HSDPA — High Speed Downlink Packet Access

Эта технология, как следует из её названия, принадлежит к семейству решений, использующих пакетную передачу данных. К этому семейству принадлежат и уже описанные нами GPRS и EDGE. Физически, HSDPA является «надстройкой» к сетям WCDMA/UMTS, поэтому нередко её называют «третьим с половиной» поколением или 3,5G. «Половинка» в этом неформальном названии обоснована ещё и тем, что пропускная способность HSDPA в стартовом варианте составила 1,8 Мбит/с, а теоретический максимум составит 14,4 Мбит/с. Правда, до теоретического максимума пока ещё очень далеко — за два года внедрения технология пока преодолела лишь планку в 3,6 Мбит/с, впрочем, принятая на вооружение многими поставщиками оборудования (в частности, Option) стратегия заключается в том, что вендоры поставляют готовые устройства, заранее поддерживающие более высокую пропускную способность, нежели сегодня способен обеспечить оператор. Им остается только дождаться того светлого дня, когда оператор модернизирует свои базовые станции (а операторам так или иначе приходится периодически менять инфраструктурное оборудование) — и voila - можно загружать из интернета файлы со скоростью 7,2 Мбит/с.

 

Несомненным плюсом этой технологии является то, что дальность связи практически равна дальности охвата сигналом базовой станции (с некоторыми оговорками, о которых мы упомянем в самом конце), а минусом — то, что высокая скорость доступна только для получения (downlink) данных, а для отправки придется довольствоваться базовым для WCDMA значением — 384 Кбит/с. Этот недостаток, как ожидается, будет устранен с появлением технологии HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access), а связка HSDPA+HSUPA будет называться просто HSPA (High-Speed Packet Access).

 

Рис.1 Структура и взаимодействие сетей UMTS.

Еще не исчерпан весь резерв развития технологий GPRS/EDGEКак видно на рисунке 1, основу ядра UMTS составляют контроллеры базовой станции (BSC, Base Stantion Controller), центр коммутации мобильных телефонов (MSC, Mobile Switching Center), регистр домашних пользователей (HLR, Home Location Register), сервер коммутации пакетов (SGSN, Serving GPRS Support Node) и маршрутизатор доступа в интернет (GGSN, Gateway GPRS Support Node). Все эти узлы унаследованы UMTS от GSM/EDGE, более того, как видим, интеграция с WLAN возможна уже на этом этапе.

В HSDPA применяются модуляционные схемы WCDMA QPSK (Quadrature Phase-Shifting Keying) и 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). В первой модуляционной схеме в одном символе передается два бита данных, во второй — четыре. Однако последняя модуляционная схема может быть задействована лишь в том случае, если этого позволяет уровень сигнала, а точнее — соотношение сигнал/шум. Вне зависимости от того, какая модуляционная схема используется в текущий момент, данные передаются в виде избыточного кода, содержащего собственно данные и дополнительные биты (простейший пример избыточного кода — число плюс контрольная сумма, состоящая из одного бита), количество которых может достигать до четверти от длины пакета.

3G-модемы

Наиболее подходящим приспособлением для доступа в широкополосный мобильный Интернет в сети UMTS на сегодняшний день является USB-модем. Серийное производство этих устройств налажено двумя китайскими производителями: ZTE и Huawei. Операторы «Большой тройки» (МТС, «ВымпелКом», «МегаФон») активно продают эти модемы под собственными брендами по привлекательным ценам. Как правило, стоимость комплекта из модема и SIM-карты со специальным тарифным планом для передачи данных не превышает 1,2 тыс. руб. Модемы у всех операторов одни и те же, отличаются они только логотипом оператора на корпусе и графическим интерфейсом окна управляющей программы.

Все эти модемы продаются с привязкой к сети оператора, то есть, например, в модеме с надписью «Билайн» не будут работать SIM-карты МТС или «МегаФона». Это ограничение является исключительно программным и снимается без какого-либо вмешательства во внутренности модема. Достаточно вставить в 3G-модем «чужую» SIM-карту и подключить его к компьютеру, на котором запущена штатная управляющая программа. Она запросит код разблокировки, который легко получить при помощи генератора кодов, сообщив ему IMEI мобильного устройства. Утилиты для этих целей можно найти в свободном доступе в файлообменных сетях.

При покупке модема полезно знать, что некоторые модели имеют драйверы только для работы с системой Windows, другие же функционируют и под Mac OS X, и под Linux – соответствующая информация обычно указывается на коробке. 3G-модем может быть встроен и непосредственно в ноутбук – такие модели имеются у каждого производителя.

 

Общий доступ

Скорости, обеспечиваемые сетями третьего поколения, достаточны для того, чтобы одно подключение делать общим для нескольких компьютеров. Для этого надо подсоединить модем к компьютеру и настроить общий доступ к Интернету по локальной сети. Однако есть и более подходящий способ: существуют специализированные роутеры со встроенным 3G-модемом. Например, HuaweiE960 позволяет организовать общий доступ по технологии Wi-Fi (802.11 b/g). Это устройство также оснащено разъемом для подключения телефонного аппарата, благодаря чему пользователи могут совершать звонки. Это устройство поставляется только с SIM-картой, подключенной к корпоративному тарифному плану, поэтому многие пользователи мастерят подобный 3G-роутер своими руками из обычного беспроводного маршрутизатора с USB-портом. Некоторые китайские производители начали выпускать беспроводные маршрутизаторы, изначально рассчитанные на подключение USB-модемов. Большинство таких моделей поддерживают только Wi-Fi, их основные преимущества – это компактность и наличие встроенного аккумулятора, которого хватает на несколько часов автономной работы, что позволяет за несколько секунд организовать доступ в Интернет в любом месте. Стоят такие устройства сравнительно недорого – это делает их популярными в России.

В процессе стандартизации UMTS в 3GPP система была определена набором этапов – или версий. Пока определено три версии: UMTS версии 1999 года (R99 – иногда называемая версией 3/Rel – 3). UMTS версии 4 (Rel – 4) и UMTS версии 5 (Rel – 5). Версии UMTS – это три основных представителя утверждённых требований от 3GPP.

Основные черты каждой версии:

R99

Определяет универсальную наземную сеть радио доступа (UTRAN) UMTS.

К существующей сети GSM/GPRS добавляется подсистема сети радиосвязи (RNS).

Базовая сеть (CN) – это существующая сеть GSM/GPRS с некоторыми усовершенствованиями.

Rel – 4

Версия 4 вводит шлюза среды (MGW), сервер центра коммутации подвижной связи (MSC) и шлюз сигнализации (SGW). Это позволит логически разделять пользовательские данные и информацию сигнализации в MSK.

Проводятся усовершенствования UTRAN, которые включают поддержку высоких скоростей передачи данных даже в локальных областях, до 2 Мбит/с.

Rel – 5

Добавляется подсистема IP – мультимедиа (IMS).

Домашний регистр (HLR) заменяется/дополняется сервером собственных (домашних) абонентов (HSS).

Вводятся усовершенствования UTRAN, обеспечивающие эффективные услуги мультимедиа на базе IP и UMTS.

Введение lubFlex (обеспечивает контроллеры сети радиосвязи (RNG) для подключения более одного комплекта Узлов В).

Усовершенствование услуг по определению местоположения (LCS).

Универсальная IP – сеть, в конечном счёте, становится реальностью.

Версия 5 основана на протоколе IP версии 6 (IPv6).

Вышеуказанные версии находятся в замороженном состоянии. Это означает, что версии признаются, если необходима коррекция (т.е. новые функциональные возможности больше не добавляются). Планируется версия 6 и выше со следующими особенностями: они касаются областей, подобных усовершенствованиям IMS , интеграции беспроводных локальных сетей (WLANI), конвергенции Интернета (касающейся протоколов и услуг), широковещательных/многоадресных мультимедийных услуг (MBMS) и эволюции в сети только в пределах области пакетной коммутации (PS).

Данные заметки обращаются главным образом к версии 4. Однако другие версии будут упоминаться в некоторых случаях для того, чтобы выделить основные отличия от версии 4.

 

 

Рис. 3. Взаимосвязь между сетями GSM (2G), GPRS (2.5G) и UMTS (3G)

 

 

Видеотелефония

Видеотелефония на сегодняшний день остается практически единственной услугой, которая является уникальной для сетей UMTS. Сама по себе передача видеопотока возможна только потому, что голос и данные в сетях 3G могут передаваться одновременно. Между двумя абонентами устанавливается сразу два коммутируемых соединения: одно – собственно для передачи голоса, другое – для трансляции данных.

Для реализации услуги «видеозвонок» используется протокол 3G-324M. Согласно ему звук кодируется AMR, а видео – кодеком H.263. Максимальная скорость потока данных при коммутируемом соединении в сети 3G соответствует 64 кбит/с – этого вполне достаточно для передачи видео с разрешением 176х144 точки (15 кадров в секунду). Качество такого видеопотока, конечно же, далеко не идеально.

Востребованность услуги «видеозвонок»

 

Рисунок 2

Разработчики рассчитывали, что видеозвонок станет массовой и востребованной услугой, и если не догонит по популярности SMS, то хотя бы приблизится к ней. Именно поэтому европейские операторы потратили огромные деньги на лицензии UMTS и строительство сетей 3G, рассчитывая на быструю окупаемость за счет видеотелефонии. И в Европе, и в России услугой пользуются не более 3% владельцев UMTS. И даже при такой мизерной доле речь идет об использовании лишь от случая к случаю. Это и понятно: чтобы просто поговорить, пользователям придется включать громкую связь или гарнитуру, держа телефон перед собой. Заплатить за видеозвонок придется в несколько раз больше, чем за обычный голосовой вызов. Кроме того, у обоих собеседников должны быть телефоны с поддержкой видеозвонка и они оба должны находиться в зоне действия сотовой сети третьего поколения.

В реальности видеозвонок может быть полезен глухонемым людям: с его помощью они могут поговорить по телефону, используя язык жестов, а не SMS-переписку. В ряде стран Европы сегодня даже существуют специальные службы, позволяющие говорить по телефону обычному человеку и глухонемому: переводчик общается с глухонемым при помощи видеозвонка и голосом передает всю информацию слышащему человеку.

Еще одно интересное применение видеозвонков – это организация интерактивных телешоу. Дозвонившись в прямой эфир любимой передачи, абонент может не только угадать слово, но и показать себя на всю страну. Кроме того, при помощи видеозвонка можно вести прямой репортаж с места каких-либо интересных событий: каждый журналист знает, что оперативность важнее качества переданной картинки. Правда, в России такие услуги пока никто не предоставляет, и сегодня для массового абонента сеть UMTS является, по сути, «трубой» в Интернет.

Работа в Интернете через UMTS-соединение, с точки зрения конечного пользователя, не имеет принципиальных отличий от работы через обычную выделенную линию. Но следует учитывать, что многое будет зависеть от конкретной ситуации с радиопокрытием в данное время и в данном месте. Например, к базовой станции может быть одновременно подключена большая группа абонентов, которые используют телефоны (3G-модемы, ноутбуки, роутеры) для передачи данных – в таком случае скорость резко упадет, а возможно, начнутся и перебои в работе.

Во время мобильного интернет-серфинга раздражение вызывают увеличенные задержки (инженеры обычно используют англоязычный термин Ping). При использовании UMTS значение Ping будет составлять от 80 до 150 мс и выше (для проводных линий значение Ping обычно не превышает 10 мс). Однако при обычном веб-серфинге и при работе с почтой технических возможностей сети UMTS более чем достаточно для повседневного использования.

Трудности возникнут только при осуществлении видеозвонков (например, через Skype), а также при попытке выложить на сервер или отправить по электронной почте объемные файлы. В то время как просматривать видео на YouTube можно без проблем, опубликовать свой ролик будет не так легко, если, конечно, 3G-модем и оператор связи не поддерживают технологию HSUPA.

Разумеется, реальная скорость передачи данных в сотовых сетях далека от теоретически возможной, максимум, на что можно рассчитывать, – это 1–2 Мбит/с при хороших условиях приема и низкой загрузке сети. При высокой загрузке базовой станции скорость падает примерно до 500 кбит/с, кроме того, в этой ситуации может проявляться так называемый эффект дыхания соты – уменьшения зоны покрытия базовой станции при большой загрузке сети. В этом случае пользователи, находящиеся в пограничных районах, могут оказаться вне зоны действия UMTS-сети и будут переключены на GPRS/EDGE.

В обратном канале скорость без использования HSUPA не превышает 300 кбит/с, а при поддержке этой технологии оператором связи увеличивается примерно до 1 Мбит/с.

CDMA или cdmaOne, - полностью цифровой стандарт, использующий диапазон частот 824-849 МГц для приема и

874-899 МГц для передачи.

CDMA называют широкополосной системой и сигналы передаются в эфире шумоподобными. Широкополосная - потому, что занимает широкую полосу частот. Шумоподобные сигналы - потому, что когда в эфире на одной частоте, в одно и то же время работают несколько абонентов, сигналы накладываются друг на друга.

Одной из особенностей CDMA сетей является возможность "мягкого" перехода от одной Базовой станции к другой (soft handoff). При этом, возможна ситуация когда одного абонента "ведут" сразу несколько БС. Абонент просто не заметит, что его "передали" другой БС. Таким образом, исключается перерывы связи при движении. Кроме того, поддерживая связь одновременно с несколькими базовыми станциями (до 4х), выбирается наилучший сигнал. Более того, если ни один канал не обеспечивает должного качества, то сигнал строиться из «плохих» составляющих, в сумме дающий хороший результат. Типичный пример: в подземном переходе, где телефоны GSM могут терять связь, телефон CDMA, улавливая многократно отраженные сигналы, приходящие с разных направлений, может уверенно держать связь.

К третьему поколению относятся технологии CDMA EV-DO, представленные в России оператором «Скай Линк». Особенность их реализации заключается в использовании мало распространенного в мире диапазона 450 МГц, из-за этого выбор абонентского оборудования невелик, а стоимость его высока. Блокировать эти модемы для использования с другими операторами нет смысла, так как все равно в этом стандарте работает только «Скай Линк».

Скорость передачи данных в EV-DO теоретически достигает 2,4 Мбит/с в версии Rev.0 и до 3,1 Мбит/с – в версии Rev.A (в прямом канале).

В обратном канале скорость передачи достигает 153 кбит/с и 1,8 Мбит/с соответственно. У «Скай Линка» большинство базовых станций работают по стандарту Rev.0, сеть с поддержкой Rev.A частично покрывает крупные города. Большинство продаваемых модемов также поддерживает лишь устаревшую версию стандарта Rev.0, а более современная Rev.A есть только в самых дорогих моделях.

Действительная скорость передачи данных в сетях EV-DO приблизительно такая же, как и в UMTS. Здесь используются те же самые виды модуляции: QPSK, 8-PSK или 16-QAM. Различаются только технические детали – размер пакета или используемый диапазон частот. При равных неидеальных условиях приема впечатления от работы в сетях UMTS и EV-DO у рядового пользователя будут практически идентичными. Какие-то незначительные отличия можно обнаружить в нагрузке и планировании работы сети у сотовых операторов в том или ином конкретном месте.

4G сегодня

 

Рисунок 3

Перспективным стандартом, позволяющим обеспечить широкополосный доступ в Интернет, является мобильный вариант WiMAX (IEEE802.16e). Здесь используются одновременно несколько несущих частот с ортогональным разделением, каждая из которых использует те же самые схемы модуляции, что и в других технологиях: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. За счет этого достигается высокая помехоустойчивость, однако и здесь скорость и задержки сильно зависят от нагрузки сети и качества ее построения. В реальности скорость в прямом канале составляет обычно около 2 Мбит/с, в обратном – около 500 кбит/с. Лишь в некоторых зонах покрытия достигается более высокая скорость передачи данных – около 5–6 Мбит/с.

Операторами WiMAX в России являются Yota (сети в Москве, Петербурге, Уфе) и «Комстар» (только в Москве). Оборудование для сетей WiMAX имеет ограниченный ассортимент – по одной модели USB-модемов у Yota и «Комстара», кроме того, у Yota есть PCMCIA-адаптер и два вида роутеров: стационарный и портативный. Ноутбуки с модулем WiMAX теперь выпускают все ведущие производители. Плотность покрытия сетями мобильного WiMAX в России пока оставляет желать лучшего. К тому же на WiMAX заметное влияние оказывают радиопомехи, поэтому реальная скорость передачи данных может оказаться низкой, даже при близком расположении абонентского устройства к базовой станции оператора связи.

 

Рисунок 4

Перспективы развития стандарта WiMAX связаны с появлением его новой модификации – IEEE802.16m, которая в настоящее время находится в стадии разработки. В ней будет реализована скорость передачи данных около 1 Гбит/с в фиксированном режиме и до 100 Мбит/с – в мобильном, с обязательным использованием технологии MIMO (англ. Multiple Input, Multiple Output – множественный ввод/вывод) – передачи и приема данных с помощью нескольких антенн.

Wi-MAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access

Wi-Max- Worldwide Interoperability for Microwave Access, стандартизированная институтом IEEE технология широкополосной беспроводной связи, дополняющая линии DSL и кабельные технологии в качестве альтернативного решения проблемы "последней мили" на больших расстояниях. Технологию Wi-Max можно использовать для реализации широкополосных соединений "последней мили", развертывания точек беспроводного доступа, организации высокоскоростной связи между филиалами компаний и решения других подобных задач.

Эволюция Wi-Max

Предварительная версия технологии Wi-Max обеспечивала функциональность с помощью оборудования, которое не было подвергнуто стандартизированному тестированию на предмет совместимости с технологией Wi-Max. Целый ряд провайдеров услуг до сих пор используют такие предварительные аппаратные решения для реализации пилотных проектов Wi-Max во многих уголках мира. Как только тестирование совместимости этих систем с технологией Wi-Max будет выполнено, их, скорее всего, можно будет модернизировать программным образом в соответствии с требованиями окончательного стандарта Wi-Max.

В идеале беспроводная технология Wi-Max, основанная на отраслевых стандартах, разработана для организации недорогой скоростной связи для жилищ, предприятий и мобильных беспроводных сетей в городах и сельской местности. Обратите внимание на определение, в нем заранее "предусмотрено местечко" для взаимодействия магистрального Wi-Max с "локальным" Wi-Fi.

Перспективы развития Wi-Max на ближайшие годы

Нынешний Wi-Max в версии IEEE 802.16-2004 – стандарт беспроводной связи, который обеспечивает широкополосную связь на площади радиусом более 30 км с пропускной способностью, сравнимой с кабельными соединениями - до 10 Мбит/c и более. Технология Wi-Max позволяет работать в любых условиях, в том числе, в условиях плотной городской застройки, обеспечивая высокое качество связи и скорость передачи данных.

Оборудование сетей Wi-Max функционирует в нескольких частотных каналах шириной 10 МГц в пределах диапазона 2 ГГц - 11 ГГц.Разумеется, специфическое распределение частотных диапазонов разных стран диктует необходимость возможности работы Wi-Max в разных участках. Столь широкий разброс диапазонов выбран для учета специфики большинства стран мира. Так, в Северной Америке для Wi-Max используются участки в диапазонах 2,5 и 5 ГГц, в Центральной и Южной Америке - 2,5, 3,5 и 5 ГГц, на Ближнем Востоке, в Африке, Западной и Восточной Европе - 3,5 и 5 ГГц, в Азиатско-Тихоокеанском регионе - 2,3, 3,5 и 5 ГГц.

По своей сути Wi-Max представляет технологию, позволяющую обеспечить доступ в интернет со скоростью сетей класса T1, с производительностью и покрытием, гораздо большим, нежели у современных сетей Wi-Fi. В свою очередь, продолжением "магистральных веток" Wi-Max как раз и становятся локальные сети Wi-Fi, различные типы бизнес - и бытовых кабельных/DSL сетей конечных пользователей.

Обеспечивая коммуникации в радиусе 10 километров и более, точки Wi-Max создают покрытие на значительных площадях, предоставляя провайдерам услуг достаточно гибкие условия для обеспечения этой самой пресловутой "связи последней мили".

В целом базовые характеристики стандарта 802.16 предусматривают дальность действия до 50 километров, покрытие с возможностью работы вне прямой зоны видимости, в перспективе – пиковую скорость обмена данными до 70 Мбит/с на сектор одной базовой станции при том, что типовая базовая станция будет иметь до 6 секторов покрытия.

Внедрение Wi-Max нынче подразделено на три основных фазы.

Нынешняя первая фаза внедрения подразумевает внедрение и широкое распространение технологии WiMAX стандарта IEEE 802.16-2004, заменившего собой ранние версии IEEE 802.16a и 802.16d, при котором используются внешние антенны по типу "сотовой тарелочки", фактически нацеленные на потребителей в фиксированных направлениях.

Вторая фаза подразумевает использование внутренних антенн, упрощенное и более гибкое использование технологии Wi-Max для обеспечения доступа.

Третья фаза обещает широкое внедрение спецификаций IEEE 802.16e, ратификация которых ожидается в начале 2006 года, а появление первых сетей - в 2007 году. Это означает возможность работы решений с пометкой WiMAX-Certified даже в составе портативных устройств, перемещающихся по определенной "зоне покрытия" сети, по образу и подобию современных сотовых и Wi-Fi сетей.

Разработка столь сложных стандартов подразумевает сосуществование с другими беспроводными стандартами, включая сотовые сети, разработку новых поколений "умных"антенн, применение новых видов модуляции вроде OFDMA, новых типов сервисов вроде QoS, защиту данных и множество других параметров. В этом обзорном материале по Wi-Max изложение подробностей о всех тонкостях новых стандартов не предусмотрено, но на самом деле это длительный и кропотливый процесс.

Что касается возможностей стандарта Wi-Max первого поколения - IEEE 802.16-2004, в идеале каждой базовой станцией обеспечивается доступ на площади радиусом до 50 км при скорости обмена данными до 35 Мбит/с. На практике ширина и соответствующая производительность канала "нарезается" конечному пользователю провайдером услуг. Кстати упомянуть, архитектура сетей WiMAX, в идеале напоминающая соты (только с более крупной "ячейкой"), подразумевает размещение антенно-фидерных устройств на высоких зданиях, сооружениях и мачтах. Неудивительно, что развертыванием сетей Wi-Max в первую очередь заинтересовались провайдеры сотовой связи: как бы ни была сильна конкуренция между Wi-Max и сетями 3G/4G, установить и обслуживать несколько типов оборудования на одной мачте дешевле, нежели на нескольких. А уж потребитель сам определится с предпочтениями выбора той или иной сети.

 

Рис. 4. Структура системы Wi-Max

Однако большинство операторов во всем мире планируют переходить на LTE–стандарт четвертого поколения. Скорость передачи данных в таких сетях в теории достигает 326,4 Мбит/с в прямом канале (при использовании 4 приемных и 4 передающих антенн); в обратном канале доходит до 172,8 Мбит/с, а при использовании одной антенны – до 86,4 Мбит/с. Для прямого канала используются несколько несущих с ортогональным разделением, как в WiMAX, а для обратного – FDM-доступ с одной несущей без ортогонального разделения.

В качестве замены EV-DO разработан стандарт UMB (Ultra Mobile Broadband) с ортогональным разделением частот и временным разделением каналов, фазированными антенными решетками и прочими ухищрениями, позволяющими развивать скорость передачи данных до 275 Мбит/с к абоненту и до 75 Мбит/с от абонента.

Исходя из всего этого можно сделать вывод, что все перспективные стандарты беспроводной связи используют, по сути дела, одни и те же технологические решения, а значит, в будущем пользователь не будет чувствовать никакой разницы между ними. Решающим фактором станет качество(QoS) реализации того или иного стандарта.

Контрольные вопросы:

1. Основные характеристики широкополосного доступа.

2. Технологии широкополосного доступа

3. Основной недостаток технологии Wi-Fi?

4. Какой протокол используется для реализации услуги «видеозвонок»?

5. Тип кодеков звука и видео в сетях 3G и их основные характеристики.

6. Пиковые скорости для технологии HSPA сети UMTS?

7. От каких условий зависит QoS работы в Интернете через UMTS-соединение

8. В чем заключается особенность технологии MIMO?

9. Скорости передачи данных в EV-DO в версии Rev.0 и в версии Rev.A?

Лекция за 7 неделю на тему: «UMTS». Ответственные Истюфеев Н. и Малинина С.В.

1. Обзор сети UMTS

Описание базовых принципов построения мобильных сетей связи 3-го поколения на базе UMTS

Стандарт мобильной связи 3-го поколения - UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) или 3G - это большой шаг вперед в области ускорения передачи данных и обеспечения возможностей объединения речевого сигнала и данных на новом уровне, позволяющего предоставлять мультимедийные широкополосные услуги. В то же время UMTS ставит перед производителями и операторами подвижной связи большие проблемы, связанные со сложностью технической реализации и огромными затратами на инфраструктуру.

Данные материалы компании NetTest представляют собой характеристику новейших технологий. В тоже время они могут использоваться в качестве краткого справочного руководства по многим сложным вопросам, касающимся UMTS.

В главах 1 - 3 рассматривается технология UMTS и подробно описывается структура сетевых интерфейсов и протоколов, а также функциональные возможности сети и процедуры сигнализации.

В главах 4 и 5 рассматриваются ключевые аспекты UMTS: обеспечение секретности и качество обслуживания.

В главе 6 кратко изложены предложения компании NetTest по контролю и оптимизации сети UMTS, призванные помочь клиентам почувствовать себя увереннее в условиях жесткой конкуренции, позволяя операторам подвижной связи решать вопросы диагностирования неисправностей и оптимизации эксплуатационных характеристик сети.

1.1 Введение

Связь всегда имела большое значение для человечества. Когда встречаются два человека, для общения им достаточно голоса, но при увеличении расстояния между ними возникает потребность в специальных инструментах. Когда в 1876 году Александр Грэхем Белл изобрел телефон, был сделан значительный шаг, позволивший общаться двум людям, однако для этого им необходимо было находиться рядом со стационарно установленным телефонным аппаратом! Более ста лет проводные линии были единственной возможностью организации телефонной связи для большинства людей. Системы радиосвязи, не зависящие от проводов для организации доступа к сети, были разработаны для специальных целей (например, армия, полиция, морской флот и замкнутые сети автомобильной радиосвязи), и, в конце концов, появились системы, позволившие людям общаться по телефону, используя радиосвязь. Эти системы предназначались главным образом для людей, ездивших на машинах, и стали известны как телефонные системы подвижной связи.

В начале 1980-х годов во многих Европейских странах начался быстрый рост телефонных систем подвижной связи первого поколения (1G), основанных на аналоговой технологии. В каждой стране была разработана собственная система, несовместимая с остальными с точки зрения оборудования и функционирования. Это привело к тому, что возникла необходимость в создании общей европейской системы подвижной связи с высокой пропускной способностью и зоной покрытия всей европейской территории. Последнее означало, что одни и те же мобильные телефоны могли использоваться во всех Европейских странах, и что входящие вызовы должны были автоматически направляться в мобильный телефон независимо от местонахождения пользователя (автоматический роуминг). Кроме того, ожидалось, что единый Европейский рынок с общими стандартами приведет к удешевлению пользовательского оборудования и сетевых элементов независимо от производителя. И, наконец, использование современной цифровой технологии должно было привести к уменьшению габаритов портативных устройств и улучшению функциональных возможностей и качества.

В 1982 году CEPT (Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств) сформировала рабочую группу, названную специальной группой по подвижной связи (GSM) для изучения и разработки пан-Европейской наземной системы подвижной связи общего применения - второе поколение систем сотовой телефонии (2G). Название рабочей группы GSM также стало использоваться в качестве названия системы подвижной связи. В 1989 году обязанности CEPT были переданы в ETSI (Европейский институт стандартов в телекоммуникации). Первоначально GSM предназначалась только для стран-членов ETSI. Однако многие другие страны также имеют реализованную систему GSM, например, Восточная Европа, Средний Восток, Азия, Африка, Тихоокеанский регион и Северная Америка (с производной от GSM, названной PCS1900). Название GSM теперь означает "глобальная система для подвижной связи", что соответствует ее сущности.

Эволюция мобильной телефонии

1G	2G	3G
Аналоговая телефония Мобильность Базовые услуги Несовместимость	Цифровая телефония и передача сообщений Мобильность и роуминг Поддержка передачи данных Дополнительные услуги Полуглобальное решение	Широкополосная передача данных и передача речи по протоколу IP (VoIP) Мобильность и роуминг Сервисная концепция и модели Глобальное решение
c 1980	c 1990	c 2000

Начав с десятка, системы GSM имели колоссальный успех и были широко развернуты в большинстве частей мира. Эта система хорошо подходит для организации телефонной связи, а также широко используется для передачи информации службой коротких сообщений (SMS). Система GSM также предоставляет услуги передачи данных с коммутацией каналов, поскольку интегрированный беспроводный доступ к услугам телефонии и передачи данных был одной из целей этой системы. Однако предлагаемая скорость доступа (максимум 9600 бод) ограничила возможности использования системы GSM для передачи данных. ETSI определил несколько решений для усовершенствования системы подвижной связи для передачи данных, часто называемых 2.5G. Это было сделано для того, чтобы показать движение вперед по сравнению с GSM, но эти системы еще достаточно тесно связаны с GSM: HSCSD (высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов), GPRS (общие услуги пакетной радиосвязи) и EDGE (передача данных с увеличенной скоростью для эволюции глобальной системы/GSM).

Система HSCSD является простейшей модернизацией системы GSM, предназначенной для передачи данных. Как и GSM, эта система базируется на соединениях с коммутацией каналов, но лучшее использование доступной полосы пропускания и назначение более одного временного интервала на соединение позволяет повысить скорость передачи данных - теоретически до 57.6 кбит/с. Однако метод коммутации каналов системы HSCSD является неэффективным при передаче данных, т.к. трафик данных ориентирован на пакетную передачу.

Система GPRS разработана как система пакетной передачи данных с теоретической максимальной скоростью передачи порядка 170 кбит/с. GPRS сосуществует с сетью GSM, повторно используя базовую структуру сети доступа. Система GPRS является расширением сетей GSM с предоставлением услуг передачи данных на существующей инфраструктуре, в то время как базовая сеть расширяется за счет наложения новых компонентов и интерфейсов, предназначенных для пакетной передачи. Система GPRS поддерживает комбинированные услуги телефонии и передачи данных и предоставляет услуги мультимедиа.

Система EDGE является модернизацией системы GSM/GPRS, использующей новый метод модуляции для радио интерфейса, который позволяет значительно увеличить скорость передачи на радио интерфейсе. Система EDGE увеличит теоретическую максимальную скорость передачи данных до 384 кбит/с.

Рис. 1 Взаимосвязь между сетями GSM (2G), GPRS (2.5G) и UMTS (3G)

Универсальная система подвижной связи (UMTS) является сотовой телефонной системой третьего поколения (3G), предназначенной не только для улучшения и ускорения подвижной связи. Система UMTS также обеспечивает новый способ предоставления комбинации услуг телефонии и передачи данных, например, способствуя внедрению мультимедийных и сквозных широкополосных услуг. В итоге UMTS будет означать следующее для операторов и их клиентов:

UMTS для потребителей:

• Радио доступ по всему миру с помощью одного миниатюрного телефона
• Широкий набор мультимедийных услуг с соответствующими уровнями качества
• Стандарты подвижной связи третьего поколения позволят пользователям на полную мощность использовать возможности Интернета за счет эффективной высокоскоростной передачи радиосигнала, оптимизированной для мультимедиа
• UMTS превратит мечту о всеобъемлющей связи в реальность

UMTS для операторов:

• Унификация разнообразных систем беспроводного доступа, существующих в настоящее время, в гибкую инфраструктуру радиосвязи
• Эволюция из ранних "существующих" систем, гарантирующая глобальную экономию при наращивании и поставке, в то же время обеспечивая:
• Широкие возможности для дифференциации продукции и услуг
• Выбор методов радио доступа и базовых сетей для гибкой реализации и развития систем, основанных на требованиях регулирования, рынка или бизнеса для каждого региона или страны

Что касается операторов, то существует огромная разница в капиталовложениях, требующихся для обеспечения системы 2.5G (GPRS) по сравнению с системой 3G. Для реализации системы 2.5G требуются незначительные вложения для модификации сети радио доступа и дополнительного оборудования (для базовой сети с коммутацией пакетов), устанавливаемого поверх существующих сетей GSM, тогда как для систем UMTS требуются очень большие капиталовложения, так как основная часть сеть должна быть создана с самого начала. Для системы EDGE также требуются гигантские вложения, поскольку необходимо создать новую сеть радио доступа.

Для существующих операторов GSM технологии 2.5G привлекательнее, так как они могут быть реализованы на базе тех лицензий, которыми операторы уже обладают, тогда как для UMTS требуются новые лицензии (и в нескольких областях). Для пользователей система GPRS станет важных шагом по направлению к новым услугам, тогда как UMTS служит главным образом для расширения этих услуг. Поэтому успех GPRS и предлагаемых ею услуг станет важным показателем того, какие услуги приведут к успеху будущие сети UMTS 3G.

1.2 Стандартизация

Одной из движущих сил для UMTS является требование создания действительно универсальной системы. Вот почему работа по стандартизации была выделена из ETSI в новую организацию "Проект сотрудничества по созданию системы третьего поколения" (3GPP) с участием региональных и национальных организаций по стандартизации. Соображения о состоянии рынка обрабатываются дополнительной компанией - "Участники-представители рынка" (MRP).

Рис. 2 Организации, входящие в 3GPP

Организация 3GPP создает общий стандарт, основываясь на данных, получаемых от организаций-участниц. Группа по гармонизации операторов (OHG) была основана для того, чтобы находить вынужденные компромиссы в случае, когда организации в 3GPP не способны прийти к соглашению. Помимо этих организаций существует организация "Проект сотрудничества по созданию системы третьего поколения номер 2" (3GPP-2), которая гарантирует принятие в расчет систем, основанных на североамериканской технологии радиосвязи IS-95.

Хотя система UMTS базируется на существующих сетях GSM/GPRS, она добавляет некоторые новые компоненты и интерфейсы к базовой сети. Сеть радио доступа совершенно новая, основанная на новой технологии WCDMA (широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов), предоставляющей лучшее использование спектральной полосы по сравнению с сегодняшней технологией GSM. Это позволяет обеспечивать более высокие скорости передачи данных, большую пропускную способность, а, следовательно, и обслуживать большее количество абонентов. В конечном счете, UMTS приведет к полной перестройке базовой сети GSM/GPRS/UMTS, так как будет создана универсальная IP-технология.

1.3 Версии UMTS

В процессе стандартизации UMTS в 3GPP система была определена набором этапов - или версий. Пока определено три версии: UMTS версии 1999 года (R99 - иногда называемая версией 3/Rel-3), UMTS версии 4 (Rel-4) и UMTS версии 5 (Rel-5). На рисунке в разделе 1.5, представляющем архитектуру сети, показано влияние версий на сеть. Версии UMTS - это три основных представителя утвержденных требований от 3GPP.

Основные черты каждой версии:

R99

• Определяет универсальную наземную сеть радио доступа (UTRAN) UMTS
• К существующей сети GSM/GPRS добавляется подсистема сети радиосвязи (RNS)
• Базовая сеть (CN) - это существующая сеть GSM/GPRS с некоторыми усовершенствованиями

Rel-4

• Версия 4 вводит шлюза среды (MGW), сервер центра коммутации подвижной связи (MSC) и шлюз сигнализации (SGW). Это позволит логически разделять пользовательские данные и информацию сигнализации в MSC
• Проводятся усовершенствования UTRAN, которые включают поддержку высоких скоростей передачи данных даже в локальных областях, до 2 Мбит/с

Rel-5

• Добавляется подсистема IP-мультимедиа (IMS)
• Домашний регистр (HLR) заменяется/дополняется сервером собственных ("домашних") абонентов (HSS)
• Вводятся усовершенствования UTRAN, обеспечивающие эффективные услуги мультимедиа на базе IP в UMTS
• Введение IubFlex (обеспечивает контроллеры сети радиосвязи (RNC) для подключения более одного комплекта Узлов B)
• Усовершенствование услуг по определению местоположения (LCS)
• Универсальная IP-сеть, в конечном счете, становится реальностью
• Версия 5 основана на протоколе IP версии 6 (IPv6)

Вышеуказанные версии находятся в "замороженном" состоянии. Это означает, что версии признаются, если необходима коррекция (т.е. новые функциональные возможности больше не добавляются). Планируется версия 6 и выше со следующими особенностями: они касаются областей, подобных усовершенствованиям IMS, интеграции беспроводных локальных сетей (WLANI), конвергенции Интернета (касающейся протоколов и услуг), широковещательных/многоадресных мультимедийных услуг (MBMS) и эволюции в сети только в пределах области пакетной коммутации (PS).

Данные заметки обращаются главным образом к версии 4. Однако другие версии будут упоминаться в некоторых случаях для того, чтобы выделить основные отличия от версии 4.

1.4 Услуги, предоставляемые в сети UMTS

Поскольку сеть UMTS развивается, будет предоставляться все больше и больше услуг. Сеть подвижной связи UMTS версии 5 будет предоставлять услуги, подобные тем, которые известны сегодня из Интернета, например, потоковое видео, передачи речи по протоколу IP (VoIP), видеоконференция и интерактивные службы. Часть сети, осуществляющая коммутацию каналов, будет заменена технологией пакетной передачи (очень напоминающей IP) для поддержания более высоких скоростей передачи данных и повышения гибкости сети. Часть сети, осуществляющая коммутацию пакетов, останется без изменения, но будет добавлен новый пакетный домен: подсистема IP-мультимедиа (IMS).

1.4.1 Общие услуги

Базовые услуги, предоставляемые UMTS, подобны услугам, известным из GSM и ISDN (цифровая сеть с интеграцией служб). Используя определения из МСЭ-Т, услуги можно разделить на службы переноса, телеслужбы и дополнительные услуги. Основной базовой услугой, предоставляемой UMTS, является телефония. Подобно другим передаваемым данным, выполняется цифровое кодирование речи, которая затем передается по сети в виде цифрового потока. Предлагается множество услуг передачи данных, реализованных как передача данных с коммутацией пакетов. Также будет доступна служба коротких сообщений (SMS), вводимая совместно с GSM. Дополнительные услуги предоставляются поверх телеслужб, например:

· Переадресация/исключение/установка вызова на ожидание/удержание · Служба трехсторонней связи · Информация об оплате · Идентификация вызывающего абонента · Группы закрытых пользователей

1.4.2 Качество обслуживания

Одно из достижений сетей 2.5G и 3G - обеспечение более качественной передачи данных. Для достижения этого и в GPRS, и в UMTS введена концепция качества обслуживания (QoS) как интегрированная часть системы. Наличие эффективного механизма QoS "на местах" позволит операторам подвижной связи экономично предоставлять высококачественные, дифференцированные приложения и услуги на базе IP. Вопрос QoS подробно обсуждается в главе 5.

1.4.3 Возможности UMTS в предоставлении услуг

Способ организации UMTS предполагает отделение, насколько это возможно, части сети, выполняющей фактические соединения, от части, обеспечивающей предоставление услуг. Это способствует большей открытости и повышению потенциала в условиях рынка, обеспечивает концепцию раздельных поставщиков (провайдеров) информации, услуг и телекоммуникационных компаний. Некоторые из этих услуг приводятся ниже.

1.4.3.1 Услуги, основанные на местоположении

Географическое положение оборудования пользователя (UE) может быть определено путем измерения уровня радиосигналов. Функции позиционирования для оптимизации эксплуатационных характеристик системы радиосвязи могут использоваться внутри сети UTRAN, дополнительными сетевыми услугами, самим UE или на всем протяжении сети и услугами "третьей стороны". К типичным коммерческим услугам относятся следующие услуги:

• Информация о движении городского транспорта
• Управление парком автотранспорта
• "Следуй за мной"
• "Ближайшая услуга"
• Услуги экстренных вызовов

Планировщики сети UMTS также могут использовать эту информацию.

Услуги, основанные на местоположении, могут быть реализованы в сетях GSM/GPRS на базе передачи информации сигнализации между сетью и подвижной станцией (MS является эквивалентом UE в сетях GSM/GPRS).

1.4.3.2 Услуга WAP

Протокол прикладного уровня для радиосвязи (WAP) - является протоколом доступа к Интернету, оптимизированным для мобильной телефонии. Он обеспечивает пользователю подвижной связи доступ к информации и услугам Интернета в любом месте и в любое время, например, электронная почта, расписание полетов и др. Услуга WAP предоставляет пользователю web-браузер, который использует язык маркировки радиосвязи (WML) вместо гипер-текстового языка маркировки (HTML), обычно применяемого в Интернете. Язык WML разработан для использования с мобильными терминалами. Шлюзы в системе заботятся о преобразовании между форматом WAP и обычным форматом Интернета.

1.4.3.3 Служба обмена мультимедийными сообщениями (MMS)

Служба обмена мультимедийными сообщениями (MMS) используется для доставки мультимедийных сообщений в UE из любого другого UE, из стационарного пункта в Интернете или от поставщика дополнительных услуг (VAS). Дополнительными услугами могут быть новости, прогнозы погоды, информация с фондовой биржи и др. Кроме текста мультимедийные сообщения могут содержать все типы мультимедиа, например, речь, видео, аудио и статические изображения.

1.4.3.4 CAMEL

Расширенная логика специализированных приложений для сетей подвижной связи (CAMEL) является общей платформой для множества услуг для потребителей. Она обеспечивает сеть UMTS функциями интеллектуальной сети (IN) подобными следующим:

• Предоплата
• Фильтрация вызовов
• Наблюдение (контроль)

CAMEL предоставляет информацию, необходимую для осуществления обмена между сетями (функции IN обычно являются специфическими сетевыми функциями). Традиционные решения IN создают услуги на базе коммутации каналов. CAMEL будет делать тоже самое, а также осуществлять взаимодействие с соединениями на базе пакетной коммутации.

 

Контрольные вопросы:

1. Описание базовых принципов построения мобильных сетей связи 3-го поколения на базе UMTS

2. Версии UMTS

3. Услуги, предоставляемые в сети UMTS

 

Лекция за 8 неделю на тему: «Описание базовых принципов построения мобильных сетей связи 3-го поколения на базе UMTS». Ответственный Пакаев И. И.