Концепция построения систем связи третьего поколения

Концепция создания систем связи третьего поколения IMT-2000 (In­ternational Mobile Telecommunications) разработана в 1990-х годах в рамках Международного союза электросвязи (ITU) при тесном взаимо­действии с региональными органами стандартизации, в частности, Ев­ропейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI), партнерскими объединениями 3GPP и 3GPP2, национальными ассоциациями и исследовательскими центрами. Основу концепции составляет семейство радиоинтерфейсов (рисунок 6.1), определяющих главную отличительную особенность систем 3G от ныне существующих систем сотовой связи. Поэтому рассмот­рим более подробно некоторые особенности отдельных радиоинтер­фейсов, прежде всего, методы многостанционного доступа к ресурсам сети и расширения спектра радиосигнала.

Рисунок 6.1 - Семейство радиоинтерфейсов наземного сегмента IMT-2000

В данном семействе использованы следующие обозначения радиоинтерфейсов:

- IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) – стандарт на широкополосную систему с прямым расширением спектра (DS-CDMA) и частотным дуплексным разносом (FDD) для применения в парных полосах частот;

- IMT-МС (IMT-2000 Multi Carrier) - стандарт на многочастотную систему CDMA с одновременной передачей нескольких несущих и частотным дуплексным разносом дя применения в парных полосах частот;

- IMT-ТС (IMT-2000 Time Code) – стандарт на комбинированную систему ТDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (ТDD) для применения в непарных полосах частот;

- IMT-SС (IMT-2000 Single Carrier) – стандарт на одночастотную систему ТDMA для применения в парных полосах частот;

- IMT-FТ (IMT-2000 Frequency Time ) – стандарт на микросотовую систему DECT с комбинированным частотно-временным дуплексным разносом для применения как в парных, так и непарных полосах частот.

В Европе принят проект системы IMT-2000, названный UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), в его состав включены два радиоин­терфейса IMT-DS и IMT-TC с частотным (FDD) и временным (TDD) дуп­лексом соответственно (рисунок 6.2).

Сеть радиодоступа Базовая сеть (СТ) (UTRAN) Node B Телефонная Сеть Коммутация каналов (CS) RNC Коммутация пакетов (PS) Сети передачи Node B SGSN GGSN Данных/Интернет

Рисунок 6.2 - Упрощенная структура сети UMTS

Радиоинтерфейс IMT-MC использован в амери­канском проекте системы IMT-2000, получившем название cdma - 2000. За счет прямого расширения спектра радиосигнала в UMTS шири­на его составляет 5 МГц (WCDMA - широкополосный CDMA). В мно­гочастотном cdma - 2000 x сигналы с шириной спектра 1,25 МГц могут передаваться на нескольких несущих. Число несущих может быть х= 1, 3, 6, 9 и 12.

По своим функциям элементы сети UMTS подразделяются на сеть ра­диодоступа (UTRAN), базовую сеть (CТ), которая обеспечивает ком­мутацию и маршрутизацию вызовов, и каналы передачи речевой ин­формации и данных (внешняя сеть).

UTRAN состоит из двух элементов:

- Node В (базовая станция) - преобразует поток данных для их пе­редачи и участвует в управлении ресурсами радиосети;

- RNC (контроллер радиосети) - управляет ресурсами радиосети и
представляет собой точку доступа к базовой сети.

Элементы сети CNможно разделить на две группы (домены):

Домен коммутации каналов (CS):

- MSC (коммутатор) - обеспечивает коммутацию сообщений;

- GMSC (шлюзовой MSC) - коммутатор в точке, где сеть UMTS соединяется с внешними сетями с коммутацией каналов. Все исходящие и входящие внешние CS через GMSC.

Домен коммутации пакетов (PS):

- SGSN (узел обеспечения услуг GPRS) - по своим функциям по­добен MSC;

- GGSN (узел обеспечения межсетевого перехода GPRS) - по своим функциям подобен GMSC.

В целях автоматического переключения (хэндовера) мобильной станции с одной базовой станции на другую (или с одного сектора базовой станции на другой) при пространственном перемещении або­нента, а также входа в сеть другого стандарта (к примеру, GSM) в WCDMA используется гибкая процедура, основанная на одновремен­ном приеме терминалом сигналов от разных источников: полумягкий, мягкий и жесткий хэндоверы (рисунок 6.3).

По своему функциональному предназначению процедура хэндове­ра решает более широкую задачу по повышению качества работы системы, в том числе увеличению зоны покрытия и пропускной спо­собности за счет приема сигналов с пространственным разнесением. Система UMTS позволяет пользователю согласовывать характе­ристики каналов с целью их оптимизации для передачи информации соответственно заявленной услуге. Такое согласование имеет место на этапе установления соединения, когда прикладная программа за­прашивает канал доступа в зависимости от ее потребности, а сеть проверяет наличие ресурсов, правомочен ли абонент пользоваться этой услугой, и дает ответ.

А) Б)

В)

Рисунок 6.3 - Процедура хэндовера

Наиболее выраженные особенности UMTS:

- более высокая скорость передачи данных (более 384 кбит/с), что по­зволяет предоставлять новые высокоскоростные услуги, обеспечи­вая быстрый доступ к информации и ее фильтрацию в зависимо­сти от места нахождения пользователя;

- возможность согласования характеристик радиоканала: пропуск­ной способности, времени задержки пакетов данных и вероятности появления ошибок в них, что позволяет поддерживать широкий спектр услуг с разным (по требованию абонента) качеством обслу­живания (QoS);

- возможность мультиплексирования (одновременного представления) услуг с различными требованиями к качеству обслуживания для одного соединения (например, передачи речи, видеоинформа­ции и передачи данных);

- высокая достоверность передаваемой информации (вероятность появления ошибок на бит – 10^-6);

- поддержка асимметричного трафика по восходящим и нисходящим каналам передачи (например, просмотр информации Web-сайтов приводит к большей нагрузке в нисходящем канале, чем в восхо­дящем).

Эволюция системы UMTS определяется различными версиями (выпусками - Release) блоков стандартов (технических спецификаций): первому этапу соответству­ет Release'99, последующим этапам - Release'4, Release'5, Release'6 и т.д. В качестве технологической базы для построения сетей UMTS в соответствии с Release'99 выбрана система GSM/GPRS. Основное отличие UMTS версии Release'99 от GSM/GPRS - новый тип радио­интерфейса (сети радиодоступа), позволяющий увеличить скорость передачи данных до 384 кбит/с. На первом этапе в сетях UMTS тра­фик преимущественно будет речевым с постепенным увеличением доли трафика передачи данных, не все функции обеспечения качест­ва обслуживания (QoS) будут реализованы, в связи с чем критичные к задержке пакетов услуги (передача речи и видеотелефония) будут предоставляться с коммутацией каналов.

В качестве одного из перспективных направлений расширения функциональных возможностей сетей UMTS по пропускной способно сети в условиях высокой плотности активных абонентов (аэропорты, вокзалы, отели и т.п.) рассматривается объединение сетей UMTS и сетей беспроводного широкополосного доступа WLAN (Wireless Local Area Networks).

Интернет Сеть UMTS Сеть WLAN Межсетевые шлюзы Биллинг Базовая сеть RNC Note B Note B Точки радиодоступа SIM-карта Карта UMTS WLAN

Упрощенная схема взаимодействия сетей UMTS и WLAN приведе­на на рисунке 6.4.

Рисунок 6. 4 - Схема взаимодействия сетей UMTS и WLAN

Сети WLAN имеют малый радиус зоны обслужива­ния точки доступа (десятки метров) и высокую скорость передачи данных (от десятков до сотни Мбит/с).

На последующих этапах (Release'5, Release'6) развития системы UMTS предполагается объединение двух доменов базовой сети - с коммутацией каналов (CS) и коммутацией пакетов (PS) - в одну уни­версальную сеть, полностью базирующуюся на IP-технологии.

Весь потенциал 3G-yслyг невозможно использовать без внедрения нового протокола IP. Сегодняшняя версия протокола в сети Интернет (IPv4) имеет ограниченное адресное пространство. Для мобильного Интернета, где каждый мобильный терминал будет иметь свой IP-адрес, потребуется гораздо большее адресное пространство, чем в IPv4. В планируемой новой версии IPv6 устранены недостатки адре­сации, гарантированы качество услуг и безопасность информации.