое значение TMSI из сообщения и обновляет свою SIM-карту этим новым значением. Затем мобильный телефон отправляет сообщение о завершении обновления обратно в MSC.

• MSC запрашивает у BSS разорвать сигнальное соединение между MSC и MS.

• MSC освобождает свою часть сигнального соединения, когда он получает сообщение об окончании очистки от BSS.

• BSS отправляет сообщение об освобождении канала "радиоресурса" на MS, а затем освобождает автономный выделенный канал управления (SDCCH), который был выделен ранее. Затем BSS информирует MSC, что сигнальное соединение было очищено.

Периодичность обновления местоположения

Обновление местоположения происходит автоматически, когда MS меняет свой LA. Если пользователь часто пересекает границу Лос-Анджелеса, может быть создано множество обновлений местоположения. Если MS остается в том же LA, обновление местоположения может происходить в зависимости от времени / движения / расстояния, как определено поставщиком сети.

Сдавать

Это процесс автоматического переключения текущего вызова с одного канала трафика на другой для нейтрализации неблагоприятных последствий перемещений пользователя. Процесс передачи будет запущен только в том случае, если контроль мощности больше не помогает.

Процесс передачи обслуживания называется MAHO (передача обслуживания с помощью мобильной связи). Он начинается с измерений нисходящей линии связи, выполняемых MS (сила сигнала от BTS, качество сигнала от BTS). MS может измерять уровень сигнала 6 лучших соседних нисходящих линий BTS (список кандидатов).

Типы передачи

Есть два типа передачи -

• Внутренняя или внутренняя передача BSS

  Внутриклеточная передача

  Межсотовая передача

• Внешняя или внутренняя передача BSS

  Передача внутри-MSC

  Передача Inter MSC

  Внутренний переход управляется BSC, а внешний - MSC.

Цели передачи заключаются в следующем:

• Поддерживайте хорошее качество речи.
• Сведите к минимуму количество сброшенных вызовов.
• Увеличьте количество времени, в течение которого мобильная станция находится в лучшей соте.
• Сведите к минимуму количество передач.

When will a Hand Over take place?

• Расстояние (задержка распространения) между MS и BTS становится слишком большим.
• Если уровень принимаемого сигнала очень низкий.
• Если качество принимаемого сигнала очень низкое.
• Ситуация с потерей пути для мобильной станции к другой соте лучше.

Следующая новая сеть GPRS добавляет следующие элементы к существующей сети GSM.

• Блок управления пакетами (PCU).

• Обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN) - MSC сети GPRS.

• Gateway GPRS Support Node (GGSN) - шлюз во внешние сети.

• Пограничный шлюз (BG) - шлюз к другим PLMN.

• Магистраль Intra-PLMN - сеть на основе IP, соединяющая все элементы GPRS.

Служба пакетной радиосвязи общего назначения (GPRS)

• GPRS предоставляет мобильному абоненту возможность пакетной передачи данных.

• GPRS предназначен для работы в рамках существующей инфраструктуры GSM с дополнительными узлами коммутации пакетов.

• Этот метод пакетного режима использует многослотовую технологию вместе с поддержкой всех схем кодирования (от CS-1 до CS-4) для увеличения скорости передачи данных до 160 кбит / с.

• Система GPRS использует физические радиоканалы, как определено для GSM. Физический канал, используемый GPRS, называется каналом пакетных данных (PDCH).

• PDCH могут быть выделены для GPRS (выделенный PDCH) или использоваться GPRS, только если они не требуются для соединения с коммутацией каналов (по запросу). Оператор может определить 0-8 выделенных PDCH на ячейку. Оператор может указать, где он хочет, чтобы его PDCH были расположены.

• Первый выделенный PDCH в соте всегда является главным PDCH (MPDCH). Каналы PDCH по запросу могут быть прерваны входящими вызовами с коммутацией каналов в ситуациях перегрузки в соте.

Схема кодирования	Скорость (кбит / с)
CS-1	8.0
CS-2	12.0
CS-3	14,4
CS-4	20,0

Функции обслуживающего узла поддержки GPRS (SGSN)

SGSN или элемент обслуживающего узла поддержки GPRS сети GPRS обеспечивает ряд решений, сосредоточенных на IP-элементах всей системы. Он предоставляет множество услуг для мобильных телефонов -

• Маршрутизация и передача пакетов
• Управление мобильностью
• Authentication
• Attach/detach
• Управление логическими ссылками
• Данные зарядки

В SGSN есть регистр местоположения, в котором хранится информация о местоположении (например, текущая ячейка, текущий VLR). Он также хранит профили пользователей (например, IMSI, используемые адреса пакетов) для всех пользователей GPRS, зарегистрированных в конкретном SGSN.

Функции шлюзового узла поддержки GPRS (GGSN)

• GGSN, шлюзовой узел поддержки GPRS, является одним из наиболее важных объектов в сетевой архитектуре GSM EDGE.

• GGSN организует взаимодействие между сетью GPRS / EDGE и внешними сетями с коммутацией пакетов, к которым могут быть подключены мобильные телефоны. Они могут включать как сети Интернет, так и сети X.25.

• GGSN можно рассматривать как комбинацию шлюза, маршрутизатора и межсетевого экрана, поскольку он скрывает внутреннюю сеть от внешнего мира. В процессе работы, когда GGSN получает данные, адресованные конкретному пользователю, он проверяет, активен ли пользователь, а затем пересылает данные. В противоположном направлении пакетные данные от мобильного устройства направляются GGSN в нужную сеть назначения.

Модернизация оборудования с GSM на GPRS

• Mobile Station (MS)- Для доступа к услугам GPRS требуется новая мобильная станция. Эти новые терминалы будут обратно совместимы с GSM для голосовых вызовов. Доступны три типа трубок. Тип-A: GPRS и речь (одновременно), Тип-B: GPRS и речь (автоматическое переключение), Тип-C: GPRS или речь (ручное переключение).

• BTS - На существующей базовой площадке приемопередатчиков требуется обновление программного обеспечения.

• BSC- Требуется обновление программного обеспечения и установка нового оборудования, называемого блоком управления пакетами (PCU). PCU отвечает за обработку уровней управления доступом к среде передачи (MAC) и управления радиоканалом (RLC) радиоинтерфейса, а также уровней BSSGP и сетевых служб интерфейса Gb. На каждый BSC приходится один PCU. Интерфейс Gb передает трафик GPRS / EGPRS от SGSN (обслуживающий узел поддержки GPRS) на PCU.

• GPRS Support Nodes (GSNs) - Развертывание GPRS требует установки новых элементов базовой сети, называемых обслуживающим узлом поддержки GPRS (SGSN) и узлом поддержки GPRS шлюза (GGSN).

• Databases (HLR, VLR, etc.) - Все базы данных, задействованные в сети, потребуют обновления программного обеспечения для обработки новых моделей вызовов и функций, представленных GPRS.

Информация о местоположении - Иерархия зон обслуживания GSM

• Cell- Сота - это основная зона обслуживания, и одна BTS покрывает одну ячейку. Каждой ячейке присваивается глобальный идентификатор ячейки (CGI) - номер, который однозначно идентифицирует ячейку.

• LA- Группа ячеек формирует зону локации. Это область, которая выгружается, когда абонент получает входящий звонок. Каждой области расположения назначается идентификатор области расположения (LAI). Каждая зона расположения обслуживается одним или несколькими BSC.

• MSC/VLR Service Area - Зона, покрываемая одним MSC, называется зоной обслуживания MSC / VLR.

• PLMN- Зона, покрываемая одним оператором сети, называется PLMN. PLMN может содержать один или несколько MSC.

• GSM Service Area - Область, в которой абонент может получить доступ к сети.

Повышенная скорость передачи данных для глобального развития (EDGE) представляет новую технику модуляции, а также усовершенствования протокола для передачи пакетов по радио.

Использование новой модуляции и усовершенствований протокола приводит к значительному увеличению пропускной способности и пропускной способности, позволяя предоставлять услуги 3G в существующих сетях GSM / GPRS. Никаких изменений в существующей базовой сетевой инфраструктуре для поддержки EDGE не требуется. Это подчеркивает тот факт, что EDGE - это только «надстройка» для BSS.

Для EDGE представлены девять схем модуляции и кодирования (MCS) (от MCS1 до MCS9), оптимизированных для различных радиосредств. Четыре схемы кодирования EDGE используют GMSK, а пять - модуляцию 8 PSK.

Обновление до EDGE

• Mobile Station (MS) - MS должен быть включен EDGE.

• BTS - Поставляемое аппаратное обеспечение поддерживает Edge.

• BSC - Определения временных интервалов EDGE необходимо выполнять в BSC.

• GPRS Support Nodes (GSNs) - Определения для Edge должны быть определены в GSN.

• Databases (HLR, VLR, etc.) - Никакого определения не требуется.

Преимущества EDGE

• Краткосрочные преимущества - емкость и производительность,
• Простая реализация в сети GSM / GPRS,
• Экономически эффективным,
• Увеличивает емкость и втрое увеличивает скорость передачи данных GPRS,
• Включает новые мультимедийные услуги,
• Долгосрочная выгода - Гармонизация с WCDMA.

Что EDGE будет значить для подписчиков

• Потоковые приложения
• Очень высокая скорость загрузки
• Корпоративные подключения к интрасети
• Более быстрое MMS
• Видео-телефон
• Вертикальные корпоративные приложения - видеоконференции, удаленные презентации.

Универсальная система мобильной связи (UMTS) - это система мобильной сотовой связи третьего поколения для сетей, основанных на стандарте GSM. UMTS, разработанный и поддерживаемый 3GPP (Проект партнерства третьего поколения), является составной частью стандартного международного союза для всех телекоммуникационных сетей IMT-2000 и сравнивает его со стандартным набором для сетей CDMA2000 на основе конкурентной технологии cdmaOne. UMTS использует технологию радиодоступа с широкополосным множественным доступом с кодовым разделением каналов (W-CDMA) для обеспечения большей спектральной эффективности и пропускной способности операторов мобильной сети.

Эволюция сети

Обоснованная эволюция

HSUPA - Высокоскоростной пакетный доступ к восходящей линии связи

HSDPA - Высокоскоростной пакетный доступ по нисходящей линии связи

Основная идея 3G - подготовить универсальную инфраструктуру, способную нести существующие и будущие услуги. Инфраструктура должна быть спроектирована таким образом, чтобы изменения и развитие технологий можно было адаптировать к сети, не создавая неопределенности для существующих услуг, использующих существующую структуру сети.

Первый проект партнерства с множественным доступом третьего поколения (3GPP) Сети с широкополосным кодовым разделением (WCDMA) был запущен в 2002 году. В конце 2005 года было открыто 100 сетей WCDMA и в общей сложности более 150 операторов имели лицензии на использование частот WCDMA. В настоящее время сети WCDMA развернуты в диапазоне UMTS около 2 ГГц в Европе и Азии, включая Японию и Америку, Корею. WCDMA развернут в 850 и 1900 существующих частотных диапазонах, и в ближайшем будущем должна появиться новая полоса 3G 1700/2100. 3GPP определила работу WCDMA для нескольких дополнительных диапазонов, которые, как ожидается, будут введены в эксплуатацию в ближайшие годы.

По мере роста проникновения мобильной связи WCDMA это позволяет сетям WCDMA переносить большую долю трафика голоса и данных. Технология WCDMA дает оператору некоторые преимущества, так как позволяет передавать данные, а также улучшает голосовую связь. Предлагаемая голосовая емкость очень высока из-за механизмов управления помехами, включая повторное использование частоты 1, быстрое управление мощностью и мягкую передачу обслуживания.

WCDMA может предложить клиентам намного больше минут голосовой связи. Между тем, WCDMA может также улучшить широкополосное голосовое обслуживание с помощью кодека AMR, который явно обеспечивает лучшее качество голоса, чем фиксированная телефонная связь. Короче говоря, WCDMA может предложить больше минут разговора с лучшим качеством.

Помимо высокой спектральной эффективности, WCDMA третьего поколения (3G) обеспечивает еще более резкое изменение пропускной способности базовой станции и эффективности оборудования. Высокий уровень интеграции в WCDMA достигается за счет широкополосной несущей: несущая поддерживает большое количество пользователей, и требуется меньшее количество несущих радиочастоты (RF) для обеспечения той же емкости.

С меньшим количеством радиочастотных компонентов и большей цифровой обработкой основной полосы частот WCDMA может воспользоваться преимуществами быстрого развития возможностей цифровой обработки сигналов. Уровень интеграции высокой базовой станции позволяет эффективно строить площадки с высокой пропускной способностью, поскольку можно избежать сложности, связанной с RF-сумматорами, дополнительными антеннами или силовыми кабелями. Операторы WCDMA могут предоставлять полезные услуги передачи данных, включая навигацию, видеозвонки между людьми, спортивные состязания и видео, а также новые ролики для мобильного ТВ.

WCDMA обеспечивает одновременную передачу голоса и данных, что позволяет, например, просматривать веб-страницы или электронную почту во время голосовых конференций или обмениваться видео в реальном времени во время голосовых вызовов.

Операторы также предлагают мобильное подключение к Интернету и корпоративной интрасети с максимальной скоростью передачи 384 кбит / с по нисходящему каналу и по восходящему каналу. Первые терминалы и сети были ограничены восходящей линией от 64 до 128 кбит / с, тогда как последние продукты обеспечивают восходящую линию 384 кбит / с.

WCDMA-3G

Услуга беспроводной связи 3G была разработана для обеспечения высокой скорости передачи данных, постоянного доступа к данным и большей пропускной способности голосовой связи. Ниже перечислены несколько примечательных моментов -

• Высокая скорость передачи данных, измеряемая в Мбит / с, обеспечивает возможность полноценного видео, высокоскоростной доступ в Интернет и видеоконференцсвязь.

• Стандарты технологии 3G включают UMTS, основанную на технологии WCDMA (довольно часто эти два термина используются взаимозаменяемо) и CDMA2000, которая является результатом более ранней технологии CDMA 2G.

• Стандарт UMTS обычно предпочитают страны, использующие сеть GSM. CDMA2000 имеет различные типы, включая 1xRTT, 1xEV-DO и 1xEV-DV. Предлагаемые ими скорости передачи данных варьируются от 144 кбит / с до более 2 Мбит / с.

Подсистемы сети 3G

Система GSM в основном разработана как комбинация трех основных подсистем:

• Network Subsystem (NSS)- MSC / VLR, HLR, AuC, SMSC, EIR, MGW. Общее для сетей 2G и 3G.

• UTRAN - RNC & RBS.

• Подсистема поддержки эксплуатации и технического обслуживания (OSS).

Есть три доминирующих интерфейса, а именно:

• IuCS - Между RNC и MSC для передачи речи и данных цепи;

• IuPS - Между RNC и SGSN для пакетных данных;

• Uu interface - Между СРН и МС.

Давайте кратко рассмотрим график стандартизации и развертывания HSPA -

• Высокоскоростной пакетный доступ по нисходящей линии связи (HSDPA) был стандартизирован как часть 3GPP Release 5 с первой версией спецификации в марте 2002 года.

• Высокоскоростной пакетный доступ по восходящей линии связи (HSUPA) был частью 3GPP Release 6 с первой версией спецификации в декабре 2004 года.

• HSDPA и HSUPA вместе называются высокоскоростным пакетным доступом (HSPA).

• Первые коммерческие сети HSDPA были доступны в конце 2005 года, а коммерческие сети HSUPA - в 2007 году.

• Пиковая скорость передачи данных HSDPA, доступная в терминалах, изначально составляет 1,8 Мбит / с и будет увеличиваться до 3,6 и 7,2 Мбит / с в 2006 и 2007 годах, а затем до 10 Мбит / с и более 10 Мбит / с.

• Пиковая скорость передачи данных HSUPA на начальном этапе составляла 1-2 Мбит / с, а на втором этапе - 3–4 Мбит / с.

HSPA развертывается в сети WCDMA на том же носителе или - для решения с высокой пропускной способностью и высокой скоростью - с использованием другого оператора связи, см. Рисунок выше. В обоих случаях WCDMA и HSPA могут совместно использовать все сетевые элементы в базовой сети и радиосети, включая базовые станции, контроллер радиосети (RNC), обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN) и узел поддержки шлюза GPRS (GGSN). WCDMA и HSPA также используют общие антенны базовых станций и антенные кабели.

Обновление WCDMA HSPA требует нового программного обеспечения и потенциально нового оборудования в базовой станции и RNC для поддержки скорости и большей емкости данных. Из-за общей инфраструктуры между WCDMA и HSPA стоимость обновления WCDMA HSPA очень низка по сравнению со строительством новой автономной сети передачи данных.

Из многих, ниже перечислены несколько целей UMTS -

UMTS - радиоинтерфейс и аспекты радиосети

После внедрения UMTS объем глобальной передачи данных мобильными пользователями увеличился. Но для локальной беспроводной передачи, такой как WLAN и DSL, технология развивалась гораздо быстрее. Следовательно, было важно учитывать скорости передачи данных, равные категории широкополосных фиксированных линий связи, когда WIMAX уже поставил высокие цели для скоростей передачи. Было ясно, что новая радиотехнология 3GPP Evolved UTRA (E-UTRA, синоним радиоинтерфейса LTE) должна стать конкурентоспособной во всех отношениях, и для этого были определены следующие целевые скорости передачи:

• Downlink: 100 Мбит / с
• Аплинк: 50 Мбит / с

Приведенные выше числа действительны только для эталонной конфигурации из двух антенн для приема и одной передающей антенны в терминале и в пределах распределения спектра 20 МГц.

UMTS - Все IP Vision

Для системы Evolved 3GPP был изложен очень общий принцип. Следует указать «все IP», что означает, что IP-соединение является базовой услугой, предоставляемой пользователям. Все другие сервисы уровня, такие как голос, видео, обмен сообщениями и т. Д., Построены на этом.

Глядя на стеки протоколов для интерфейсов между сетевыми узлами, становится ясно, что простая модель IP неприменима к мобильной сети. Между ними есть виртуальные уровни, что неприменимо к мобильной сети. Между ними есть виртуальный уровень в виде «туннелей», обеспечивающий три аспекта - мобильность, безопасность и качество обслуживания. В результате протоколы на основе IP появляются как на транспортном уровне (между узлами сети), так и на более высоких уровнях.

UMTS - Требования новой архитектуры

Новая архитектура обеспечивает хорошую масштабируемость отдельно для плоскости пользователя и плоскости управления. Существует потребность в различных типах поддержки мобильности терминалов, а именно: фиксированных, кочевых и мобильных терминалах.

Минимальные накладные расходы на передачу и сигнализацию, особенно в эфире, в режиме ожидания двухрежимной сигнализации UE должны быть минимизированы при возможности многоадресной передачи по радиоканалу. Его необходимо повторно использовать или расширять, поскольку ограничения на роуминг и совместное использование сети, совместимые с традиционными принципами, установленными концепцией роуминга, вполне естественно, максимальная требуемая задержка передачи эквивалентна фиксированной сети, в частности, менее 5 миллисекунд, установленная для плоскости управления. Задержка менее 200 миллисекунд.

Глядя на эволюцию системы 3GPP в целом, она может показаться не менее сложной, чем традиционная система 3GPP, но это связано с огромным увеличением функциональности. Еще одно сильное желание состоит в том, чтобы прийти к плоской структуре, сокращающей капитальные / эксплуатационные расходы для операторов носителей архитектуры 3GPP.

Новые системы 3GPP также должны поддерживать мощные функции управления, как в режиме реального времени (например, VoIP), так и в приложениях и услугах, не работающих в реальном времени. Система должна хорошо работать с услугами VoIP в обоих сценариях. Особое внимание также уделяется бесперебойной работе с устаревшими системами (3GPP и 3GPP2), поддерживает локальный прорыв трафика посещаемой сети голосовой связи.

UMTS - Безопасность и конфиденциальность

Регистр местоположения посетителей (VLR) и SNB используются для отслеживания всех мобильных станций, которые в настоящее время подключены к сети. Каждого подписчика можно идентифицировать по его международному идентификатору мобильного абонента (IMSI). Для защиты от атак профилирования постоянный идентификатор отправляется по радиоинтерфейсу как можно реже. Вместо этого для идентификации абонента, когда это возможно, используются местные идентификаторы. Временная сила мобильного абонента (TMSI). Каждый абонент UMTS имеет выделенную домашнюю сеть, с которой он совместно использует секретный ключ K _{i на} длительный срок.

Регистр домашнего местоположения (HLR) отслеживает текущее местоположение всех абонентов домашней сети. Взаимная аутентификация между мобильной станцией и гостевой сетью выполняется при поддержке текущего GSN (SGSN) и MSC / VLR соответственно. UMTS поддерживает шифрование радиоинтерфейса и защиту целостности сигнальных сообщений.

UMTS разработан для взаимодействия с сетями GSM. Для защиты сетей GSM от атак типа "злоумышленник посередине" 3GPP рассматривает возможность добавления структуры запроса аутентификации RAND.

Абонент UMTS в сети UMTS

И сеть, и мобильная станция поддерживают все механизмы безопасности UMTS. Соглашение об аутентификации и ключах выглядит следующим образом -

• Мобильная станция и базовая станция устанавливают соединение управления радиоресурсами (RRC-соединение). Во время установления соединения мобильная станция передает свои возможности безопасности базовой станции. Функции безопасности включают поддержку целостности UMTS и алгоритмов шифрования, а также, возможно, возможности шифрования GSM.

• Мобильная станция отправляет текущий идентификатор TMSI своего временного идентификатора в сеть.

• Если сеть не может определить TMSI, он просит мобильную станцию ​​отправить свой постоянный идентификатор, а мобильные станции отвечают на запрос с помощью IMSI.

• Посещаемая сеть запрашивает аутентификацию домашней сети данных мобильной станции.

• Домашняя сеть возвращает случайный запрос RAND, соответствующий токен аутентификации AUTN, аутентификацию

• Ответ XRES, ключ целостности IK и ключ шифрования CK.

• Посещенная сеть отправляет вызов аутентификации RAND и маркер аутентификации AUTN на мобильную станцию.

• Мобильная станция проверяет AUTN и вычисляет ответ аутентификации. Если AUTN исправлен.

• Мобильная станция игнорирует сообщение.

• Мобильная станция отправляет свой ответ аутентификации RES в гостевую сеть.

• Посещение сети проверяет, является ли RES = XRES, и решает, какие алгоритмы защиты радиоподсистемы разрешено использовать.

• Посещаемая сеть отправляет разрешенные алгоритмы в подсистему радиосвязи.

• Сеть радиодоступа решает, какие алгоритмы разрешений использовать.

• Сеть радиодоступа информирует мобильную станцию ​​о своем выборе в командном сообщении режима безопасности.

• Сообщение также включает в себя функции сетевой безопасности, полученные от мобильной станции на шаге 1.

• Это сообщение защищено ключом целостности IK.

• Мобильная станция подтверждает защиту целостности и проверяет точность функций безопасности.

Абонент UMTS на базовую станцию ​​GSM

Мобильный блок (абонентский UMTS) поддерживает приложение USIM и SIM. Система базовых станций использует GSM, а технологические компоненты VLR / MSC - это, соответственно, UMTS SGSN. И мобильная станция, и базовая сеть поддерживают все механизмы безопасности UMTS. Однако система базовых станций GSM (BSS) не поддерживает защиту целостности и использует алгоритмы шифрования GSM. Первые восемь шагов протокола аутентификации выполняются как в классическом случае. GSM BSS просто пересылает аутентификационный трафик UMTS.

• MSC / SGSN решает, какие алгоритмы шифрования GSM разрешены, и вычисляет ключ GSM Kc UMTS-ключи IK, CK.

• MSC / SGSN сообщает авторизованным алгоритмам GSM BSS и передает ключ шифрования Kc GSM.

• GSM BSS решает, какие алгоритмы шифрования позволяют использовать возможности шифрования мобильной станции на основе.

• GSM BSS отправляет на станцию ​​команду режима шифрования GSM.

История успеха GSM (2G) исключительна. Для облегчения передачи данных в существующую GSM были сделаны некоторые расширения, но успех был ограниченным. GPRS был введен для мобильных пользователей для пакетных данных, базовая скорость передачи данных теоретически выросла до 172 Кбит / с, но с трудом выделялось максимум 8 логических каналов для пользователя. GPRS имеет концепцию двухэтапного доступа к IP-подключению.

Первый шаг - подключиться и зарегистрироваться в сети. Для этого передача пользовательских данных требует создания среды PDP (Packet Data Protocol). На этом этапе назначен только IP-адрес. GPRS также известен как сеть 2.5G.

Как для GSM / CS (коммутация каналов), так и для GPRS / PS (коммутация пакетов) предпринимались постоянные усилия по оптимизации на основе более высокой эффективности модуляции в рамках EDGE (повышенная скорость передачи данных для развития GSM), но принципиально ничего не изменилось.

Следующее поколение мобильных сетей третьего поколения (UMTS) основано на новой радиотехнологии, известной как WCDMS (широкополосный CDMA), и обеспечивает две вещи:

• Большая пропускная способность за счет нового радиочастотного спектра;
• Более высокие пиковые скорости передачи данных для конечного пользователя.

Сетевая архитектура UMTS была спроектирована так, чтобы CS и PS работали параллельно. Позже был создан совершенно другой уровень обслуживания в виде подсистемы Интернета и мультимедиа (IMS). UMTS был последним улучшенным для более высоких скоростей передачи данных с помощью HSPA и HSPA +. Он был разделен на нисходящую / HSDPA и восходящую / HSUPA. 3GPP Rel 5 стандартизирован для HSDPA, а Rel 6 стандартизирован для HSUPA. HSPA + относится к Rel. 7 стандарта 3GPP.

Непрерывное улучшение было достигнуто уже в рамках устаревшей технологии PS с помощью подхода Direct Tunnel. Однако было ясно, что для достижения этой цели требуются дополнительные изменения в архитектуре. Другой аспект улучшения унаследованной технологии может быть идентифицирован со сверхъестественной эффективностью, эффективным количеством передаваемых битов на единицу радиочастоты и единицу времени. Несмотря на то, что для мобильной связи был предоставлен новый радиочастотный спектр, необходимость снижения затрат и повышения конкурентоспособности требовала дополнительных усилий.

3GPP - это группа стандартизации для мобильных сетей, существующая с 1998 года. Спецификации 3GPP поставляются в пакетах, называемых «Release».

Проект партнерства третьего поколения (3GPP)

Выпуски 3GPP - это от выпуска 99 до выпуска 7.

Выпуск	Опубликовано	Ключевые архитектурные особенности
Выпуск 99	Март 2000 г.	УТРАН, УСИМ
Выпуск 4	Март 2001 г.	MSC разделен на сервер MSC и медиашлюз
Выпуск 5	Март 2002 г.	IMS, HSPDA, UTRAN на базе IP
Выпуск 6	Март 2005 г.	I-WLAN, HSUPA, MBMS, IMS
Выпуск 7	Декабрь 2007 г.	Унифицированный PCC, прямой туннель, MIMO, HSPA +, IMS, VCC

Вкратце сетевые объекты -

UE	Пользовательское оборудование: мобильный терминал
BTS	Базовая приемопередающая станция: базовая радиостанция 2G / 2,5G
BSC	Контроллер базовой станции: управляющий узел в радиосети 2G
NodeB	Базовая радиостанция 3G
Сеть RNC	Контроллер Radio NW: управляющий и концентрирующий узел в радио 3G
(G) Узлы MSC	(Шлюз) Центр коммутации мобильной связи: базовая сеть с коммутацией каналов
Узлы S / GGSN	Узел поддержки GPRS обслуживания / шлюза: базовая сеть с коммутацией пакетов
База HLR / HSS	Home Location Register / Домашний сервер подписки: центральные данные
ПКРФ	Функция правил политики и начисления платы: узел управления для управления политиками и начислением платы

Проект партнерства третьего поколения 2 (3GPP2)

3GPP2 - соответствующая часть рынка 3GPP. Орган по стандартизации 3GPP2 также разработал большой набор спецификаций, описывающих технологию собственных мобильных сетей, текущее поколение обозначено как CDMA2000 ©. 3GPP2 - это концепции и решения 3GPP, но выборочно другой. Что касается LTE, то в последние годы у операторов 3GPP2 наблюдается растущий интерес к обеспечению гибкости и эффективности. Технология наследования 3GPP2 включает в себя компонент, называемый 1xRTT CS и компонент PS (EVDO против eHRPD). 3GPP2 считает свою высокоскоростную сеть пакетной передачи данных (eHRPD) эквивалентом старой системы 3GPP, право на передачу специально оптимизированных процедур.

Архитектура системы 3GPP

Общая архитектура 3GPP, развитая система, а также ядро ​​и сети доступа, уже существующие в 3GPP, называются «устаревшей системой 3GPP».

Сети доступа, которые не определены в 3GPP, но могут использоваться вместе с развитой системой 3GPP, называются «сетями доступа не-3GPP».

Под областью обслуживания следует понимать множество IP-услуг, поэтому в целом они представлены и реализуются сетями пакетной передачи данных (PDN). IP-служба может просто предлагать необработанное IP-соединение (то есть разрешение подключения к Интернету), обеспечивая подключение к корпоративной сети или расширенные функции управления на основе IP, такие как телефония и обмен мгновенными сообщениями через IMS.

Он называется «Evolved UTRAN» (EUTRAN). GERAN и UTRAN - это существующие сети радиодоступа, подключенные к унаследованному домену PS.

Evolved Packet Core (EPC) в дополнение к базовым функциям для управления маршрутизацией и пересылкой пакетов (для транспортировки пользовательских данных) содержит все функции, необходимые для управления, особенно для мобильности, обработки сеансов, безопасности и нагрузки.

Для взаимодействия с унаследованным доменом CS следует также рассмотреть базовую сеть CS и связать ее с серверной IMS. Пунктирная стрелка указывает на необязательное соединение между устаревшими базовыми сетями CS и новой сетью Evolved Packet Core, снижение прибыли для домена CS для голосовых услуг, если это необходимо.

Более общий термин «развитая сеть радиодоступа» (eRAN) также может использоваться как часть протоколов сигнализации, поскольку может использоваться термин «уровень доступа» (AS). Сравнение показывает, что E-UTRAN состоит из одного типа узлов, а именно из усовершенствованного узла B (eNodeB), и разнообразие межсоединений сведено к минимуму. eNodeB - это базовая радиостанция, которая передает / принимает через свою антенну в области (соте), ограниченной физическими факторами (мощностью сигнала, условиями помех и условиями распространения радиоволн). Он имеет логические интерфейсы X2 с соседним eNodeB и EPC через S1. Оба имеют часть управления (например, для сигнализации) и часть плоскости пользователя (для данных полезной нагрузки).

Ссылка на ЕС (которая включает интерфейс радиосвязи и границу стека протоколов мобильной сети) называется «LTE-U u», чтобы указать, что она отличается от унаследованного аналога ЕС X2 по возможности подключения, соседнего с eNodeB. Они могут рассматриваться для большей части E-UTRAN и используются в большинстве случаев передачи обслуживания между ячейками радиосвязи.

По мере перемещения UE подготовка к длительной передаче обслуживания выполняется посредством сигнализации, через X2 между двумя eNodeB данных, и затронутые пользователи могут передаваться между ними в течение короткого периода времени. Только в особых случаях может случиться так, что X2 не настроен для eNodeB между двумя соседями. В этом случае передача всегда поддерживается, но подготовка передачи и передача данных затем выполняется через EPC. Соответственно, должны быть обеспечены более высокая задержка и меньшая «однородность».

Более подробно, eNodeB выполняет следующие функции:

• Управление радиоресурсами: управление однонаправленным радиоканалом, управление доступом к радио, мобильность управления соединением, динамическое выделение ресурсов (т. Е. Планирование) для UES в качестве восходящей и нисходящей линии связи.

• Сжатие заголовка IP и шифрование потока пользовательских данных.

• Пересылка пакетов данных плоскости пользователя в EPC (особенно, в службу узла GW).

• Маркировка пакетов транспортного уровня в восходящей линии связи, например установка кодовой точки DiffServ, на основе индекса класса QoS (QCI) связанного канала-носителя EPS.

• Планирование и доставка пейджинговых сообщений (по запросу MS).

• Планирование и передача широковещательной информации (источник MME или O&M).

• Конфигурация измерений и предоставление отчетов о степени мобильности и программирования.

На ранних этапах разработки архитектуры системы 3GPP были представлены два взгляда на реализацию мобильности с протоколами плоскости пользователя и плоскости управления.

Первый рекламировался как хорошая производительность протокола туннелирования GPRS (GTP), в то время как другой продвигал новые (и так называемые «базовые» IETF) протоколы.

У обоих были веские аргументы на своей стороне -

• GTP evolution- Этот протокол доказал операторам свою полезность и возможности и оказался очень успешным в крупномасштабных операциях. Он был разработан именно для нужд мобильных сетей PS.

• IETF based protocols- IETF - это де-факто орган стандартизации Интернета. Их протоколы мобильности эволюционировали от сосредоточения внимания на сетевом клиенте на основе мобильного IP до «Proxy Mobile IP (MIP)». PMIP был стандартизирован в параллельной системе 3GPP Evolved. (Но клиентская база Mobile IP используется в EPS вместе с поддержкой доступа, отличного от 3GPP.)

EPC для доступа 3GPP без роуминга

Функции, обеспечиваемые эталонными точками и используемыми протоколами:

LTE-Uu

LTE-Uu является точкой отсчета для радиоинтерфейса между EU и eNodeB, охватывает плоскость управления и плоскость пользователя. Верхний уровень плана управления называется «Управление радиоресурсами» (RRC). Он состоит из «протокола конвергенции пакетных данных» (PDCP), управления радиоканалом и уровня MAC.

S1-U

SI-U - это точка для трафика пользовательской плоскости между eNodeB и обслуживающим эталоном GW. Основное действие с помощью этого теста заключается в передаче инкапсулированных IP-пакетов пользователям, возникающих из трафика или формы туннеля. Инкапсуляция необходима для реализации виртуального IP-канала между eNodeB и сервисом GW даже во время движения по ЕС и, таким образом, обеспечения мобильности. Используемый протокол основан на GTP-U.

S1-MME

S1-MME - это точка для плоскости управления между eNodeB и ссылкой MME. На нем выполняются все действия по контролю, например, сигнализация для присоединения, отсоединения и установления поддержки изменения, процедуры безопасности и т. Д. Обратите внимание, что часть этого трафика прозрачна для E-UTRAN и обменивается напрямую между EU и MS это часть, называемая сигнализацией "уровня без доступа" (NAS).

S5

S5 - это эталонный тест, который включает плоскость управления и пользователя между GW и PDN GW Service и применяется только в том случае, если оба узла находятся в HPLMN; соответствующая контрольная точка при обслуживании GW - VPLMN называется S8. Как объяснялось выше, здесь возможны два варианта протокола: усовершенствованный протокол туннелирования GPRS (GTP) и Proxy Mobile IP (PMIP).

S6a

S6a является точкой отсчета для обмена информацией, касающейся оборудования подписки (загрузка и очистка). Он соответствует контрольной точке Gr и D в существующей системе и основан на протоколе DIAMETER.

SGi

Это точка выхода для DPR, которая соответствует эталонной точке Gi GPRS и Wi в I-WLAN. Протоколы IETF здесь основаны на протоколах плоскости пользователя (т.е. пересылки пакетов IPv4 и IPv6) и плоскости управления, поскольку используются DHCP и радиус / диаметр для настройки IP-адреса / внешнего сетевого протокола.

S10

S10 является контрольной точкой для целей перемещения MME. Это чистый интерфейс плоскости управления, и для этой цели используется расширенный протокол GTP-C.

S11

S11 является точкой отсчета для существующей плоскости управления между MME и обслуживания GW. Он использует расширенный протокол GTP-C (GTP-C v2). Держатель (и) данных между eNodeB и обслуживающим GW управляется конкатенацией S1-S11 и MME.

S13

S13 является эталонной точкой для регистра идентификации оборудования (EIR) и MME, и он используется для управления идентификацией (например, на основе IMEI, если он внесен в черный список). Он использует протокол диаметра SCTP.

Gx

Gx является эталонной точкой политики фильтрации политики QoS и управляет нагрузкой между PCRF и PDN GW. Он используется для предоставления фильтров и правил ценообразования. Используемый протокол - ДИАМЕТР.

Gxc

Gxc - это опорная точка, которая существует в Gx, но расположена между GW и PCRF и обслуживает, только если PMIP используется на S5 или S8.

Rx

Rx определяется как функция приложения (AF), расположенная в NDS и PCRF для обмена информацией о политике и биллинге; он использует протокол DIAMETER.

EPC для доступа 3GPP в роуминге

В этом случае в роуминге самолет пользователя -

Расширяется до HPLMN (через сеть межсоединений), что означает, что весь пользовательский трафик ЕС маршрутизируется через PDN GW в HPLMN, к которому подключены DPR; или же

Ради более оптимального пути трафика он оставляет PDN GW в VPLMN на локальную PDN.

Первый называется «домашним маршрутизированным трафиком», а второй - «локальным прорывом». (Обратите внимание, что второй термин также используется при обсуждении оптимизации трафика для домашних NB / eNodeB, но с другим значением, потому что в концепции роуминга 3GPP план управления всегда включает HPLMN).

Взаимодействие между EPC и Legacy

С самого начала было ясно, что система 3GPP Evolved будет без проблем взаимодействовать с существующими системами 2G и 3G, широко развернутым 3GPP PS или, точнее, с базой GERAN и UTRAN GPRS (для аспектов взаимодействия со старой системой CS для лечения оптимизированного голоса).

Вопрос о базовом архитектурном проектировании для 2G / 3G в EPS - это расположение карты GGSN. Доступны две версии, и обе поддерживаются -

• The GW used - Это нормальный случай, когда обслуживание GW завершает плоскость пользователя (как видно в существующей сети GPRS).

  План управления завершается в MME в соответствии с распределением пользователей и уровнем управления в EPC. Введены эталонные точки S3 и S4, которые основаны на GTP-U и GTP-C соответственно. S5 / S8 связан с PDN GW. Преимущество в том, что совместимость является плавной и оптимизированной. Обратной стороной является то, что для такой совместимости SGSN должен быть обновлен до Rel. 8 (в связи с необходимостью поддержки новых функций на S3 и S4).

• The PDN GW- В этом случае неизменное наследование эталонного теста Gn (при роуминге это будет Gp) повторно используется между SGSN и PDN GW как для плоскости управления, так и для плоскости пользователя. Преимущество такого использования в том, что SGSN может быть pre-Rel. 8. Кроме того, он имеет определенные ограничения на версии IP, передачу и протокол S5 / S8.

Взаимодействие с устаревшей системой 3GPP CS

На этапе проектирования 3GPP Evolved стало ясно, что существующая система CS с ее наиболее важной служебной «голосовой» связью не может игнорироваться новой системой. Операторы просто слишком много вкладывали в эту область, и поэтому требовалось очень эффективное взаимодействие.

Были разработаны два решения -

• Single Radio Voice Call Continuity (SRVCC) для передачи голосовых вызовов из LTE (с передачей голоса по IMS) в устаревшую систему.

• Откат CS - включение временного перехода на устаревшую CS перед выполнением входящих или исходящих действий CS.

Непрерывность голосовых вызовов по единой радиосвязи (SRVCC)

В этом решении, выбранном 3GPP для SRVCC с GERAN / UTRAN, специально усиленный MSC подключается через новую плоскость управления интерфейсом для MME.

Обратите внимание, что MSC, обслуживающий ЕС, может отличаться от поддерживающего интерфейс Sv. В IMS необходим сервер приложений (AS) для SRVCC. Sv основан на GTPv2 и помогает подготовить ресурсы в целевой системе (доступ и базовая сеть, а также соединение между CS и доменом IMS) при подключении для доступа к источнику.

Точно так же с CDMA SRVCC для 1xRTT требуется взаимодействующий сервер 1xRTT (IWS), который поддерживает интерфейс и ретрансляцию сигналов от / до MSC 1xRTT, обслуживающего UE S102 с той же целью. S102 является туннельным интерфейсом и передает сообщения сигнализации 1xRTT; между MME и UE они инкапсулируются.

Резервное копирование CS

Обслуживающий GW и PDN GW не разделены (S5 / S8 не отображается), и VLR интегрирован с сервером MSC. Введен новый интерфейс SG между сервером MSC / VLR и MME, что позволяет использовать комбинированные и скоординированные процедуры. Концепция состоит из -

• Ретрансляция сигнала для завершения запроса CS (входящие вызовы, обработка дополнительных услуг, инициированных сетью или устаревших SMS) от сервера MSC для MS на SG и наоборот;

• Комбинированные рабочие процедуры между доменом PS и доменом CS.

Взаимодействие с доступом не-3GPP

Взаимодействие с различными системами сетей доступа 3GPP (называемых не-3GPP / доступом) было важной целью для SAE; это должно быть сделано под эгидой EPC. Эта совместимость может быть достигнута на разных уровнях (и фактически это было сделано на уровне 4 с помощью VCC / SRVCC). Но для универсального типа взаимодействия казалось необходимым полагаться на общие механизмы, поэтому уровень IP казался наиболее подходящим.

Как правило, полные системы для мобильных и фиксированных сетей имеют архитектуру, аналогичную описанной выше. Для развитой системы 3GPP обычно есть сеть доступа и базовая сеть. В запланированной развитой системе 3GPP с архитектурой взаимодействия другие системы технологий доступа подключаются к EPC.

В целом, полная система мобильной сети и фиксированная сеть имеют архитектуру, аналогичную описанной в Evolved 3GPP system, и обычно состоят из сети доступа и базовой сети.

Также было решено разрешить два разных типа взаимодействия, в зависимости от свойств систем доступа. Для сетей с доверительным доступом, отличным от 3GPP, предполагается, что между ними и EPC реализована безопасная связь, а также достаточно гарантирована надежная защита данных.

Создание протокола туннелирования GPRS (GTP) было практически невозможно, но также нежелательно давать его для новой системы, но, с другой стороны, вполне понятно, что улучшения также необходимы для того, чтобы иметь возможность взаимодействовать с миром устаревшего PS и функциями поддержки, необходимыми для новейшей системы.

Протокол туннелирования GPRS (GTP)

Протокол GTP предназначен для туннелирования и инкапсуляции блоков данных и управляющих сообщений в GPRS. С момента его разработки в конце 1990-х годов он был развернут в широком масштабе, и был накоплен солидный опыт.

GTP для системы Evolved 3GPP доступен в двух вариантах: для управления и для пользователя. GTP-C управляет сигнализацией уровня управления, и это необходимо в дополнение к протоколу передачи данных о чистоте пользователя, GTP-U; это называется плоскостью пользователя. Текущие версии, подходящие для EPS: GTPv1 US и GTPv2-C.

Особенность GTP заключается в том, что он поддерживает разделение трафика внутри своего основного держателя туннеля GTP или, другими словами, возможность группировать их вместе и обрабатывать несущих. Концы туннелей GTP идентифицируются с помощью TEID (идентификаторы конечных точек туннеля); они назначаются на локальный уровень для восходящей и нисходящей линии связи одноранговыми объектами и передаются между ними поперечно. TEID используются с разной степенью детализации на конкретном примере подключения PDN на S5 и S8 и EU на интерфейсах S3 / S4 / S10 / S11.

Плоскость управления протоколом туннелирования GPRS

GTPv2-C используется на интерфейсах сигнализации EPC (включая SGSN как минимум версии 8). Например -

• S3 (между SGSN и MME),
• S4 (между SGSN и обслуживающим GW),
• S5 и S8 (между обслуживающим GW и PDN GW),
• S10 (между двумя MME) и
• S11 (между MME и обслуживающим GW).

В соответствии с этим типичным блоком данных протокола GTPv2-C, как показано на рисунке выше, конкретной части GTP предшествуют заголовки IP и UDP, она состоит из заголовка GTPv2-C и части, содержащей информацию о переменной GTPv2-C в количестве, длина и формат в зависимости от типа сообщения. Так как эхо и уведомление о версии протокола не поддерживаются, информация TEID отсутствует. Очевидно, что в этой версии протокола установлен номер версии 2.

У GTP был сложный устаревший механизм заголовка расширения; он не используется в большинстве GTPv2-C. Тип сообщения определяется во втором байте (поэтому для будущих расширений можно определить максимум 256 сообщений). В таблице ниже представлен обзор сообщений, определенных в настоящее время GTPv2-C. Длина сообщения кодируется в байтах 3 и 4 (измеряется в байтах и ​​не содержит самих первых четырех байтов).

TEID - это идентификатор конечной точки туннеля, единственное значение на противоположной / принимающей стороне; он позволяет мультиплексировать и демультиплексировать туннели на одном конце в очень частых случаях, когда необходимо различать туннель GTP.

Тип сообщения	Сообщение	Дополнительное объяснение
0	Зарезервированный	Никогда не будет использоваться (намеренно исключен из протокола, чтобы обеспечить явную настройку)
1/2	Эхо-запрос / ответ	Используется для проверки, поддерживается ли версия GTP отправляющим узлом.
3	Версия не поддерживается Индикация	Содержит последнюю версию GTP, поддерживаемую отправляющим узлом.
4/5	Прямой запрос / ответ на перевод	Используется для туннелирования сигнального сообщения на интерфейсе S101 для оптимизации передачи обслуживания между доступом HRPD not и MME
6/7	Запрос / ответ на уведомление	Используется для уведомления о туннелировании на S101 между узлом доступа HRPD и MME
25/26	SRVCC PS в запрос CS	Используется для запуска и подтверждения инициации SRVCC между SGSN / MME и сервером MSC
27/28	SRVCC PS to CS полное уведомление	Используется для индикации и подтверждения завершения SRVCC между сервером MSC и SGSN / MME
32/33	Создать запрос сеанса	Используется для установления связи между двумя узлами
34/35	Изменить запрос на передачу	Используется для изменения свойств одного или нескольких каналов-носителей, включая контекстную информацию канала-носителя.
36/37	Удалить запрос сеанса	Срывает сеанс управления GTP
38/39	Запрос на уведомление об изменении	Используется для сообщения информации о местоположении
66/67	Удалить индикацию команды / ошибки переноса	Дать указание узлам удалить носитель и подтвердить ответ
68/69	Индикация команды / отказа ресурса носителя	Используется для распределения или изменения ресурсов
73	Индикация остановки пейджинга	Отправлено из SGW в MME или SGSN
95/96	Создать запрос / ответ на предъявителя	Поручить узлам установить носители и подтвердить обратно
97/98	Обновить запрос на предъявителя	Используется для информирования узлов плоскости управления от плоскости пользователя об изменениях канала-носителя

Улучшенный GTPv1-U

В GTP-U было внесено лишь небольшое, но эффективное улучшение, и для этого не было сочтено необходимым увеличивать количество версий протокола. Таким образом, мы по-прежнему ожидаем GTPv1-U, но, по крайней мере, это последняя версия Rel. 8.

Стек протоколов по существу такой же, как и для GTPv2-C, только названия уровней и протоколы заменены соответствующим образом. Механизм заголовка расширения остается на месте; позволяет при необходимости вставить два элемента.

• Порт источника UDP инициирующего сообщения (два октета);

• Номер PDU PDCP - относится к передаче характеристики без потерь; в этом случае пакеты данных должны быть пронумерованы в EPC (два октета).

Улучшение заключается в возможности передавать "конечный рынок" в плоскости пользователя. Он используется в процедуре хэндовера между eNodeB и указывает, что путь активируется сразу после пакета данных, например, эта функция не требуется до версии 8, поскольку GTP-U не завершился радиодоступом. node (т.е. не в BS или NodeB) существует только несколько сообщений. GTPv1-U, и они перечислены в таблице выше.

Ясно, что на самом деле через GTPv1-U возможна очень ограниченная передача сигналов (механизмы эха и маркировка концов). Единственное сообщение о том, что передача реальных данных пользователя относится к типу 255, так называемое сообщение G-PDU; единственная часть информации, которую он несет после заголовка, - это исходный пакет данных от пользователя или внешнего оборудования PDN.

Не все экземпляры туннелей GTP-U перечислены в эталонной архитектуре (целью которой было зафиксировать связи, которые больше не существовали между сетевыми узлами); возможны временные туннели -

• Между двумя обслуживающими GW, применимыми для передачи на основе S1, в случае, если услуга перемещается GW;

• Между двумя SGSN, соответствует предыдущему случаю, но в унаследованной сети PS;

• Между двумя RNC, применимыми для перемещения RNC в сети 3G PS (никакого отношения к EPC, здесь он упоминается только для полноты).

Это протокол управления мобильностью, стандартизированный инженерной группой Интернета (IETF), которая занимается разработкой стандартов Интернет-протокола.

Возможность двойного стека

Возможность двойного стека для PMIPv6 имеет две цели:

• Для поддержки домашних адресов IPv4

• Чтобы разрешить передачу только IPv4 по сети доступа; в этом случае MAG может также использовать частный адрес IPv4, и NAT может быть развернут на пути к LMA.

Эти две функции можно использовать независимо. Чтобы удовлетворить эти требования, были сделаны следующие расширения:

In the Binding Cache of LMA -

• IPv4-адрес, назначенный мобильному узлу и теперь зарегистрированный на шлюзе мобильного доступа (включая соответствующую маску подсети). Он поступает либо из статической конфигурации / профиля, либо динамически выделяется LMA.

• IPv4-адрес маршрутизатора по умолчанию, назначенный мобильному узлу.

In the Binding Update list of MAG -

• Домашний IPv4-адрес, назначенный мобильному подключенному интерфейсу.

• Маршрутизатор IPv4 по умолчанию мобильного узла. LMA и MAG должны реализовывать IPv6, и им также нужен адрес IPv4. MAG - это маршрутизатор IPv4 по умолчанию для UE на его канале доступа.

Сигнализация PMIPv6

В таблице ниже представлен обзор сообщений сигнализации PMIPv6 (базовый PMIPv6 и определенные улучшения в IETF для подключения увольнения и способа управления). Базовая сигнализация PMIPv6 выполняется с помощью MAG «обновления привязки» (BU) к LMA, а соответствующие сообщения «привязка подтверждения обновления» (BUA) обратно в MAG используются для регистрации, обновления и удаления привязки. Информация об IP-адресе (префикс адреса IPv4 или IPv6) обычно запрашивается LMA и MAG, назначенными при начальной регистрации.

Сигнальное сообщение PMIPv6		Направление	Описание
Обновление привязки	ПБУ	МАГ → LMA	Запрашивает создание, расширение и удаление привязки мобильности. Он также используется для запроса нового адреса IPv4.
Подтверждение обновления привязки	PBA	LMA → МАГ	Подтверждает запросы на создание, расширение и удаление привязки мобильности. Он также используется для выделения и IPv4-адреса.
Индикация аннулирования привязки	BRI	ЛАМ → МАГ	Уведомление о том, что привязка отозвана и, следовательно, будет удалена LAM, позволяет также массовый отзыв.
Подтверждение аннулирования привязки	БЮСТГАЛЬТЕР	МАГ → LMA	Подтверждает обязательный отзыв.
Сердцебиение	HB	МАГ → LMA LMA → МАГ	Периодическое сигнальное сообщение, используемое для обнаружения отказа.

В PMIPv6 добавлены специальные информационные элементы 3GPP

PMIPv6 разработан для очень общего использования; У 3GPP есть некоторые особые требования, вытекающие из необходимости сделать его максимально совместимым с пропускными способностями GTP.

Информация о продавце	Направление	Объяснение
Параметры конфигурации протокола	МАГ → LMA LMA → МАГ	Зеркально отражается от GTP, используется для передачи часто необходимых данных, связанных с протоколом, между UE и сетью.
Конкретный код ошибки, связанный с 3GPP	LMA → МАГ	Это может указывать на то, что доступ к APN отсутствует.
Идентификатор набора подключений (CSI)	LMA → МАГ МАГ → LMA	Содержит одну или несколько CSI. Он генерируется для каждого нового соединения PDN и используется в случае частичного отказа узла для идентификации PDN.
Индикация типа PDN	LMA → МАГ	Используется для обозначения решения PDN GW.
IP-адрес PDN GW	МАГ → LMA	Используется в случае соединения на S2a / S2b для передачи к промежуточному LMA.
Индикация назначения адреса DHCPv4	LMA → МАГ	Указывает, что IP при распределении через DHCPv4 должен использоваться UE.

Это общая структура, разработанная IETF (RFC 3748). Базовый механизм сигнализации поддерживает различные методы аутентификации сверху.

Конкретное использование EAP для взаимодействия с системой 3GPP определяется методом EAP-AKA. EAP-AKA уже используется в I-WLAN.

Основные шаги для аутентификации EAP приведены ниже -

• Аутентификатор EAP отправляет запрос аутентификации на целевое устройство / EU (L2); он получает ответ от целевого устройства / EU и передает его в инфраструктуру AAA.

• Сервер AAA выполняет метод EAP, что приводит к вызову целевого устройства, который отправляется аутентификатором.

• Целевое устройство должно соответствовать задаче; ответ передается на сервер AAA через аутентификатор.

• Сервер AAA сравнивает ответ на запрос с ожидаемым и принимает решение об успешной аутентификации. Индикация успеха или неудачи возвращается на целевое устройство.

По желанию уведомления можно использовать для передачи дополнительной информации; это используется для индикации выбора режима мобильности IP. Во время проектирования было принято серьезное решение о разделении областей безопасности сетей доступа не-3GPP в области безопасности 3GPP, а также в другой домен.

Практическое следствие состоит в том, что идентификатор сети доступа, отличной от 3GPP, входит в алгоритм безопасности, что требует указания варианта EAP-AKA, EAP-AKA (премиум).

Internet Key Exchange - это сложная версия 2, определенная IETF в RFC 4306. Она позволяет создавать и поддерживать ассоциации безопасности и туннели IPSec между двумя узлами и обмениваться некоторыми данными конфигурации; они передаются в так называемые диалоги конфигурации полезной нагрузки в сообщении.

Комплексный сеанс IKEv2 состоит из нескольких диалогов, структурированных фаз. Поток сообщений и типовая база приведены на рисунке ниже, а также описание того, как это применяется в контексте сигнализации между ЕС и ePDG.

IKEv2Phase	Комментарии
Первоначальный обмен	Уведомляет полезную нагрузку как индикацию поддержки MOBIKE. IP-адрес, который будет запрошен / доставлен в полезных данных конфигурации. Адрес домашнего агента, который будет запрошен / предоставлен в полезных данных конфигурации.
Auth Exchange
Создать дочернюю SA	Для создания защищенного туннеля для сигнализации DSM IPv6
Икс. Обмен информацией	В любой момент после AUTH.

В системе Evolved 3GPP IKEv2 используется для:

• Информация об IP-адресе: адрес IPv4 или префикс IPv6.
• Информация о выборе режима IP-мобильности.
• Информация об IP-адресе: префикс IPv6.
• Адрес DNS-сервера.

Диаметр

Диаметр - это общий протокол AAA с дополнительными функциями для доступа к сети, мобильности и обработки QoS. Хотя в принципе это одноранговая сеть общего характера, она используется в архитектуре 3GPP в режиме клиент-сервер. Он имеет встроенную расширяемость и поэтому идеально поддерживает структуры сообщений на интерфейсах с необходимостью некоторой гибкости. Кроме того, он поддерживает несколько конфигураций серверов с обработкой сбоев и аварийного переключения. Функционально он имеет сходство со своим предшественником radius, но существенно отличается по уровню сообщений и параметров. DIAMETER предлагает возможность обнаружения мертвого однорангового узла по парам контрольных сообщений. Он может работать через SCTP или TCP и использует порт 3868.

Протокол DIAMETER широко используется в EPC -

• S6a для загрузки по подписке и обновления между MME и HSS.

• S6d (между модернизированным SGSN и HSS), который является аналогом S6a для устаревшего мира с возможностью взаимодействия с новой системой.

• S13 для проверки оборудования между MME и EIR.

• SWa для аутентификации между ненадежным доступом без поддержки 3GPP и сервером AAA.

• STa для аутентификации между доверенным доступом не-3GPP и сервером AAA и авторизацией.

• SWd для пересылки между прокси-сервером AAA и сервером AAA (пересылка между VPLMN и HPLMN).

• S6b для авторизации APN и мобильности между PDN GW и сервером AAA.

• SWm для аутентификации и авторизации между ePDG и AAA-сервером.

• SWx для обмена вектором аутентификации и регистрационной информацией между сервером AAA и HSS.

• Gx для обработки сеанса IP-CAN и управления сеансом GW-Control между PDN GW и PCRF.

Протокол передачи управления потоком (SCTP) - это надежный транспортный протокол, который работает поверх службы передачи пакетов без потенциально ненадежного соединения, такого как IP. Он был разработан специально для приложений и сигнальных предложений, распознаваемых без дублированных дейтаграмм (сообщений) об ошибках передачи. Обнаружение повреждения данных, потери данных и дублирования данных выполняется с использованием контрольных сумм и порядковых номеров.

Механизм выборочной повторной передачи применяется для исправления потери или повреждения данных. Решающее различие - это множественная адресация TCP и концепция нескольких потоков в соединении. Если поток TCP называется последовательностью байтов, поток SCTP представляет собой последовательность сообщений. SCTP пытается объединить преимущества UDP и TCP, но избегает их недостатков; он определен в IETF RFC 4960.

SCTP используется на нескольких интерфейсах внутренней плоскости управления сети, с этими приложениями SCTP:

• S1-MME: между eNodeB и MME
• SBc: между MME и SBc.
• S6a: между MME и HSS
• S6d: между SGSN и HSS
• SG: между MSC / VLR и MME
• S13: между MME и EIR

Протокол приложения S1

Существуют две категории процедур в S1-MME: ассоциированное UE и несвязанное UE. Кроме того, определены два класса сообщений: Class1 соответствует классу 2. Сообщения инициатора / ответа класса 1 и связанных процедур перечислены в таблице ниже; процедуры для имен сообщений класса 2 в значительной степени идентичны именам процедур, и в таблице ниже (вторая таблица) перечислены только они.

Элементарная процедура	Исходное сообщение	Ответ (в случае успеха)
Подготовка к передаче	Требуется передача	Команда передачи
Распределение ручных ресурсов	Треб. Передачи	Требуется переключение пути. ак.
Запрос на патч-переключение	Требуется переключение пути.	Подтверждение переключателя пути.
Отмена передачи	Отмена передачи	Подтверждение отмены передачи.
Настройка E-RAB	Настройка E-RAB Треб.	Настройка E-RAB Отв.
E-RAB изменить	E-RAB изменить треб.	E-RAB модифицировать Resp.
Релиз E-RAB	Выпуск команды E-RAB	Команда E-RAB Респ.
Начальная настройка контекста	Требуется начальная настройка контекста.	Начальная настройка контекста Отв.
Сброс	Сброс	Сбросить подтверждение.
Настройка S1	Требуется настройка S1.	Настройка S1 Отв.
Выпуск контекста UE	Команда освобождения контекста UE	Выпуск контекста UE завершен
Модификация контекста UE	Требуется модификация контекста UE.	Модификация контекста UE, соотв.
Конфигурация eNodeB	Обновление конфигурации ENB	Подтверждение обновления конфигурации ENB.
Конфигурация MME	Обновление конфигурации MME	Подтверждено обновление конфигурации MME.
Запись - Заменить предупреждение	Требуется предупреждение о замене записи.	Предупреждение о замене записи или

Элементарная процедура

• Уведомление о передаче
• Индикация выпуска E-RAB
• Paging
• Первоначальное сообщение UE
• Нисходящий транспортный NAS
• Восходящий транспортный NAS
• Индикация отсутствия доставки NAS
• Деактивировать трассировку
• Начало трассировки
• Индикация сбоя трассировки
• Индикация сбоя в сообщении о местоположении
• Управление отчетами о местоположении
• Отчет о местоположении
• Отслеживание сотового трафика
• Индикация ошибки
• Запрос на освобождение контекста UE
• Нисходящий канал S1 CDMA2000 туннелирование
• восходящий канал S1 CDMA2000 туннелирование
• Индикация информации о возможностях UE
• передача статуса eNodeB
• Передача статуса MME
• Начало перегрузки
• Остановка при перегрузке
• eNodeB прямая передача информации
• MME прямая передача информации
• Передача конфигурации eNodeB
• Конфигурация MME

X2 Application Protocol

Протокол приложения X2 имеет много общего с S1-AP; одинаковая категоризация в сообщениях класса 1 и класса 2. Сообщение настройки намного меньше, что соответствует специализированной функции X2.

Процедура	Исходное сообщение	Класс	Ответ (в случае успеха)
Подготовка к передаче	Треб. Передачи	1	Треб. Передачи ак.
Сброс	Сбросить	1	Сброс соотв.
Настройка X2	Настройка X2	1	Настройка X2 соотв.
Обновление конфигурации eNodeB	Обновление конфигурации ENB	1	Подтверждение обновления конфигурации ENB.
Инициирование отчета о статусе ресурса	Требуется статус ресурса.	1	Статус ресурса соотв.
Индикация нагрузки	Информация о загрузке	2
Отмена передачи	Отмена передачи	2
Передача статуса SN	Передача статуса SN	2
Выпуск контекста UE	Выпуск контекста UE	2
Статус ресурса	Статус ресурса	2
Составление отчетов	Обновить
Индикация ошибки	Индикация ошибки	2

Протокол сигнализации NAS действительно является протоколом 3GPP и разработан только для 3GPP, следовательно, этот протокол можно найти только в системах 3GPP.

• UE для управления мобильностью и сеансом.
• MME для EPC и традиционных сетевых узлов (SGSN для GPRS и MSC для домена CS).
• Обмен сообщениями.

Протокол сигнализации NAS для управления мобильностью EPS

Процедуры управления мобильностью EPS сигнализации NAS перечислены в таблице ниже. «X» в столбце «C» указывает, соответствует ли вариант комбинации со стеком протоколов сигнализации CS NAS (случай для конфигурации с разрешенным CSFB в рамках предполагаемого объединения).

Были представлены только случаи успеха (если ошибка произошла с использованием соответствующих сообщений об отказе, в основном через сеть); объяснение не включает все возможные случаи. Сообщения диалогов обычно хранятся таймерами на случай потери сообщений; например, таймер T3410 используется для наблюдения за процедурой, и подключение истекает через 15 секунд. Поэтому, если от сети нет ответа (принятие или отклонение), запускается процедура повторной попытки. Счетчики используются для ограничения повторных попыток. Сеть управления мобильностью EPS управляет семью таймерами и таймерами UE 14.

Процедура	Сообщения	Объяснение
Перераспределение GUTI	Команда перераспределения GUTI ←	Используется для присвоения UE временного идентификатора.
	Перераспределение GUTI завершено →
Аутентификация	Требуется аутентификация. ←	Используется для аутентификации UE.
	Аутентификация соотв. →
Контроль режима безопасности	Команда режима безопасности ←	Используется для согласования между UE и MME.
	Команда режима безопасности →
Идентификация	Требуется идентификация. ←	Используется для определения идентичности UE.
	Идентичность соотв. →
Информация о EMM	Информация о EMM ←	Используется для передачи информации поддержки в UE.
Статус EMM	Статус EMM ← или →	Используется для отчетов об ошибках.
Прикреплять	Прикрепите req. ←	Используется для регистрации UE в сети и распределения ресурсов.
	Присоединить принять ←
	Прикрепить завершено →
Отсоединить	Отсоединить треб. →	Используется для удаления регистрации UE в сети.
	Отсоединить принять ← или →
Обновление зоны отслеживания	Требуется обновление области отслеживания. →	Используется для мобильности в режиме ожидания.
	Принять обновление зоны отслеживания ←
Запрос на обслуживание	Треб. Обслуживания →	Используется, когда UE находится в режиме ожидания.
Пейджинг	Запрос на нижний уровень для пейджинга	Используется, когда UE находится в режиме ожидания и поступает трафик нисходящей линии связи.
	Треб. Обслуживания
Транспорт сообщения NAS	UL / DL NAS транспорт ← / →	Используется для передачи SMS в инкапсулированном виде.

Протокол сигнализации NAS для управления сеансом EPS

Второй блок сигнальных функций NAS связан с обработкой сеанса. Четыре внутренних сети и четыре UE инициировали процедуры, существующие в ESM. В следующей таблице перечислены сообщения с соответствующими потоками для успеха (опять же, отрицательные случаи создаются с использованием соответствующих сообщений об отклонении). Некоторые из них привиты к сообщениям EMM NAS, где предоставляется контейнер (например, соединение REQUEST PDN упаковано в сообщение запроса на прикрепление). Также были определены два простых сообщения для обмена общей информацией.

Процедура	Сообщения	Объяснение
Активация контекста носителя EPS по умолчанию	Активировать требование контекста носителя EPS по умолчанию. ←	Устанавливает контекст канала-носителя EPS по умолчанию между UE и EPC.
	Активировать требование контекста носителя EPS по умолчанию. →
Активация выделенного контекста носителя EPS	требование контекста носителя ←	контекст с QoS и TFT между UE и EPC.
	Активируйте требование выделенного контекста носителя EPS →
Изменение контекста носителя EPS	Требуется изменение контекста носителя EPS. ←	Изменяет существующий контекст канала-носителя EPS для QoS и TFT между UE и EPC.
	Принятие контекста носителя EPS модификации. ←
Деактивация контекста носителя EPS	Деактивация Треб. Контекста носителя EPS. ←	Деактивировать контекст носителя EPS.
	Деактивация принятия контекста носителя EPS. ←
UE запросило подключение к PDN	Требуется подключение к PDN. →	Запрашивает настройку канала-носителя по умолчанию для PDN.
	Принять подключение к PDN ←
UE запросило отключение PDN	Требуется отключение PDN. →	Отключите UE от одного PDN.
	Деактивация Треб. Контекста носителя EPS. ←
UE запросило выделение ресурсов канала-носителя	Распределение ресурсов носителя. →	Используется для запроса ресурсов-носителей.
	Измените требование контекста носителя EPS. ←
UE запросило изменение ресурса носителя	Требуется изменение ресурса носителя. →	Используется для модификации.
	Измените требование контекста носителя EPS. ←
Запрос информации о ESM	Запрос информации ESM ←	Используется для запроса опции конфигурации протокола.
	Информационный ответ ESM →
Статус ESM	Статус ESM ← или →	Сообщает другому узлу сигнализации NAS об ошибках.