Пакетная передача данных в сетях GSM/UMTS
Структура сети GSM/UMTS
Сети радиодоступа третьего поколения (3G) должны удовлетворять следующим требованиям:
- обеспечивать скорость передачи данных не менее 384 кбит/с,
- адаптивно изменять скорость передачи данных в зависимости от состояния канала связи (от отношения сигнал/суммарная помеха SINR – Signal to interference & Noise Ratio).
Структура сети GSM/UMTS[1] приведена на рис. 5.1. Она состоит из 4 основных подсистем:
- подсистема мобильных станций,
- подсистема радиодоступа,
- ядро сети,
- подсистема управления сетью и обслуживания (на рис. 5.1 не показана).
Рис. 5.1. Архитектура интегральной сети UMTS и GSM
Подсистема мобильных станций включает в себя MS (Mobile Stations ‒ мобильные станции в сети GSM) и UE (User Equipment ‒ мобильные станции в сети UMTS). MS/UE – это компьютер с приемопередатчиком и антеннами. MS/UE выполняют следующие функции:
- обработка передаваемых и принимаемых сигналов,
- поддержка радиоинтерфейса.
Подсистема радиодоступа RAN (Radio Access Network) состоит из базовых станций (BTS – Base Transceiver Station в сети GSM) или узлов базовых станций (NodeB в сети UMTS) и контроллеров базовых станций: BSC (Base Station Controller в сети GSM) или RNC (Radio Network Controller в сети UMTS).
В оборудование базовых станций входят приемопередатчики, антенные комплексы и линейные части. Базовые станции (BTS и NodeB) обеспечивают:
- поддержку радиоитерфейса,
- поддержку интерфейса с контроллером,
- обработку передаваемых и принимаемых сигналов на физическом уровне.
Контроллеры (BSC и RNS):
- коммутируют каналы трафика на приемопередатчики BTS или NodeB,
- управляют распределением и назначением канального ресурса,
- управляют базовыми станциями,
- управляют активными мобильными терминалами,
- обрабатывают данные на уровне L2,
- управляют доступом мобильных терминалов MS/UE к сети,
- организуют хэндоверы,
- осуществляют сбор, обработку и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания.
Ядро сети (Core Network) состоит из 2 частей: подсистемы с коммутацией каналов (CS – Circuit Switching) и подсистемы с коммутацией пакетов (PS – Packet Switching).
При передаче с коммутацией каналов канал связи абонент получает на все время сеанса cвязи. В паузах передачи информации этот канал не может быть предоставлен другим абонентам, что снижает эффективность использования канального ресурса. Передачу с коммутацией каналов используют в сетях GSM/UMTS, как правило, только при передаче телефонии и видеотелефонии. Достоинством передачи с коммутацией каналов является минимизация сквозной задержки по каналу связи.
В подсистеме с коммутацией каналов MSC (Mobile Services Switching Center) осуществляет:
- связь с другими сетями передачи информации, непосредственно или через шлюзовой коммутатор GMSC,
- коммутацию вызовов и организацию каналов абонентам подвижной связи, находящимся в сотах, обслуживаемых данным MSC,
- сбор информации и создание учетных записей об оказанных абонентам услугах,
- управление подсистемами радиодоступа,
- сбор, обработку и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания.
Визитный регистр VLR (Visitor Location Register):
- ведет базу данных абонентов, находящихся в зоне действия MSC, отслеживает их перемещение (локализацию) по зонам,
- формирует сигналы пейджинга,
- поддерживает выполнение процедур протокола ММ (Mobility Management), обеспечивающих организацию всемирного роуминга и безопасность работы сети.
-
Шлюзовой коммутатор GMSC (Gateway MSC) обеспечивает сопряжение с телефонной сетью общего пользования (ТФОП) и с сетью ISDN (Integrated Services Digital Network). Он ведет также обработку всех входящих вызовов абонентов домашней сети и их переадресацию на обслуживающий абонента MSC/VLR.
Качество передачи с коммутацией каналов (CS) определяется следующими характеристиками:
- вероятностью отказа в предоставлении канала в час наибольшей нагрузки (ЧНН),
- надёжностью передачи: либо вероятностью битовой ошибки (BER – Bit Error Rate), либо относительной вероятностью ошибочно принятых блоков (BLER – Block Error rate),
- допустимой задержкой в миллисекундах,
- оплата услуги оператора зависит от времени занятия канала (времени сеанса связи).
Для передачи с коммутацией пакетов (PS) используют технологию GPRS (General Packet Radio Service). Цель – эффективное использование канального ресурса при передаче данных с коммутацией пакетов, создание комфортной среды для абонента при работе с Интернетом, при передаче и получении видеотрафика и MMS. При использовании GPRS:
- физический канальный ресурс предоставляют группе абонентов. Занятие канала производят по мере поступления пакетов и в соответствии с QoS – Quality of Service (качеством услуг), предоставляемых абоненту. Передачу информации ведут по IP-протоколу. Каждый передаваемый пакет содержит идентификатор конкретного абонента и закрыт своим шифром;
- скорости передачи в направлениях “вверх” и “вниз”, как правило, разные;
- передачу пакетов ведут в соответствии с оговоренным QoS абонента;
- мобильная станция подсоединена к сети Интернет. Абонент на время всего сеанса связи получает Интернет-адрес;
- оплата услуги зависит от объема переданной информации и QoS сеанса связи.
Подсистема GPRS (рис. 5.1) представляет структуру "параллельную" подсистеме ядра сети с коммутацией каналов. Роль MSC/VLR в пакетной сети подвижной связи выполняет SGSN: Serving GPRS Support Node (обслуживающий узел GPRS). SGSN выполняет функции пакетного коммутатора, ведет базу абонентов, обслуживаемых на его территории в пакетном режиме, выполняет процедуры протокола ММ (Mobility Management), отслеживает перемещение абонентов, формирует вызовы абонентов по каналам с коммутацией пакетов и т.д.
Шлюзы с пакетными сетями передачи данных строят в виде GGSN - Gateway GPRS Support Node (шлюзовых узлов GPRS). При сетевом подходе к организации обмена информацией структура GPRS (SGSN, GGSN и другие элементы) является подсетью внешних пакетных сетей, где GGSN выполняют роль межсетевых коммутаторов. Через SGSN подсеть GPRS связана с подсистемой радиодоступа. В GGSN также содержит базу данных всех обслуживаемых им абонентов, а при организации сквозных каналов с коммутацией пакетов активизирует статический IP-адрес абонента (если абонент его имеет) и выделяет абоненту динамический адрес (через сервер DHCP – Domain Host Configuration Protocol) на время сеанса связи при отсутствии у абонента статического IP-адреса. SGSN всегда находится в визитной сети, а GGSN – в домашней сети абонента.
Прохождение трафика с коммутацией пакетов в сети GSM иллюстрирует рис. 5.2.
Так как один и тот же канальный ресурс используют несколько абонентов, а во время сеанса связи могут одновременно поступать пакеты разных пользователей, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, что вызовет задержку в связи. Допустимая величина задержки - одна из характеристик, определяющих качество обслуживания абонента.
Для GPRS характерно гибкое управление предоставляемыми услугами. Абоненты могут получать услуги разного качества (QoS) с соответствующей градацией оплаты. В GPRS качество обслуживания описывают 5 характеристик (рис. 5.3). При заключении договора абонент и оператор сети оговаривают все характеристики, в связи с чем меняются тарифы на предоставляемые услуги.
Рис. 5.2. Структура передачи трафика в сети GSM с коммутацией пакетов
QoS включает в себя (рис. 5.3):
- приоритет абонента,
- надежность передачи информации,
- допустимые задержки,
- пиковую и среднюю пропускную способность канала.
Рис. 5.3. Базовые параметры качества обслуживания абонентов при GPRS
В отличие от технологии передачи трафика с коммутацией каналов при пакетной передаче обязательна промежуточная буферизация пакетов трафика в одном или нескольких функциональных узлах сети. В сети GSM буферизацию осуществляют в BSCи SGSN и MS, в сети UMTS – в RNC, UE и, в зависимости от версии используемых протоколов уровня L2, в SGSN. Кроме того, применение технологии HSPA требует буферизации передаваемых по радиоинтерфейсу блоков в NodeB и UE. Необходимость буферизации передаваемых пакетов приводит к увеличению суммарной задержки в их доставке, но позволяет обеспечить надёжную передачу при временных перегрузках отдельных участков тракта (прежде всего, радиоинтерфейса). При этом возрастает задержка в доставке трафика.
В сетях 3G существуют 4 класса трафика. Характеристики основных показателей различных классов трафика приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1.
| Класс трафика и приоритет | Допустимая сквозная задержка | Надёжность, BLER | Примечание |
| 1. Телефония | < 150 мс | <0,02 | Передача с коммутацией каналов |
| 2. Потоковый | < 1 - 2 с | <0,01 | Передача по протоколу UDP/IP |
| 3. Интерактивный | Статистическая | <10-6 | Передача по протоколу TCP/IP |
| 4. Фоновый | Статистическая | <10-6 | Передача по протоколу TCP/IP |
Сети стандарта GSM работают в Европе, Азии и Африке в диапазонах 900 и 1800 МГц, а на Американском континенте в диапазонах 850 и 1900 МГц. Ширина радиоканала в сетях GSM составляет 200 кГц. Сквозная скорость передачи бит (символов) – 271 кбит/с.
GSM – стандарт с частотно-временным разделением каналов. Временной характеристикой стандарта является кадр. Длина кадра Ткадр = 60/13 мс. Кадр разделён на 8 временных интервалов (ВИ) или тайм-слотов (TS – Time Slot) длительностью 577 мкс ‒ рис. 5.4. Физический канал занимает 1 TS в одном частотном канале. Таким образом, в одном частотном канале можно организовать 8 независимых физических каналов, а каждый физический канал в сети GSM определяют 2 параметра: центральная частота канала и временной интервал (TS).
Рис 5.4. Кадр, состоящий из 8 временных интервалов
При передаче пользовательского трафика в одном тайм-слоте кадра передают нормальный пакет данных (normal burst). Такой пакет содержит 114 кодированных информационных символов (бит). Для передачи пакетного трафика в сетях GSM используют технологии GPRS и EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution). При пакетной передаче трафик в радиоканале передают в виде блоков. Один блок состоит из 4 burst’ов, размещенных в 4 последовательных кадрах одного тайм-слота. Скорость передачи определяется выбором модуляционно-кодирующей схемы (MCS- Modulation&Coding Scheme). Технология EDGE позволяет менять вид модуляции, переходя от двухпозиционной ГЧММС к многопозиционным методам: 4-ОФМ, 8-ОФМ, 16-КАМ, 32 КАМ. Самый простой и распространенный вариант MCS приведен в табл. 5.2. Таблица 5.2
| Схемы модуляции и кодирования | Модуляция | Максимальная скорость передачи данных в TS, кбит/с | Скорость кодирования | Семейство |
| MCS-9 | 8-ОФМ | 59,2 | 1,0 | А |
| MCS-8 | 54,4 | 0,92 | А | |
| MCS-7 | 44,8 | 0,76 | В | |
| MCS-6 | 29,6/27,2 | 0,49 | А | |
| MCS-5 | 22,4 | 0,37 | В | |
| MCS-4 | ГЧММС | 17,6 | 1,0 | С |
| MCS-3 | 14,8/13,6 | 0,8 | А | |
| MCS-2 | 11,2 | 0,66 | В | |
| MCS-1 | 8,8 | 0,53 | C |
Сигнальное созвездие при модуляции 8-ОФМ показано на рис. 5.5.
Рис.5.5. Диаграмма сигналов при 8-ОФМ
Для повышения скорости передачи данных используют многослотовый режим работы: абоненту одновременно могут выделить в одном частотном канале несколько TS, вплоть до 8. При этом скорость передачи увеличивается пропорционально числу выделенных TS.
В сетях с кодовым разделением каналов базовые станции работают на одной частоте (в одном частотном канале), абонентские станции тоже работают на одной частоте, отличной от частоты базовых станций при частотном дуплексе. Выделение (фильтрацию) конкретного канала производят в процессорном блоке приемника в результате математической обработки принятого сигнала. Для этого сигнал, передаваемый по радиоинтерфейсу, закрывают двумя кодами: скремблирующим и каналообразующим. Скремблирующие коды используют для разделения источников излучения: различных базовых и абонентских станций. Каналообразующие коды позволяют разделить сигналы одного источника. Использование каналообразующих кодов для кодового разделения каналов при передаче вниз поясняет рис.5.6.
В примере, приведенном на рис. 5.6., базовая станция когерентно передает 3 независимых сигнала 3 абонентским станциям. Передаваемый на UE1 биполярный сигнал u (t) (рис.5.6,а), т.е. последовательность логических нулей и единиц с уровнями -1 и +1, умножают на биполярную кодовую последовательность с 1(t), такую, что на каждый информационный бит приходится SF бит (чипов) кодовой последовательности. На рис. 5.6,б эта последовательность состоит из 8 чипов; в стандарте UMTS SF = 4...256. В результате умножения получают последовательность v (t) = u (t) x c 1(t) (рис. 5.6,в), которую после наложения скремблирующего кода и передают по каналу связи.
В рассматриваемом примере каналообразующий код, выделенный UE1,
| -1 | -1 | -1 | -1 |
При передаче первого бита, после умножения на -1 получаем v(t) (рис. 5.6в):
| -1 | -1 | -1 | -1 |
Рис. 5.6. Использование каналообразующих кодов для разделения каналов
Приём – когерентный и основан на вычислении корреляционной функции между принятым сигналом и выделенным кодом. Приемник UE запускает когерентно с принятым сигналом выделенным ему каналообразующий код и вычисляет корреляционную функцию для каждого переданного информационного бита. В приёмнике UE1 при приёме первого бита это будет следующая операция:
| -1 | -1 | -1 | -1 | |||||||
| Х | -1 | -1 | -1 | -1 | ||||||
| Σ | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | -1 | = | -8 |
На рис. 5.6г эта операция показана пунктирной линией. В результате в конце каждого промежутка времени, соответствующего передаче одного бита, получают отрицательное или положительное число в соответствии с переданным информационным битом.
Приёмник станции UE2 также примет сигнал v(t) (рис. 5.6в), но он запустит другой код с2(t), который ему выделен (рис. 5.6д). В результате вычисления корреляционной функции между сигналом v(t) и кодом с2(t) получаем
| -1 | -1 | -1 | -1 | |||||||
| Х | -1 | -1 | -1 | -1 | ||||||
| Σ | -1 | -1 | -1 | -1 | = |
Таким образом на выходе приёмника UE2 напряжение будет равно 0. Иначе говоря, процессор приёмника UE2 фильтрует сигнал v(t). Аналогичную картину имеем при умножении сигнала v(t) в приемнике UE3 на кодовую последовательность с 3(t) (рис. 5.6,ж и рис. 5.6,з).
Кодовые последовательности с 1(t), с 2(t), с 3(t) образуют группу ортогональных последовательностей. Они обладают следующим свойством
Используя для каждого канала связи свою последовательность из набора ортогональных последовательностей, можно, передавая все каналы одновременно на одной частоте, выделить в приемнике определенный канал, фильтруя все остальные.
Число взаимно ортогональных кодов определяется числом чипов в коде n. На рис. 5.6 n = 8, что теоретически позволяет передавать в одной частотной полое 8 независимых физических каналов. Отношение Вчип/Всимв называют коэффициентом расширения спектра SF. В стандартах с кодовым разделением каналов Вчип постоянна. Соответственно полоса, занимаемая радиосигналом, определяется чиповой скоростью, постоянна и не зависит от скорости передачи данных. В UMTS Вчип = 3,84 Мчип/с, эффективная полоса (полоса, в которой приемник обрабатывает сигнал) составляет 3,84 МГц. Скорость передачи данных
(5.1)
где М ̶ возможное число позиций сигнала,
Rкод ̶ скорость избыточного кодирования.
При пакетной передаче данных в сетях UMTS[2] используют специальные технологии: высокоскоростную передачу данных вниз (HSDPA – High Speed Downlink Packet Access) и вверх (HSUPA - High Speed Uplink Packet Access). Рассмотрим технологию высокоскоростной передачи вниз HSDPA, поскольку ее применение в действующих сетях обязательно.
Данные передают по физическому каналу HS-DSCH (High Speed Downlink Shares Channel) короткими кадрами длиной 2 мс с постоянным коэффициентом расширения спектра SF = 16, что позволяет отслеживать быстрые замирания сигнала в канале. Скорость передачи информации на мобильный терминал определяется:
- числом одновременно передаваемых на терминал парциальных каналов (кодов) в интервале Cch,16,1 до Cch,16,15; минимально терминал получает 1 код из указанного множества, максимально – 15. Коды, используемые в технологии HSDPA, приведены в табл. 5.3;
- модуляционно-кодирующей схемой; возможно использование модуляции 4-ФМ, 16-КАМ, 64-КАМ (рис. 5.7) при изменении скорости избыточного (защитного) кодирования от 0,25 до 0,97; при низких скоростях кодирования и при повторной передаче непринятых кадров применяют турбокоды;
- числом одновременно принимаемых частотных каналов при использовании технологии агрегации полос; номинальная ширина полосы в стандарте UMTS составляет 5 МГц, эффективная полоса – 3,84 МГц;
- использованием пространственного мультиплексирования (многоантенной передачи MIMO).
Таблица 5.3
| Номер кода i | Код Cch, 16, i |
| 11111111-1-1-1-1-1-1-1-1 | |
| 1111-1-1-1-11111-1-1-1-1 | |
| 1111-1-1-1-1-1-1-1-11111 | |
| 11-1-111-1-111-1-111-1-1 | |
| 11-1-111-1-1-1-111-1-111 | |
| 11-1-1-1-11111-1-1-1-111 | |
| 11-1-1-1-111-1-11111-1-1 | |
| 1-11-11-11-11-11-11-11-1 | |
| 1-11-11-11-1-11-11-11-11 | |
| 1-11-1-11-111-11-1-11-11 | |
| 1-11-1-11-11-11-111-11-1 | |
| 1-1-111-1-111-1-111-1-11 | |
| 1-1-111-1-11-111-1-111-1 | |
| 1-1-11-111-11-1-11-111-1 | |
| 1-1-11-111-1-111-11-1-11 |
Скорости передачи внутри кадра в зависимости от типа модуляции и скорости кодирования Rкода поясняет табл. 5.4.
Рис. 5.7. Созвездия сигналов, используемых в HSDPA
Таблица 5.4
| Модуляция | Скорость кода Rкода | Скорость данных (1 код) | Скорость данных (5 кодов) | Скорость данных (15 кодов) |
| 4-ФМ | 1/4 | 119 кбит/с | 0,6 Мбит/с | 1,8 Мбит/с |
| 4-ФМ | 1/2 | 237 кбит/с | 1,2 Мбит/с | 3,6 Мбит/с |
| 4-ФМ | 3/4 | 356 кбит/с | 1,8 Мбит/с | 5,3 Мбит/с |
| 16-КАМ | 1/2 | - | 2,4 Мбит/с | 7,2 Мбит/с |
| 16-КАМ | 3/4 | - | 3,6 Мбит/с | 10,7 Мбит/с |
| 64-КАМ | 3/4 | - | 5,4 Мбит/с | 16,1 Мбит/с |
Абонентская аппаратура поделена на категории в соответствии с теми возможностями, которая она в режиме HSDPA поддерживает на физическом уровне. В Rel.13 существуют 38 категорий пользовательской аппаратуры. Эти категории описаны в табл. 5.5.
Во втором столбце табл. 5.5. указано максимальное число парциальных каналов (кодов), которое может принимать UE одновременно в одном частотном канале.
В третьем столбце приведен минимальный временной интервал между следующими друг за другом кадрами. Если он равен 1, то кадры могут следовать непрерывно. Когда он равен 2, временной зазор должен быть не меньше 2 мс (длины одного кадра), если он равен 3, временной зазор должен составлять не менее 4 мс (удвоенной длины кадра).
Таблица 5.5
| Категория UE по каналу HS-DSCH | Максимум принимаемых кодов по каналу HS-DSCH | Минимальный интервал между кадрами | Максимальное число принимаемых частотных каналов | Число частотных каналов с реализацией MIMО/ число независимых потоков данных в канале | Используемые виды модуляции | Максимальная сквозная скорость передачи, Мбит/с |
| 4-ФМ 16-КАМ | 1,2 | |||||
| 1,2 | ||||||
| 1,8 | ||||||
| 1,8 | ||||||
| 3,6 | ||||||
| 3,6 | ||||||
| 7,2 | ||||||
| 7,2 | ||||||
| 10,1 | ||||||
| 14.0 | ||||||
| 4-ФМ | 0,9 | |||||
| 1,8 | ||||||
| 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 17,6 | |||||
| 21,1 | ||||||
| 1/2 | 4-ФМ 16-КАМ | 23,4 | ||||
| 1/2 | 28,0 | |||||
| 17 [3] | 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 17,6 | ||||
| 1/2 | 4-ФМ 16-КАМ | 23,4 | ||||
| 18 [4] | 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 21,1 | ||||
| 1/2 | 4-ФМ 16-КАМ | 28,0 | ||||
| 1/2 | 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 35,3 | ||||
| 1/2 | 42,2 | |||||
| 4-ФМ 16-КАМ | 23,4 | |||||
| 28,0 | ||||||
| 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 35,3 | |||||
| 42,2 | ||||||
| 2/2 | 4-ФМ 16-КАМ | 46,7 | ||||
| 2/2 | 55,9 | |||||
| 2/2 | 4-ФМ 16-КАМ 64-КАМ | 70,6 | ||||
| 2/2 | 84,4 | |||||
| 63,3 | ||||||
| 3/2 | 126,6 | |||||
| 84,4 | ||||||
| 4/2 | 168,8 | |||||
| 126,6 | ||||||
| 6/2 | 253,2 | |||||
| 168,8 | ||||||
| 8/2 | 337,5 | |||||
| 2/2 и 2/4 | 168,8 | |||||
| 4/2 и 4/4 | 337,5 |
В 4 столбце указано число частотных каналов, которое UE может принимать одновременно, используя технологию агрегации частотных полос для увеличения скорости передачи данных. Это число может составлять 2, 3, 4, 6 и 8 частотных каналов, которые могут находиться в разных диапазонах.
Столбец 5 характеризует возможности использования пространственного мультиплексирования (MIMO) при передаче нескольких потоков данных в одном физическим канале с разных антенн базовой станции. В левой части дроби указано максимальное число частотных каналов, где может быть реализовано MIMO, в правой – число независимых потоков данных в одном физическом канале.
6 столбец содержит информацию о поддерживаемых UE видах модуляции. В 7 столбце приведены предельные сквозные скорости передачи данных на UE разных категорий.
Для каждой категории и абонентских станций существуют 30 вариантов форматов передачи, характеризуемых модуляционно-кодирующей схемой, числом выделенных абоненту кодов и уровнями передаваемых парциальных сигналов (кодов)[5]. Каждому формату соответствует численное значение индикатора качества канала CQI (Channel Quality Indicator). Для разных категорий UE разработаны разные таблицы соответствия CQI и формата передачи, поименованные буквами: A,B,C…K (TS 25.214). Так, для UE категорий 1 – 7 (табл. 5.5) используют таблицу соответствия А, для станций категорий 7 и 8 – таблицу В, станций категорий 10, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28 – 38 (без использования модуляции 64-КАМ и MIMO) таблицу D, станций категорий 14, 18, 20, 24, 28 – 38 (без использования MIMO, но с использованием 64-КАМ) таблицу G и т.д. Приведем в качестве примера таблицы соответствия D (табл. 5.6) и G (табл. 5.7).
Выбор формата передачи и числа кодов для конкретного абонента BS производит специальная программа в NodeB ‒ планировщик (scheduler). Между NodeB и всеми UE, обслуживаемыми по технологии HSDPA, работает канал обратной связи в реальном времени. UE постоянно измеряют отношение сигнал/суммарная помеха (Es/N0), меняющееся во времени из-за перемещения абонента и замираний сигнала. В соответствии с измеренным (Es/N0) UE определяет оптимальный формат передачи в виде СQI и передают значение СQI на BS по специальному выделенному каналу управления HS-DPCCH (High Speed Dedicated Physical Control Channel). Планировщик анализирует информацию, поступающую по каналам HS-DPCCH от всех UE, и назначает время и форматы передач пакетного трафика вниз (рис. 5.8).
Сказанное иллюстрирует рис. 5.9. Верхняя кривая – результат измерения отношения (Es/N0) в UE. Нижняя кривая – соответствующий этим измерениям формат передачи, в которым UE готова принимать пакеты. BS выбирает для передачи пакетов конкретной UE моменты наилучших условий приема, что повышает общую пропускную способность сети и снижает задержки при передаче. Планировщики работают на основе пропорционально справедливого алгоритма управления канальным ресурсом, что обеспечивает обслуживание всех абонентов при оптимизации использования канального ресурса.
Таблица 5.6
| CQI | Размер транспортного блока (бит) | Число выделяемых кодов | Модуляция |
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ |
Таблица 5.7
| CQI | Размер транспортного блока (бит) | Число выделяемых кодов | Модуляция |
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 4-ФМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 16-КАМ | |||
| 64-КАМ | |||
| 64-КАМ | |||
| 64-КАМ | |||
| 64-КАМ | |||
| 64-КАМ |
Рис. 5.8. Структура каналов при реализации технологии HSDPA
Рис. 5.9. Адаптивное управление передачей трафика вниз
Сети стандарта LTE
Развитие стандарта LTE
Спецификации стандарта E-UTRAN (LTE) были опубликованы в 2008г., а первые сети появились в 2009г. За прошедшие 8 лет можно выделить следующие этапы развития сетей.
Этап 1 – сети, поддерживаемые Rel.8 и 9 (2008 – 2010гг.).
Этап 2 – сети, поддерживаемые Rel.10 и 11 (2011г. – 2013г.).
В 2016г. завершены спецификации Rel.13 в рамках дальнейшего развития технологий LTE-A и перехода к LTE-A Pro.
Строго говоря, на этапе 1 сети LTE не удовлетворяли одному из требований, предъявляемых к сетям 4-го поколения, поскольку не обеспечивали скоростей в 1Гбит/с. В полосе 20 МГц без применения технологии MIMO предельная скорость передачи вниз составляет величину порядка 75 Мбит/с, а вверх при модуляции 16-КАМ менее 30 Мбит/с. При использовании вниз технологии пространственного мультиплексирования теоретически при конфигурации антенн 4×4 могла быть достигнута скорость 4×70 = 280 Мбит/с, что более, чем в 3 раза ниже требуемой (1 Гбит/с).
Стандартом 4 поколения LTE стал с появлением спецификаций Rel.10. Этот вариант получил название LTE-A (Advanced). LTE-A представляет собой развитие стандарта LTE. При этом аппаратура, которая поддерживает LTE-A, может работать в существующем варианте LTE (Rel.8/9). Расширение возможностей при передаче высокоскоростного трафика, начиная с Rel.10, обеспечивают следующие технологические новшества: агрегация частотных полос, расширение вариантов MIMO, построение сети на основе неоднородных структур. Из этих технологий важнейшей является агрегация полос, поскольку для увеличения в разы скоростей передачи данных необходимо в разы увеличивать полосу, предоставляемую абоненту. При организации неоднородных сетей предусмотрены меры по управлению многоуровневыми структурами с целью снижения взаимных помех.
Основная структура сети LTE
Сети стандарта E-UTRAN (LTE) предназначены как для обмена пакетным трафиком между различными абонентами сетей радиодоступа, так и для доставки пакетов на абонентский терминал с интернет-серверов. Сети LTE относят к all-IP сетям, где внутрисетевые интерфейсы строят на основе IP-протоколов. Основная структура сети LTE представлена на рис. 6.1.
Сеть включает в себя мобильные терминалы (UE – User Equipment), сеть радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и новое ядро сети Evolved Packet Core (EPC). Для обслуживания абонентов сеть имеет выход на сети с предоставлением услуг по IP-протоколу и на домашние сети абонентов (HSS – Home Subscriber Server).
Рис.6.1. Структура сети LTE
Сеть радиодоступа E-UTRAN построена как совокупность узлов базовых станций eNB (E-UTRAN NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) (рис.6.1) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети PDN GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами. На рис. 6.1 соединения для передачи данных показаны толстыми линиями, сигнальные соединения – тонкими.
eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1.При этом интерфейс S1 в пользовательской плоскости S1-U (User Plane) непосредственно замыкается на обслуживающий шлюз S-GW (Serving Gateway), в то время как сигнальная часть интерфейса S1-C (Control Plane) следует на MME – Mobility Management Entity.
UE (абонентский терминал) подключенный к сети LTE, может находиться в состоянии CONNECTED (ACTIVE) или в состоянии IDLE. В состоянии CONNECTED идет обмен сообщениями (как сигнальными, так и пакетами трафика) по радиоинтерфейсу. В состояние IDLE станцию переводят на время пауз в сеансе связи. В этом состоянии абонент сохраняет свой IP-адрес, сеть поддерживает абонентские базы данных, а местоположение абонента определено с точностью до зоны слежения Tracking Area.
eNB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения. Для каждого активного абонента в eNB открыта база данных. eNB
- обеспечивает передачу трафика и сигнализации в радиоканале,
- управляет распределением радиоресурсов,
- обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW,
- выбирает обслуживающий MME и организует сигнальный обмен с ним,
- поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте,
- обеспечивает шифрацию всех пользовательских сообщений и целостность передачи сигнализации по радиоканалу,
- производит обработку данных и сигнализации на уровне L2,
- организует хэндоверы,
- поддерживает услуги мультимедийного вещания.
MME:
- ведет базы данных абонентов, зарегистрированных в сети,
- выбирает S-GW и PDN GW при подключении абонентов к сети,
- обеспечивает передачу и защиту сигнализации NAS (Non Access Stratum) по протоколам MM (Mobility Management) SM (Session Management) между MME и UE,
- обеспечивает локализацию, аутентификацию и авторизацию абонентов,
- участвует в организации межсетевых связей и хэндоверов,
- организует вызовы UE, находящихся в состоянии IDLE,
- ведет сигнальный обмен с eNB при организации сквозных каналов.
Каждый UE, зарегистрированный в сети, обслуживает один Serving Gateway. S-GW – обслуживающий шлюз:
- выполняет функции “якоря” в визитной сети, маршрутизируя трафик при перемещениях UE в состоянии CONNECTED от одного eNB к другому (хэндовере),
- ведет базу данных абонентов, зарегистрированных в сети,
- участвует в организации сквозных каналов с eNB и PDN GW, а также сигнальных соединений с MME при регистрации абонента в сети и при выполнении процедуры локализации,
- предоставляет учетные данные для тарификации и оплаты выполненных услуг.
PDN GW:
- является “якорем” при подключении внешним IP-сетям; ведет базу данных абонентов, подключенных к нему,
- организует точку доступа к внешним IP-сетям,
- активизирует статический IP-адрес абонента; если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, PDN GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту,
- обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс SGi и фильтрацию входящих пользовательских пакетов данных,
- организует сквозные каналы и сигнальные соединения между S-GW и PDN GW,
- устанавливает требуемые качественные характеристики сквозных каналов на основе установок, полученных от PCRF, в том числе максимальные и минимальные скорости передачи данных в сквозных каналах в соответствии с качественными характеристиками передаваемого трафика QCI (QoS Class Identifier),
- ведет учёт предоставленных абонентам услуг.
PDN GW обычно находится в домашней сети абонента, а S-GW, MME и eNB ‒ в визитной.
Policy and Charging Rules Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF (Policy and Charging Enforcement Function) шлюза PDN GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации. PCRF находится в домашней сети абонента. PCRF является центральным элементом подсистемы управления качеством обслуживания и тарификации РСС.
HSS – Home Subscriber Server, обеспечивает выполнение процедур безопасности в сети LTE, исполняя функции HLR и AuC в сетях GSM/UMTS. HSS поддерживает сигнальную сеть IMS при организации услуг. ММЕ имеют прямой выход на HSS через интерфейс S6a по протоколу Diameter.
