GPRS, EDGE, UMTS, LTE и 4G — в чем разница? – Электромотоциклы и электроскутеры Skaut

C / i расчеты и ‘q’

Значение «q» также зависит от C / I. «C» – это мощность принимаемой несущей от желаемого передатчика, а «I» – помехи в совмещенном канале, полученные от всех мешающих ячеек. Для схемы повторного использования из семи ячеек количество ячеек, создающих помехи в канале, должно быть шесть.

I = m2b∑Mz1I m

Потеря сигнала пропорциональна (расстоянию) –r

R – постоянная распространения.

c α Rr

R = радиус ячейки.

I α 6 Dr

D = расстояние между каналами

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

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

Q = [6 × C / I] 1 / r

На основании приемлемого качества голоса значение C / I оказалось равным 18 дБ.

Предполагая,

• Шаблон повторного использования из семи ячеек
• Всенаправленные антенны

Значение ‘q’ обычно может быть около 4.6.

Значение r принимается за 3.

Это идеальное условие, учитывая, что расстояние мобильных блоков от мешающих ячеек во всех случаях равно равно «D». Но практически подвижные ходы и расстояние «D» сокращаются до «D-R», когда он достигает границы ячейки, а C / I падает до 14,47 дБ.

Следовательно, схема повторного использования ‘freq’, равная 7, не соответствует критериям C / I для всенаправленных антенн.

Если N = 9 (или) 12,

N = 9q = 5,2C / I = 19,78 дБ

N = 12q = 6,0C / I = 22,54 дБ

Следовательно, схема с 9 или 12 ячейками должна быть со всенаправленными антеннами, но пропускная способность трафика снижается. Следовательно, они не являются предпочтительными.

Чтобы использовать N = 7 (или ниже), направленные антенны используются в каждой ячейке ячейки. Ячейка с 3 секторами очень популярна и будет выглядеть так, как показано на рисунке ниже.

Феномен антенной шрифта и обратной связи уменьшает количество потенциальных источников помех.

Например, если N = 7.

В случае всенаправленных антенн число мешающих ячеек должно быть шесть. С направленными антеннами и 3 секторами то же самое уменьшается до двух. Для N = 7 и трех секторов C / I улучшается с 14,47 дБ до 24,5 дБ даже в худших условиях.

Для городских приложений N = 4 и используется трехсекторная сота, так что получается большее количество несущих на соту, чем N = 7. Кроме того, C / I становится 20 дБ в худших случаях.

DAMPS использует 7/21 шаблон ячейки

GSM использует шаблон ячеек 4/21

Umts – сеть радиодоступа

Более общий термин «развитая сеть радиодоступа» (eRAN) также может использоваться как часть протоколов сигнализации, так как может использоваться термин «уровень доступа» (AS). Сравнение показывает, что E-UTRAN состоит из одного типа узлов, а именно развитого узла B (eNodeB), и разнообразие соединений сведено к минимуму. eNodeB является базовой радиостанцией и передает / принимает через свою антенну в области (соте), ограниченной физическими факторами (уровень сигнала, условия помех и условия распространения радиоволн).

Указатель на ссылку ЕС (которая включает в себя интерфейс линии радиосвязи и границы стека протоколов мобильной сети) называется “LTE-U u”, чтобы указывать, что он отличается от унаследованного дублирующего соединения EU X2 соседних eNodeB. Они могут рассматриваться для большей части E-UTRAN и используются в большинстве случаев хэндоверов между радиоячейками.

Когда UE перемещается, 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, что X2 не настроен для eNodeB между двумя соседями.

Более подробно, функции, выполняемые eNodeB:

• Управление радиоресурсами: управление радиоканалом, управление радиоприемом, мобильность управления соединением, динамическое распределение ресурсов (т. Е. Планирование) для UES в качестве восходящей линии связи и нисходящей линии связи.

• Сжатие заголовка IP и шифрование потока пользовательских данных.

• Пересылка пакетов данных пользовательской плоскости в EPC (особенно, к услуге 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 (происхождение MME или O & M).

• Конфигурация измерений обеспечивает доставку и отчетность о степени мобильности и программирования.

Управление радиоресурсами: управление радиоканалом, управление радиоприемом, мобильность управления соединением, динамическое распределение ресурсов (т. Е. Планирование) для UES в качестве восходящей линии связи и нисходящей линии связи.

Сжатие заголовка IP и шифрование потока пользовательских данных.

Пересылка пакетов данных пользовательской плоскости в EPC (особенно, к услуге узла GW).

Планирование и доставка пейджинговых сообщений (по запросу MS).

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

Конфигурация измерений обеспечивает доставку и отчетность о степени мобильности и программирования.

Абонент umts к 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 (соединение RRC). Во время установления соединения мобильная станция отправляет свои возможности безопасности на базовую станцию. Функции безопасности включают в себя поддерживаемые алгоритмы целостности и шифрования UMTS и, возможно, возможности шифрования GSM.

• Мобильная станция отправляет свой временный идентификатор TMSI в сеть.

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

• Посещенная сеть запрашивает аутентификацию домашней сети данных мобильной станции.

• Домашняя сеть возвращает случайный вызов RAND, соответствующий токен аутентификации AUTN, аутентификация

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

• Посещенная сеть отправляет запрос аутентификации RAND и токен аутентификации AUTN на мобильную станцию.

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

• 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 безопасности разрешено использовать радиоподсистеме.

• Посещенная сеть отправляет алгоритмы, принятые в радиоподсистему.

• Сеть радиодоступа решает разрешить использовать алгоритмы.

• Сеть радиодоступа информирует мобильную станцию ​​об их выборе в командном сообщении режима безопасности.

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

• Это сообщение защищено целостностью с помощью ключа целостности IK.

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

Мобильная станция и базовая станция устанавливают соединение управления радиоресурсами (соединение RRC). Во время установления соединения мобильная станция отправляет свои возможности безопасности на базовую станцию. Функции безопасности включают в себя поддерживаемые алгоритмы целостности и шифрования UMTS и, возможно, возможности шифрования GSM.

Мобильная станция отправляет свой временный идентификатор TMSI в сеть.

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

Посещенная сеть запрашивает аутентификацию домашней сети данных мобильной станции.

Домашняя сеть возвращает случайный вызов RAND, соответствующий токен аутентификации AUTN, аутентификация

Ответ XRES, ключ целостности IK и ключ шифрования CK.

Посещенная сеть отправляет запрос аутентификации RAND и токен аутентификации AUTN на мобильную станцию.

Мобильная станция проверяет AUTN и вычисляет ответ аутентификации. Если AUTN исправлено.

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 безопасности разрешено использовать радиоподсистеме.

Посещенная сеть отправляет алгоритмы, принятые в радиоподсистему.

Сеть радиодоступа решает разрешить использовать алгоритмы.

Сеть радиодоступа информирует мобильную станцию ​​об их выборе в командном сообщении режима безопасности.

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

Это сообщение защищено целостностью с помощью ключа целостности IK.

Мобильная станция подтверждает защиту целостности и проверяет точность функций безопасности.

Сети мобильной связи третьего поколения 3g

Сети 3G (third generation) — это третье поколение сетей мобильной связи, разработанное на базе технологии пакетной передачи данных [1]. Их появление было вызвано необходимостью удовлетворить возрастающий мировой спрос на высокоскоростные технологии. Современные сети 3G используются в следующих областях:

• интерактивный обмен мультимедийными данными;
• видеотелефонная связь;
• передача изображений и больших объемов информации;
• асимметричная передача мультимедийных данных;
• работа с Интернетом и интрасетями.

Рис. 1 иллюстрирует эволюцию двух основных ветвей мобильной связи. Одна из них соответствует технологии CDMA One/CDMA2000. Эти сети в России представляет SkyLink. Их следующее поколение известно как технология EV-DO (Evolution-Data Optimized). В М2М-приложениях наибольшие перспективы сети третьего поколения будут иметь в охранных сигнализациях с передачей видеоизображения, в беспроводных АСКУЭ, в системах контроля движения транспорта, в сложном медицинском диагностическом оборудовании и других областях, где скорость передачи имеет решающее значение.

Сети, поддерживающие GSM, развиваются по направлению GSM/GPRS/EDGE/WCDMA/ HSPA/HSPA . Про технологии GSM, GPRS, EDGE написано много и достаточно подробно. Поэтому перейдем сразу к технологии WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access).

Стандартизацией сетей 3G в настоящее время занимается Международный Союз Электросвязи (International Telecommunications Union, ITU). С этой целью была разработана группа стандартов, объединенных общим названием International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000).

В процессе разработки этих стандартов в рамках ITU были сформированы два независимых объединения, получившие названия 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и 3GPP2. В первое объединение входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет T1 (США), а также три региональных органа стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона — CWTS (Китай), TTA (Корея)

и TTC (Япония). В 3GPP2 — ассоциация TIA (представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.3) и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, TTA и TTC. Не углубляясь в особенности работы каждой из групп, отметим, что 3GPP разрабатывает стандарты для нижней ветви направлений развития, показанных на рис. 1 (WCDMA)

В семейство IMT-2000 входят пять стандартов 3G. Более подробно о них можно прочитать в [3]. Необходимо особо подчеркнуть, что спецификации 3GGP UMTS, так же как и другие международные стандарты, определяют центральную базовую частоту и рекомендуют наилучший вариант полосы.

Конкретные частоты под определенные стандарты выделяются непосредственно в каждой стране контролирующими организациями в соответствии с загруженностью всего частотного диапазона. На рис. 2 приведены рекомендованные диапазоны частот для различных регионов мира [5].

На заседании ГКРЧ при Министерстве информационных технологий и связи РФ, состоявшемся 23.10.2006 (протокол 06-17), для создания сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта IMT-2000/UMTS (IMT-DS и IMT-TC) в Российской Федерации выделены следующие частоты:

• 1935-1980 МГц;
• 2022-2025 МГц;
• 2125-2170 МГц.

При этом минимально необходимый радиочастотный спектр для функционирования сети подвижной радиотелефонной связи стандарта IMT-2000/UMTS составляет два непрерывных участка по 15 МГц в полосах радиочастот 1935-1980 МГц и 2125-2170 МГц для организации трех каналов в режиме частотного дуплекса (IMT-DS) и непрерывный участок (5 МГц) в полосе радиочастот 2022-2025 МГц для организации одного канала в режиме временного дуплекса (IMT-TC) [6].

В конце 2022 г. ГКРЧ принял решение о выделении дополнительных частот для сетей стандарта IMT-2000/UMTS на территории Москвы и Московской области [7]:

• 890-915 МГц;
• 935-960 МГц;
• 1710-1785 МГц;
• 1805-1880 МГц.

Таким образом, в России (по крайней мере, в Москве) созданы все условия для развертывания сетей 3G, 3,5G, 4G. Следует, однако, обратить внимание на то, что возможность развертывания сети UMTS в частотном диапазоне 900/1800 МГц в РФ разрешена при наличии у сотового оператора парных полос частот 2×4,6 МГц.

В таблицах 1 и 2 приведены основные технические характеристики разрешенного для использования на территории РФ оборудования, предназначенного для сетей стандарта IMT-2000/UMTS.

В проектах, разрабатываемых объединением 3GPP, задействовано два базовых радиоинтерфейса [1]:

• IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) — прямое расширение спектра (DS-CDMA) и частотный, с дуплексным разносом (FDD);
• IMT-TC (IMT-2000 Time-Code) — кодово-временное разделение каналов TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD).

Стандарт IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) базируется на протоколах WCDMA (UTRA FDD) и предназначен для использования в парных полосах частот. В технологии WCDMA используется широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов. В базовом варианте используются две широкие полосы радиочастот по 5 МГц.

Идея кодового разделения каналов при передаче «вниз» от базовой станции (БС) к абонентской станции (АС) сводится к следующему. На стороне базовой станции каждому из множества информационных потоков, предназначенных для некоторого числа абонентов, присваивается своя уникальная кодовая псевдослучайная последовательность.

При этом бинарные информационные потоки модулируются своей собственной псевдослучайной последовательностью. Несущая частота модулируется сложным результирующим широкополосным сигналом. Канальные широкополосные сигналы складываются в суммирующем устройстве. Подготовленный таким образом пакет данных передается в эфир.

Абонентская станция знает кодовую последовательность, предназначенную только для нее. Принятый сигнал преобразуется из высокочастотного в низкочастотный и поступает на вход коррелятора. На другой вход коррелятора синхронно поступает кодирующая псевдослучайная последовательность.

Полезный сигнал на выходе коррелятора возникает только в том случае, когда в сложном сигнале присутствует заранее заданная псевдослучайная последовательность. В стандартах IMT-2000 для систем 3G использованы методы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex).

Разделение каналов по времени подразумевает передачу каждого бинарного потока строго в своем временном окне. Временное разнесение прямого и обратного каналов связи в ряде случаев имеет множество преимуществ над частотным. Совместное использование этих двух методик позволяет изменять пропускную способность и способы организации связи.

Достигается это за счет того, что парные полосы частот выделяются для систем с частотным дуплексным разносом (FDD), а непарные — для систем с временным дуплексным разносом (TDD). При больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов метод FDD более эффективен. Вариант TDD предназначен для случаев, когда абонент передвигается с невысокой скоростью [3].

В стандартах мобильной связи 3G термин UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) означает название радиоинтерфейса наземного доступа в систему UMTS. Поскольку существуют раздельные стандарты для оборудования наземного, морского и космического базирования, то термин Terrestrial подчеркивает категорию размещения именно на суше.

Отмеченный выше радиоинтерфейс TDMA/ CDMA предназначен для организации связи в непарных полосах частот и представляет собой удачное сочетание двух различных технических решений — европейского предложения UTRA TDD и китайского TD-SCDMA.

Этот вариант используется также в тех странах, которые ориентируются в качестве опорной на технологию GSM. Отметим, что на сегодня в наиболее популярных версиях мобильных телефонов используется стандарт WCDMA (IMT Direct Spread). Стандарт DECT EP (ETSI) объединяет две технологии — широкополосный доступ WCDMA и комбинированный доступ TDMA/CDMA.

Сценарий обновления местоположения

В следующем сценарии обновления местоположения предполагается, что MS входит в новую область местоположения, которая находится под контролем другого VLR (называемого «новым VLR»), чем та, где MS в настоящее время зарегистрирована (упоминается как “старый VLR”). На следующей диаграмме показаны шаги сценария обновления мобильного местоположения.

MS входит в новую область ячейки, прослушивает идентификатор области местоположения (LAI), передаваемый по широковещательному каналу (BCCH), и сравнивает этот LAI с последним LAI (сохраненным в SIM), представляющим последнюю область, где было зарегистрировано мобильное устройство. ,

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

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

• MS передает сообщение запроса обновления местоположения в BSS по SDCCH. В это сообщение включены идентификатор временного мобильного абонента MS (TMSI) и старый абонент области расположения (старый LAI). MS может идентифицировать себя либо со своим IMSI, либо с TMSI. В этом примере мы будем предполагать, что мобильный телефон предоставил TMSI. BSS пересылает сообщение запроса на обновление местоположения в MSC.

• VLR анализирует LAI, предоставленный в сообщении, и определяет, что полученный TMSI связан с другим VLR (старым VLR). Чтобы приступить к регистрации, необходимо определить IMSI MS. Новый VLR получает идентификатор старого VLR, используя полученный LAI, предоставленный в сообщении запроса на обновление местоположения. Он также просит старый VLR предоставить IMSI для конкретного TMSI.

• Сценарий обновления-обновления HLR / VLR – это точка, в которой мы готовы сообщить HLR о том, что MS находится под контролем нового VLR и что MS может быть отменена из старого VLR. Этапы обновления фазы HLR / VLR:

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

  • HLR запрашивает старый VLR удалить запись подписчика, связанную с данным IMSI. Запрос подтвержден.

  • HLR обновляет новый VLR с данными абонента (профиль клиента абонентов мобильной связи).

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

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

MS передает сообщение запроса обновления местоположения в BSS по SDCCH. В это сообщение включены идентификатор временного мобильного абонента MS (TMSI) и старый абонент области расположения (старый LAI). MS может идентифицировать себя либо со своим IMSI, либо с TMSI.

VLR анализирует LAI, предоставленный в сообщении, и определяет, что полученный TMSI связан с другим VLR (старым VLR). Чтобы приступить к регистрации, необходимо определить IMSI MS. Новый VLR получает идентификатор старого VLR, используя полученный LAI, предоставленный в сообщении запроса на обновление местоположения. Он также просит старый VLR предоставить IMSI для конкретного TMSI.

Сценарий обновления-обновления HLR / VLR – это точка, в которой мы готовы сообщить HLR о том, что MS находится под контролем нового VLR и что MS может быть отменена из старого VLR. Этапы обновления фазы HLR / VLR:

Новый VLR отправляет сообщение в HLR, информируя его о том, что данный IMSI изменил местоположения и может быть достигнуто путем маршрутизации всех входящих вызовов на адрес VLR, включенный в сообщение.

HLR запрашивает старый VLR удалить запись подписчика, связанную с данным IMSI. Запрос подтвержден.

HLR обновляет новый VLR с данными абонента (профиль клиента абонентов мобильной связи).

Технология сетей мобильной связи umts

Европейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) специально для Европы была разработана технология UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) — «универсальная мобильная телекоммуникационная система» [3-4].

Практически UMTS является европейской версией концепции IMT-2000. Технология WCDMA здесь применятся в качестве радиоинтерфейса. Необходимо подчеркнуть, что UMTS и WCDMA — это два различных понятия, хотя в настоящее время их употребляют в качестве синонимов.

Технологию UMTS часто рассматривают, как переходный вариант между существующими 2G и разрабатываемыми 3G-4G-технологиями. Иными словами, UMTS позволяет осуществить более мягкий переход на следующий этап развития сетей мобильной связи без заметного изменения существующего оборудования.

В этой технологии в качестве базовой магистральной сети используется GSM MAP, а в качестве сетей радиодоступа применяются комбинированные сети GSM/EDGE и WCDMA. Сети WCDMA надстраиваются над существующими сетями GSM, при этом они работают параллельно.

UMTS объединяет в себе две различные методики передачи радиосигнала: GSM’s Mobile Application Part и GSM family of speech codecs. Для наземных передающих устройств, использующих UMTS, регламентируется несколько интерфейсов UTRA. Спецификация 3GPP Release 4 ввела в стандарт шлюзы среды, сервер центра коммутации подвижной связи (MSC) и шлюз сигнализации (SGW MGW).

Это позволило логически разделить пользовательские данные и информацию сигнализации в MSC. Кроме того, в этой спецификации подробно описан универсальный базовый блок радиодоступа к сети UMTS (UTRAN). Также реализована поддержка высоких скоростей передачи данных вплоть до 2 Мбит/с. В настоящее время существует одиннадцать спецификаций 3GPP. Особенности каждой из них будут отмечены далее.

Структурные схемы блоков UMTS и UTRAN показаны на рис. 3 и 4 [5]. Использованы следующие обозначения:

UTRAN объединяет базовую станцию и радиоконтроллер сети и отвечает за функционирование всех радиочастотных каналов и модулей в UMTS. Сетевой контроллер RNC обеспечивает функциональность одной или нескольких базовых станции и может быть смонтирован непосредственно в оборудовании БС.

Несмотря на то, что в данном варианте реального физического интерфейса фактически нет, для удобства стандартизации вводится понятие логического интерфейса между базовой станцией и контроллером, обозначаемое Iub. Стандарты не прописывают подробно особенности самих блоков сети, но при этом регламентируются логические и физические интерфейсы между элементами.

Совокупность двух элементов, состоящую из базовой станции и соответствующего ей контроллера RNC, в структурной модели UMTS называют подсистемой сети (Radio Network Subsystem, RNS). Таких подсистем в одном базовом блоке UTRAN может быть несколько. Интерфейсы, с помощью которых в архитектуре UMTS базовый блок UTRAN взаимодействует с другими элементами сети, указаны на рис. 3 и 4. Внешний радиоинтерфейс Uu определяет параметры мобильных абонентских станций (MS), которые предназначены для сетей 3G.

Интерфейс Iu является открытым, что позволяет использовать в сетях UMTS оборудование разных производителей. Интерфейс IuR, являясь открытым, позволяет реализовать мягкую эстафетную передачу абонента между станциями, оснащенными различным оборудованием.

В сетях UMTS предусмотрена защита от обрывов связи в движении за счет использования метода «мягкого хэндовера». Например, если автомобиль движется по трассе с равномерно распределенными базовыми станциями, то при удалении от одной базовой станции связь с клиентом постепенно берет на себя ближайшая соседняя.

При этом соединение не прерывается скачком, как в сетях GSM. Естественно, что эта функция действует только в зонах с хорошим покрытием сети. Интерфейс Iub разработан как полностью открытый специально для привлечения инвестиций производителей оборудования в развитие сетей 3G.

Блок опорной сети включает в себя традиционное оборудование сетей GSM/GPRS, такое, например, как:

• транскодер (Transcoder and Rate Adaptation Unit, TRAU);
• адресный регистр (Home Location Register, HLR);
• визитный регистр (Visitor Location Register, VLR);
• центр коммутации подвижной связи (Mobile Services Switching Centre, MSC);
• шлюз для выхода на другие сети (Gateway Mobile Switching Centre, GMSC);
• блок поддержки GPRS (Serving GPRS Support Node, SGSN);
• контроллер базовых станций (Base Station Controller, BSC).

Контроллер базовых станций распределяет канальный ресурс, коммутирует каналы, организует эстафетную передачу (handover), осуществляет сбор и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания. Транскодер осуществляет кодирование и декодирование речевых сигналов со сжатием.

Наиболее важные операции, которые выполняются в блоке CN, в общем случае сводятся к подключению мобильной абонентской станции (MS) к сети, ее пейджингу, селекции сот и локализации абонента, реализации входящих и исходящих вызовов и эстафетной передаче абонента между базовыми станциями.

CN логически разделяется на домены CS и PS. Основная функция базовой станции UMTS заключается в обработке радиосигналов, канальном кодировании и адаптации скорости, расширении спектра и т. д. Кроме того, базовая станция выполняет одну из основных операций по управлению мощностью во внутреннем контуре.

Центр коммутации мобильной связи, входящий в состав блока базовой сети, подключает UMTS/GSM к различным внешним сетям, которые можно разделить на две группы: с коммутацией каналов (телефонные сети) и с коммутацией пакетов данных (Интернет). Поскольку центр коммутации (MSC) согласовывает работу системы радиосвязи со стационарными сетями, он выполняет все функции, необходимые для коммутации каналов, а также отвечает за управление соединением.

Кроме того, центр коммутации должен выполнять процедуры, необходимые для регистрации местоположения и для передачи обслуживания. Чтобы обеспечить архитектуру CS, не зависящую от носителя, в блоке CN вводятся шлюз среды MGW (обеспечивающий передачу пользовательских данных)

и сервер MSC (для обеспечения сигнализации). Такой подход дает возможность использовать универсальные IP-сети и создавать среды обслуживания, независимые от устройства коммутации. В архитектуре UMTS шлюз MGW является оконечным пунктом транспортной сети PSTN/PLMN и связывает UTRAN с CN через интерфейс Iu.

В настоящее время существуют два основных типа сетей доступа. BSS используется для сетей доступа GSM, GPRS и EDGE (gERAN), а RNS — для доступа WCDMA. Сеть доступа GERAN может быть подключена к CN либо через два традиционных интерфейса (Gb и A-интерфейс), либо через интерфейсы Iu.

В сетях UMTS предусмотрена функция QoS (Quality of Service) с несколькими приоритетами: разговорный, потоковый, интерактивный, фоновый.

Рассмотренная выше архитектура сетей UMTS показывает, что при переходе к сетям 3G необходима замена как абонентских терминалов, так и подсистемы базовых станций. Кроме того, необходимо будет заменить значительную часть устаревшего оборудования, которое в настоящий момент используется на уровне опорных сетей.

Существенным отличием в архитектуре сети является разделение коммутатора на два независимых уровня — уровень коммутации и уровень обработки сигнализации и контроля услуг. Все это говорит о том, что для перехода к сетям 3G и 4G потребуется серьезная модернизация абонентских терминалов и подсистемы базовых станций. Для реализации этих целей потребуются инвестиции и новые электронные компоненты.

Независимое параллельное развитие сетей UMTS наряду с существующими сетями 2G требует огромных денежных средств. Поэтому разработчики стационарного оборудования и мобильных абонентских станций стараются искать совместимые решения, пригодные для использования и в старых сетях 2G, и в сетях нового поколения.

Эффективность сетей радиодоступа обусловлена возрастом использованных при ее создании технологий. В России базовые сети построены не так давно, поэтому они могут быть использованы для внедрения современных технологий 3G. Вероятнее всего, инфраструктура базовых сетей будет развиваться эволюционным путем, опираясь на существующие сети GSM, TDMA (IS-136), IP, IN и ISDN [2].

В настоящее время в качестве магистральных применяются сети, использующие IP-технологии. Кроме того, модернизируются опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые были созданы для последних модификаций стандартов мобильной связи 2G-поколения GSM/GPRS/ EDGE.

Сегодня все ведущие изготовители базовых модулей для MS выпускают совмещенные GSM/UMTS-модули. Сотовые телефоны и терминалы, созданные на базе этих модулей, могут работать как в сетях GSM/GPRS/EDGE, так и в сетях 3G. Со своей стороны, производители оборудования для базовых станций выпускают переключаемые программные коммутаторы (Soft Switch), способные одновременно обслуживать базовые станции GSM и UMTS.

В качестве примера можно привести разработки фирмы Huawei Technologies — коммутационные платформы MSoftX3000. Они позволяют уменьшить капитальные вложения в развитие UMTS за счет того, что могут работать в GSM- и UMTS-сетях. Таким образом, устанавливая подобное оборудование в существующие сети GSM/GPRS, оператор окупает инвестиции в опорную сеть 3G за счет реальных абонентов сети 2G и избавляет себя от инвестиционных рисков.

Развитие рынка мобильного оборудования для М2М-приложений, по всей видимости, пойдет по двум направлениям. С одной стороны, будут модернизироваться и дешеветь модули для систем связи поколения 2G и 2,5G-GSM/ GPRS/EDGE, а с другой — будут развиваться сети с поддержкой 3G, 3G-UMTS/WSDMA/ HSDPA/HSUPA. Вместе с этим естественно ожидать рост производства высокоскоростных модулей.

Аналогично можно предположить два сценария развития сетей новых поколений. Один — это плавный переход, при котором на базе сетей 2G будут надстраиваться 3G и 3,5G. А во втором варианте будет происходить развертывание сетей нового поколения с «нуля», сразу с новейшим оборудованием для базовых станций.

Специалисты оценивают вероятность реализации таких планов в Европе в 80-90% для плавного перехода и примерно 10-20% для скачкообразного. И в том и в другом случае вряд ли можно ожидать коренного изменения в распределении мест между мировыми лидерами в производстве GSM/GPRS/EDGE-модулей для М2М-приложений.

Рынок модулей поколения 2G для М2М-приложений складывался давно и трудно. Одни вендоры приходили, другие уходили. Одних покупали конкуренты, другие сами поглощали «соперников». Это хорошо известные истории, и мы упоминаем о них, дабы подчеркнуть, что вряд ли стоить ожидать революционного перераспределения мест в первой пятерке мировых лидеров, производящих GSM/GPRS/ EDGE-модули.

Области применения мобильного оборудодва-ния для М2М-приложений связаны с такими направлениями, как беспроводные банкоматы, торговые автоматы, GSM/GPS-системы навигации транспорта, беспроводное охранное оборудование, беспроводные системы контроля расхода воды, тепла, газа, электричества и другие промышленные системы автоматизации.

Точно рассчитать долю каждого из ведущих производителей в общемировом объеме продаж не представляется возможным. Эти цифры зависят от методики оценки и конкретной группы товаров. По данным независимого исследовательского института ABI Research, фирма Cinterion Wireless Modules уверенно занимает первое место в сегменте экономичных конструктивных решений.

Модуль EU3 (рис. 6) является более совершенной моделью и предназначен для работы в сетях UMTS 900/2100 МГц (EU3-E) и UMTS 850/900/2100 МГц (EU3-P). Максимальные скорости при передаче данных «вниз» и «вверх» соответственно равны 3,6 Мбит/с и 384 кбит/с.

PH8 — новейшая разработка 2022 г. (рис. 7). Эта модель предназначена для работы в сетях HSPA со скоростями 14,5 Мбит/с («вниз») и 5,7 Мбит/с «вверх». Фирма Cinterion позиционирует данный модуль в качестве идеального решения для высокоскоростных М2М-приложений, таких как потоковое видео на наружных рекламных щитах, мобильные медицинские приборы, контроль транспортных средств, банкоматы и многое другое.

Улучшенная gtpv1-u

Только небольшое, но эффективное улучшение было применено к GTP-U, и для этого не было сочтено необходимым усиливать количество версий протокола. Таким образом, мы все еще ожидаем GTPv1-U, но, по крайней мере, это последняя версия Rel. 8.

Стек протоколов, по сути, такой же, как и для GTPv2-C, только с соответствующими названиями уровней и протоколов. Механизм расширения заголовка остается на месте; это позволяет вставить два элемента при необходимости.

• UDP-порт источника инициирующего сообщения (два октета);

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

UDP-порт источника инициирующего сообщения (два октета);

PDU PDU номер – относится к передаче характеристики без потерь; в этом случае пакеты данных должны быть пронумерованы в EPC (два октета).

Улучшение заключается в способности передавать «конечный рынок» в плоскости пользователя. Он используется в процедуре передачи обслуживания между eNodeB и дает указание на то, что путь активируется сразу после пакета данных, например, функция не является необходимой для предварительной версии 8, поскольку GTP-U не заканчивался в радиодоступе узел (то есть не в BS или NodeB) существует только несколько сообщений. GTPv1-U, и они перечислены в таблице выше.

Ясно, что на самом деле очень ограниченный тип передачи сигналов возможен через GTPv1-U (механизмы эха и маркировка конца). Единственное сообщение о том, что передача реальных пользовательских данных имеет тип 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 (которая предназначена для захвата ассоциаций, которые больше не существуют между узлами сети); возможны временные тоннели –

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

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

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

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

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

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

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, используя IMSI, извлекает ключ аутентификации подписчиков (Ki). Затем AUC генерирует случайное число (RAND), применяет Ki и RAND как к алгоритму аутентификации (A3), так и к ключу шифрования, алгоритм генерации (A8) для создать подписанный ответ аутентификации (SRES) и ключ шифрования (Kc). AUC затем возвращает триплет аутентификации: RAND, SRES и Kc в новый VLR.

• MSC / VLR сохраняет два параметра Kc и SRES для последующего использования, а затем отправляет сообщение в MS. MS считывает свой ключ аутентификации (Ki) с SIM-карты, применяет принятое случайное число (RAND) и Ki как к своему алгоритму аутентификации (A3), так и к алгоритму генерации ключа шифрования (A8), чтобы создать ответ с подписью аутентификации (SRES) и шифр ключ (Kc). MS сохраняет Kc на потом 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. Если равен, мобильный телефон проходит аутентификацию. Если неравенство, все действия сигнализации будут прерваны. В этом случае мы будем предполагать, что аутентификация пройдена.

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

AUC, используя IMSI, извлекает ключ аутентификации подписчиков (Ki). Затем AUC генерирует случайное число (RAND), применяет Ki и RAND как к алгоритму аутентификации (A3), так и к ключу шифрования, алгоритм генерации (A8) для создать подписанный ответ аутентификации (SRES) и ключ шифрования (Kc). AUC затем возвращает триплет аутентификации: RAND, SRES и Kc в новый VLR.

MSC / VLR сохраняет два параметра Kc и SRES для последующего использования, а затем отправляет сообщение в MS. MS считывает свой ключ аутентификации (Ki) с SIM-карты, применяет принятое случайное число (RAND) и Ki как к своему алгоритму аутентификации (A3), так и к алгоритму генерации ключа шифрования (A8), чтобы создать ответ с подписью аутентификации (SRES)

MS возвращает сгенерированный SRES в MSC / VLR. VLR сравнивает SRES, возвращенный от MS, с ожидаемым SRES, полученным ранее от AUC. Если равен, мобильный телефон проходит аутентификацию. Если неравенство, все действия сигнализации будут прерваны. В этом случае мы будем предполагать, что аутентификация пройдена.