Интерфейсы связи, используемые в программируемых логических контроллерах, Интерфейсы последовательной передачи данных RS232 и RS485 – ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

Для сетей LTE характерна неоднородность их структур. Наряду с обычными макро и микросотами, пикосот в зданиях предполагают широкое использование фемтосот и распределенных антенных систем. Фемтосота (femtocell) ‒ это сота небольшого размера, устанавливаемая в квартире или офисе и обслуживаемая маломощной базовой станцией сотовой связи (мощность передатчика до 20 мВт). Такую станцию называют домашней базовой станцией Home eNodeB (HeNB).

Архитектура сети E-UTRAN с фемтосотами приведена на рис. 1.7[5].

Рис.1.7. Архитектура E-UTRAN с фемтосотами

Так как домашняя базовая станция располагается близко от мобильного терминала, последний работает с пониженной мощностью передатчика и значительно медленнее расходует заряд батареи. Как правило, в пределах комнаты на приемники UE и HeNB приходят радиосигналы с низким затуханием, что обеспечивает высокие отношения сигнал/помеха на входах приемников. Это дает возможность использовать в радиоканале высокоэффективные модуляционно-кодирующие схемы и технологии пространственного мультиплексирования (см. далее 2.3), что позволяют увеличить число подписчиков на высокоскоростные услуги 4G. Фемтосоты также применяют для локального расширения зоны действия сети в зонах сильного затухания сигнала или даже за пределами радиуса действия основной сети.

Фемтосоты отличаются от макро – пикосот разделением абонентов на группы и категории в зависимости от их прав на подключение к HeNB. Есть фемтосоты, доступные для всех категорий абонентов, а есть фемтосоты, доступные только для закрытых групп пользователей CSG (Closed Subscriber Group). Такие фемтосоты подключают только тех абонентов, которые прописаны в их HeNB. Каждой CSG оператор присваивает специальный идентификатор CSG ID. Наконец, есть фемтосоты с гибридным доступом (Hybrid Access). Такие соты доступны всем пользователям, но абонентам, которые в них прописаны (т.е. входящим в соответствующие CSG), предоставляют приоритетное обслуживание.

Следует отметить, что в Rel.10 спецификаций существенно расширены возможности обслуживания абонентов в фемтосотах. Так на рис. 1.7 находящиеся рядом фемтосоты соединены между собой посредством интерфейса Х2, как и макросоты. В Rel. 8-9 этого не было (см. [1, рис. 9.3]). Появление в структуре фемтосот интерфейса Х2 позволяет осуществлять между ними хэндовер, а также балансировку нагрузки.

Существуют 2 разных способа подключения фемтосот к сети. В первом варианте фемтосоты (HeNB) соединены с ядром сети ММЕ/S-GW (ЕРС) через специальный фемтошлюз HeNB GW посредством интерфейсов S1 (рис. 1.7, 1.8).

Рис.1.8. Подсоединение HeNB к ядру сети через фемтошлюз

При этом фемтошлюз обрабатывает только сообщения сигнализации, следующие по сигнальной части интерфейса S1-MME (S1-C), а для трафика (по S1-U) фемтошлюз прозрачен. На уровне протоколов со стороны ММЕ шлюз воспринимается как eNB, а со стороны HeNB как ММЕ. Для обеспечения защиты трафика и сигнальных сообщений на S1 между UE и фемтошлюзом организуют туннель на основе протокола IPSEC, а непосредственно в фемтошлюзе или перед ним размещают шлюз безопасности SeGW.(Security Gateway). Один фемтошлюз может обслуживать десятки и сотни HeNB. Процедуры предоставление услуг при таком способе подключения фемтосот к ядру сети ничем не отличаются от аналогичных процедур в макросотах, за исключением особенностей обслуживания абонентов закрытых пользовательских групп (CSG).

Второй способ подключения фемтосот состоит в использовании локального доступа к IP-сети LIPA (Local IP Access) для передачи трафика непосредственно из HeNB. При этом с ядром сети HeNB связана посредством интерфейса S5 (рис. 1.7), а обмен пакетами трафика с сетью идет через специальный локальный шлюз LIPA L-GW (Local Gateway) (рис. 1.9) [5]. Одновременно с LIPA HeNB поддерживает связь с ядром сети через интерфейс S1 для тех абонентов и соединений, для которых доступ к сети Интернет осуществляют через PDN GW. Спецификации LTE позволяют реализовывать разные сценарии, например, когда абонент скачивает на компьютер интерактивный трафик (файлы из Интернета) через PDN GW, а через LIPA принимает видео из локальной IP-сети.

Рис.1.9. Использование в фемтосети LIPA

Шлюз LIPA L-GW в большинстве вариантов встроен в HeNB, но может представлять собой отдельное устройство и даже принадлежать другому оператору. Интерфейс S5 – это интерфейс, разработанный для туннельного соединения между S-GW PDN GW (рис. 1.1). В структурах с LIPA его используют в основном для сигнального обмена. Если L-GW встроен в HeNB, то HeNB и L-GW могут иметь один IP-адрес. Для защиты информации на S5 применяют протокол IPSEC.

Функциональная структура сети с LIPA показана на рис. 1.10 [6].

Рис.1.10. Передача трафика в фемтосети с LIPA

Трафик через LIPA идет в обход ядра сети, что уменьшает нагрузку на интерфейсы S1-U и S5. Абоненты также могут получить выигрыш за счет снижения тарифов при обслуживании через LIPA. Однако пользователи LIPA должны иметь подписку на эту услугу, что фиксируется в HSS. Фактически абоненты, пользующиеся LIPA, входят в определенные выделенные группы (CSG). Спецификации предоставляют возможность реализовывать LIPA и для абонентов, находящихся в роуминге, но при условии подписки на эти услуги. Пока последняя версия спецификаций LTE Rel.11 не поддерживают хэндовер UE, обслуживаемых через LIPA.

LIPA в фемтосетях можно рассматривать как специально выделенный сценарий более общей технологии SIPTO (Selected IP Traffic Offload), что предусматривает отвод части трафика через локальные точки доступа из различных сот, от пикосот до макросот. Для этого могут быть использованы локальные PDN GW, обеспечивающие кратчайший путь для трафика конкретных UE (рис. 1.11).

Рис.1.11. Вариант реализации SIPTO

Работа над развитием технологий LIPA и SIPTO продолжается. Тенденции их дальнейшего прогресса представлены в рекомендациях [7], а в [8] рассмотрены возможные пути обеспечения мобильности абонентов в этих сетях. Детали структур LIPA и SIPTO и процедур обслуживания абонентов при использовании локального доступа рассмотрены в [6].

Контрольные вопросы к главе 1.

1. Назовите основные элементы структуры E-UTRAN и определите их функциональное назначение.

2. Зачем в структуре E-UTRAN два шлюза? Чем отличаются функции, выполняемые S-GW и PDN GW?

3. Как построены интерфейсы в E-UTRAN для передачи пользовательских сообщений (трафика) и сигнализации?

4. Что такое туннельное соединение? Какие протокольные подуровни в нем используют? Какие функциональные узлы идентифицированы в подуровне IP и в подуровне GTP интерфейса S1-U?

5. В чем состоят структурные различия в передаче пакетного трафика в сетях LTE и GERAN/UMTS?

6. Чем отличаются фемтосети LTE от макросетей?

7. В чем преимущества использования LIPA в фемтосетях?

Технологии в сетях LTE

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Технологию OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) – ортогональное частотное разнесение, используют для устранения межсимвольной интерференции в высокоскоростных радиоканалах [2]. Вместо того, чтобы передавать n информационных символов цифрового информационного сигнала (ЦИС) на одной несущей частоте (рис. 2.1а), их передают одновременно на n поднесущих частотах, размещенных в полосе радиоканала (рис. 2.1б). Между символами вводят защитные промежутки такой длительности T_g , чтобы приходящие из-за многолучевого распространения радиоволн символы с запаздыванием не “наползали” на следующие. При этом длина каждого символа T_b увеличивается в сравнению с длительностью символа в исходной последовательности в nT_b/(T_b T_g) раз.

u_цис(t)

n инф.символов

…

t

a)

u₁ t

T_b Tg

u₂ t

T_b

….

u_k t

T_b

….

u_n t

T_b

б)

Рис. 2.1. Принцип технологии OFDM

Передача информационных символов по каналу связи представляет собой передачу комплексных чисел. Сигнальное созвездие при модуляции 16-КАМ представлено на рис. 2.2.

Рис.2.2. Созвездие сигнала 16-КАМ

Символ S_k, передаваемый на k-той поднесущей, можно представить как

, где амплитуда символа

и фаза символа

.

В примере на рис. 2.2,

рад

В аналитическом виде сигнал OFDM представляет собой сумму гармоник:

(2.1)

Все поднесущие являются гармониками основной частоты F₁: F_k = kF₁, а частота F₁ жестко связана с длительностью символа: F₁ = 1/T_b. Следовательно на временном отрезке T_b укладывается k волн поднесущей часоты F_k . Каждый символ S_k можно рассматривать как дискретный отсчет спектра на поднесущей F_k. Амплитуда k-той поднесущей ‒ а фаза ‒ При формировании сигнала u_OFDMиспользуют процедуру обратного (быстрого) преобразования Фурье. На рис. 2.3 показаны поднесущие с частотами F₁ и F₂ и нулевыми начальными фазами на временном интервале T_b.

Рис.2.3. Две поднесущие на интервале 0 ‒ T_b

Главной проблемой при применении технологии OFDM является обеспечение высокого отношения сигнал/помеха в приёмнике. Формально при приёме сигналов n поднесущих должны работать n независимых приёмников. Однако спектры сигналов на расположенных рядом поднесущих наложены друг на друга (рис. 2.4). Поэтому приём сигнала OFDM и выделение отдельных символов осуществляют с использованием процедуры прямого (быстрого) преобразования Фурье.

Рис.2.4. Спектр фрагмента OFDM-сигнала

Рассмотрим, как работает приёмник k-ой поднесущей. Он выполняет процедуру прямого преобразования Фурье:

(2.2)

На частоте F_k = kF₁

(2.3)

На любой другой поднесущей F_p

(2.4)

поскольку интеграл (площадь) синусоиды за время одного периода равен 0 (рис.2.5), а на интервале T_b уложено целое число │p-k│ периодов синусоиды[2].

0 t

Рис.2.5. К определению площади синусоиды

Следовательно, при точном выборе времени интегрирования помехи от сигналов других поднесущих равны 0. Однако, при вычислении интегралов (2.2) необходимо запускать функции с нулевой начальной фазой, т.е. обеспечить когерентный приём сигнала С этой целью eNB в радиоканале вниз и UE в радиоканале вверх кроме информационных символов передают опорные символы, т.е. заранее известные комплексные числа С(n), принимая которые приёмник обеспечивает необходимую фазовую коррекцию и масштабирование амплитуд принятых сигналов. В канале вниз eNB→UE в качестве опорных символов используют символы сигнала 4-ФМ (рис. 2.6).

Рис.2.6. Созвездие сигнала 4-ФМ

В защитном интервале T_g между символами (рис.2.1) передают циклический префикс (CP – Cyclic Prefix) – конец следующего символа длительностью T_g (рис. 2.7).

Рис. 2.7. OFDM-символ с циклическим префиксом

Это делают для снижения внутрисимвольных помех (внутрисимвольной интерференции). Если бы циклического префикса не было, то при вычислении интеграла (2.2) запаздывающие лучи, пришедшие после начала интегрирования, укладывали бы на временном отрезке 0‒T_b, нецелое число периодов поднесущих. В результате появлялась бы ошибка при вычислении интеграла (2.3), а интегралы (2.4) не обращались бы в нуль. При передаче СР при запаздывании луча не более, чем на T_g, на интервале интегрирования T_b на любой поднесущей оказывается целое число её периодов и интегралы (2.4) равны нулю.

Воспользуйтесь поиском по сайту:

На физическом уровне (на радиоинтерфейсе) в E-UTRAN используют технологию OFDM с модуляцией 4-ФМ, 16-КАМ и 64-КАМ. При этом число поднесущих частот в рабочей полосе 20 МГц составляет 1200.

Для взаимной синхронизации E-UTRAN и UTRAN используют тактирование с длительностью временной единицы T_s = 1/(15000×2048)c. Передача по радиоканалу идет кадрами длиной 10 мс, что составляет 307200 Ts. Кадр состоит из 20 временных слотов длиной 15360×Ts = 0,5мс, пронумерованных от 0 до 19. Два последовательных слота составляют 1 субкадр – всего 10 субкадров, от 0 до 9 рис.2.8. Различают 2 структуры кадров: кадры типа 1 при работе с частотным дуплексом (FDD) и кадры типа 2 при работе с временным дуплексом (TDD). На рис. 2.9. показаны структуры кадров с FDD и TDD.

Рис.2.8. Структура кадра LTE

Рис.2.9. Конфигурация кадра при частотном и временном дуплексе

При частотном дуплексе в каждом субкадре идет одновременная передача вверх (UL) и вниз (DL) в разных частотных полосах. При временном дуплексе в некоторых субкадрах идет передача вниз (D), в других вверх (U). Кроме того, есть специальные (переходные) субкадры (S),состоящие из трех полей: DwPTS – поля передачи вниз, UpPTS – поля передачи вверх и защитного интервала (GP). В сетях LTE согласно спецификациям возможны 7 конфигураций кадров при временном дуплексе (рис.2.10).

Рис.2.10. Конфигурации кадра при временном дуплексе

Так как число символов в поле вниз DwPTS специального субкадра гораздо больше количества символов в поле вверх UpPTS, то при оценке относительного времени передачи DL:UL на рис. 2.10 специальные субкадры относим к субкадрам передачи вниз.

В сетях LTE с временным дуплексом суммарная пропускная способность в рабочей полосе делится между потоками вниз и вверх в соответствии со сценариями на рис. 2.10. Это позволяет оператору менять конфигурацию кадра в зависимости от реальной картины трафика, который, как правило, асимметричен. Для сетей LTE с временным дуплексом выделены полосы частот в диапазоне от 1900 до 3800 МГц [1, гл. 3.2], что предполагает использование этого варианта дуплекса в микро, пико и фемтосотах.

При расстоянии между поднесущими ∆F = 15 кГц длина OFDM-символа составляет 1/∆F ≈ 66,7 мкс. В каждой половине субкадра (слоте длиной 0,5мс) передают 6 или 7 OFDM-символов в зависимости от длительности циклического префикса СР (cyclic prefix) ‒ активной паузы между символами. Длительность циклического префикса T_CP составляет 160Тs ≈5,2 мкс перед первым символом и 144Тs ≈4,7мкс перед остальными символами. Возможен вариант использования расширенного СР длительностью 512Тs ≈16,7мкс. В этом случае в одном субкадре размещают 6-OFDM символов (рис.2.11).

Весь канальный ресурс разделяют на ресурсные блоки (РБ). Ресурсный блок состоит из 12 расположенных рядом поднесущих, занимающих полосу 180 кГц и одного временного слота (7 или 6 OFDM-символов на интервале 0,5 мс). Каждый OFDM-символ является ресурсным элементом (РЭ); его характеризуют 2 параметра {k,l}, где k определяет номер поднесущей, а l ‒ номер символа в ресурсном блоке. При передаче вниз, от eNB к UE, в каждом блоке из 12×7 = 84 РЭ часть ресурсных элементов используют для передачи опорных (reference) символов (рис.2.12). Выделяемый канальный ресурс определяют числом ресурсных блоков или групп ресурсных блоков.

Рис.2.11. Структура слота на физическом уровне

Реальная скорость передачи данных уменьшается из-за передачи опорных символов и управляющих каналов. Опорные символы (CRS – Cell-specific Reference Signals) используют для организации когерентной демодуляции и оценки каналов. При работе нескольких передающих антенн каждой антенне выделены определенные РЭ для передачи опорных символов. Расположение CRS в ресурсном блоке при работе eNB с 4 антеннами показано на рис.2.13. В LTE передающим антеннам присваивают номера логических антенных портов. Символы, помеченные R0, передает порт 0, символы R1 – порт 1, R2 – порт 2, R3 – порт 3. Снижение пропускной способности ресурсного блока (в процентах) из-за передачи опорных символов приведено в табл. 2.1.

Рис.2.12. Структура ресурсного блока при передаче вниз

Рис.2.13. Позиционирование опорных символов в ресурсном блоке при передаче вниз

Таблица 2.1

При выделении канального ресурса вверх используют те же понятия ресурсного блока (12 поднесущих общей полосой 180 кГц в слоте), и субкадров длительностью 1 мс с 7 или 6 OFDM-символами в каждом слоте. Пример распределения канального ресурса между разными абонентами (User) проиллюстрирован рис.2.14.

Рис.2.14. Распределение канального ресурса вверх

При передаче вверх используют модифицированную технологию OFDM, а фактически организуют передачу широкополосного сигнала на одной несущей. Цель данного метода состоит в том, чтобы уменьшить пик-фактор передаваемого сигнала, поскольку высокий пик-фактор является существенным недостатком технологии OFDM. С этой целью до формирования сигнала OFDM осуществляют прямое быстрое (дискретное) преобразование Фурье передаваемого сигнала (БПФ), после которого переходят к OFDM (рис. 2.15). Такая технология получила название БПФ-OFDM или SC-FDMA (Single Carrier-Frequency Division Multiple Access). Рассмотрим последовательность операций при передаче.

Рис.2.15. Генерация сигнала БПФ-OFDM

Массив символов { } передаваемого сообщения делят на сегменты размером M_SC, где M_SC – суммарное число поднесущих во всех выделенных вверх абоненту РБ (например, в 5 РБ M_SC = 12×5 = 60). Далее над каждым сегментом из M_SC символов производят ДПФ по формуле [9]

Полученные комплексные числа z_k представляют собой M_SC дискретных аналоговых отсчетов спектра одного сегмента передаваемого массива .{a₀…a_M-1}. Их размещают на поднесущих соответствующего OFDM-символа. После выполнения ОБПФ во время передачи данного OFDM-символа в канале фактически передают сигнал, представляющий собой последовательность символов данного сегмента. В результате пик-фактор OFDM-сигнала соответствует пик-фактору исходной последовательности.

При приеме сигнала SC-FDMA над ним производят операции, обратные тем, что были при передаче (рис. 2.16.). Для минимизации влияния на качество приема межсимвольной интерференции при передаче между символами после выполнения ОБПФ вставляют СР, а в приемниках SC-FDMA после блока ОБПФ используют эквалайзеры.

Рис.2.16. Прием сигнала DFTS-OFDM

В E-UTRA специфицированы 6 полос частот для развертываемых сетей (табл.2.2). В ней также приведено максимальное число ресурсных блоков в одном временном интервале при передаче вниз и полоса частот, вырезаемая приемником UE для обработки принятого сигнала (measurement bandwidth в [10]).

Таблица 2.2

Абонентский трафик передают блоками, которые размещают в субкадрах. Структура субкадра вниз (кроме 0 и 5 субкадров) приведена на рис. 2.17. В начале каждого субкадра размещают каналы управления: PCFICH (Physical Control Format Indicator Channel) – канал, где указано, сколько OFDM-символов выделено в субкадре для передачи управляющих каналов (от 1 до 4 OFDM-символов), PHICH (Physical Hybrid ARQ Indicator Channel) – канал для передачи подтверждений (неподтверждений) принятых в предыдущих субкадрах блоков трафика вверх (от UE) и PDCCH (Physical Downlink Control Channel) – канал для передачи информации о выделении ресурсных блоков и форматах передачи в канале с разделением пользователей вниз PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) и каналах вверх PUSCH (Physical Uplink Shared Channel) и PUCCH (Physical Uplink Control Channel) [3].

Остальную часть субкадра вниз занимает канал PDSCH, где размещают пакеты (блоки) трафика, вызовы абонентов (пейджинг), ответы eNB на запросы мобильных терминалов на доступ к сети, а также блоки системной информации SIB (System Information Blocks).

Рис.2.17. Распределение канального ресурса в субкадре вниз

В субкадрах 0 и 5, кроме указанных каналов, передают 2 синхронизирующих сигнала: первичный PSS (Primary Synchronization Signal) и вторичный SSS (Secondary Synchronization Signal), а в нулевом субкадре еще канал передачи системной информации PBCH (Physical Broadcast Channel) (рис.2.18)[4]. Синхронизирующие сигналы используются абонентскими терминалами для обнаружения сети LTE и синхронизации с ней. Что касается канала PBCH, то в нем передают всего несколько параметров. Основную часть системной информации оператор размещает в системных блоках (SIB).

Рис.2.18. Распределение канального ресурса в субкадре 0 при частотном дуплексе

Рис.2.18. Распределение канального ресурса в субкадре 0 при частотном дуплексе

Содержание основных блоков системной информации [11]:

SIB1 – повторяют каждые 80 мс (8 кадров), передают идентификатор сети, код зоны слежения, идентификатор соты, статус соты, позиционирование остальных SIB,

SIB2 – содержит информацию о конфигурации радиоресурса: разнос частот вверх и вниз, запрет на определенные виды услуг, номера субкадров для передачи мультимедийного вещания, полоса (число РБ) при передаче вверх,

SIB3 – общая информация, относящаяся к реселекции сот, включая межсистемные переходы,

SIB4 – список соседних сот с их специфическими параметрами, необходимыми для выполнения процедуры реселекции сот без смены частоты,

SIB5 – информация, необходимая для реселекции сот внутри E-UTRA со сменой рабочей частоты,

SIB6-8 – содержит информацию, необходимую для межсетевых переключений UE на UMTS (SIB6), GERAN (SIB7), CDMA2000 (SIB8),

SIB9 – содержит идентификатор фемтосоты Home eNB Identifier (HeNBID),

SIB10-11 – передачапервичных и вторичных предупреждений о землетрясениях и цунами,

SIB12– передача срочных коммерческих сообщений,

SIB13 – информация о передаче каналов управления мультимедийного вещания.

Технологии MIMO

MIMO (Multiple Input – Multiple Output) – многоантенные технологии, используемые для решения двух задач:

– повышения качества связи за счет пространственного временного/частотного кодирования и (или) формирования лучей (beamforming),

– увеличения скорости передачи при использовании пространственного мультиплексирования [12].

В любом варианте MIMO речь идет об одновременной передаче в одном физическом канале нескольких сообщений. Для реализации MIMO используют многоантенные системы: на передающей стороне имеется M передающих антенн, а на приемной стороне N приемных. Эту структуру поясняет рис. 2.19.

Математическая модель, описывающая систему (рис.2.19), представляет собой векторное уравнение

r = H × s n (2.5)

где r и s – вектора принятых и переданных сигналов, а n– вектор помех на входе приемников.

Рис.2.19. Модель канала с М передающими и N приемными антеннами

Коэффициенты передач между различными передающими и приемными антеннами определяет матрица H:

(2.6)

элементы которой h_ij являются комплексными коэффициентами передачи напряжения между i приемной антенной и j передающей. Для того, чтобы приемник мог различать сигналы, передаваемые разными антеннами, коэффициенты матрицы Ндолжны быть между собой некоррелированными.

Когда речь идет о макросотах (сотах на открытом воздухе с высоко поднятыми антеннами), то для обеспечения низкой корреляции приходящих на UE лучей с разных антенн, требуется разнос антенн на eNB порядка 10λ (длин волн). В то же время на мобильном терминале обычно достаточно разнести антенны на λ, чтобы получить слабо коррелированные приходящие сигналы. Это обусловлено тем, что множество лучей, вызывающих быстрые замирания сигналов и их декорреляцию, обычно формируется в ближней зоне около UE. Такая картина типична для микро и пикосот в зданиях. Точно также антенны eNB, установленных внутри помещений или под крышами зданий, могут быть разнесены на гораздо меньшую дистанцию, чем в макросотах. Все сказанное относится к антеннам с одинаковой поляризацией. Разумеется, что использование антенн с ортогональной поляризацией обеспечивает слабую корреляцию коэффициентов передачи h_ij. [13].

Коэффициенты h_ijприемник рассчитывает, принимая опорные (символы). Эти опорные символы передающие антенны излучают по очереди по установленному алгоритму (рис. 2.13). При передаче опорного символа одной антенной все остальные антенны “молчат”.

При пространственном временном/частотном кодировании группу символов передают либо последовательно во времени на одной поднесущей (пространственно-временное кодирование), либо одновременно на нескольких поднесущих (пространственно-частотное кодирование) параллельными потоками [14]. В практике многоантенных систем широкое применение нашла схема Аламути пространственно-временного кодирования (Space Time Coding – STC). В ней в конфигурации антенн 2×1 (рис.3.20) через антенны 1 и 2 передают следующие друг за другом символы S₁ и S₂ и их комплексно-сопряженные значения S* одновременно в 2 последовательных момента времени:

Рис. 2.20. STC при конфигурации антенн 2×1

При приеме в моменты t = 0 и t = 1 получают следующие сигналы:

r(0) = h₁s₁ h₂s₂ n(0) (2.7)

r(1) = -h₁s₂^* h₂s₁^* n(1),

где n(0) и n(1) – соответствующие отсчеты помехи (шума).

Для выделения сигналов s₁ и s₂ выполняют две линейные операции:

y₁ = h₁^*r(0) h₂r^*(1) = (|h₁|² |h₂|²)s₁ h₁^*n(0) h₂n^*(1) (2.8)

y₂ = h₂^*r(0) – h₁r^*(1) = (|h₁|² |h₂|²)s₂ h₂^*n(0) – h₁n^*(1)

В результате устраняются пространственные взаимные помехи, а результирующее отношение сигнал/помеха

(2.9)

Из (2.9) следует, что даже в случае глубоких замираний по одному из каналов (h₁ или h₂ →0), будет идти прием по другому каналу.

При пространственном мультиплексировании через разные передающие антенны идут разные потоки данных. В результате скорость передачи данных в радиоканале увеличивается в М раз, где М – число независимых потоков данных.

В сетях LTE можно реализовать как однопользовательские MIMO (SU-MIMO), так и многопользовательские MIMO (MU-MIMO). При SU-MIMO вниз все разные потоки данных, передаваемые в одном частотном канале, принимает один UE. В направлении вверх один UE также может передавать через разные антенны несколько независимых потоков.

При MU-MIMO вниз разные потоки будут направлены разным UE, причем каждый мобильный терминал получает только один поток. При использовании MU-MIMO вверх в одном частотном канале одновременно передают несколько UE. На рис. 2.21 показана структура MU-MIMO вниз с 4 UE.

Рис.2.21. Структура MU-MIMO вниз с 4 UE

При переходе от Rel.8 к Rel.10 спецификаций возможности использования технологий MIMO существенно расширились (табл.2.3).

Таблица 2.3.

Остановимся на особенностях реализации MIMO вниз в LTE-A. eNB должен передавать опорные символы с каждой антенны, чтобы UE, принимая их, могли рассчитать коэффициенты матрицы Н (2.6). Однако, уже при 4-х работающих антеннах снижение пропускной способности ресурсного блока составляет почти 15% (табл.2.1). Чтобы не увеличивать дальнейшего снижения пропускной способности каналов трафика при 8 антеннах, в LTE-A введена новая структура передачи опорных сигналов.

Во-первых, продолжается передача опорных символов (CRS), специфицированных для 4 антенных портов (рис.2.13). Заметим, что представленная на рис.2.13 конфигурация CRS зависит от идентификатора соты [1, гл.3.3]. Сохраняя структуру, она может смещаться внутри РБ по вертикали (поднесущим) на 0…5 позиций. Это обеспечивает прием CRS мобильными терминалами с минимальными помехами из соседних сот. Сами опорные символы представляют собой комплексные числа С(n) = С₁(n) jС₂(n), которые в нормализованном виде составляют 4 возможные комбинации: 1 j, 1–j, -1 j, -1-j, что соответствует 4 позициям радиосигнала при модуляции 4-ФМ (рис. 2.6). Значения С₁(n) и С₂(n) зависят от номера РБ, номера тайм-слота, номера антенного порта и определяются из кодов Голда, генерируемых eNB при передаче.

В сетях LTE-A eNB, кроме CRS, передает дополнительные опорные сигналы: CSI-RS (Channel State Information – Reference Signal) и UE-RS (UE specific Reference Signal) [9]. Антенны, через которые идут передачи без дополнительных опорных сигналов, идентифицируют как логические антенные порты 0…4. Если передают UE-RS, то таким антенным портам присваивают номера 7…14, а при передаче CSI-RS – 15…22.

Сигнал CSI-RS используют для оценки качества каналов вниз. Его передают по всем РБ, но с большим временным интервалом в 5, 10, 20, 40 или 80 мс. CSI-RS нельзя размещать в субкадрах 0 и 5, где идет передача синхронизирующих сигналов и канала PBCH, а также в субкадрах, где передают SIB1 или пейджинг. Один сигнал занимает 2 РЭ и состоит из комбинации {С_н(n), С_н(n)}в нечетных антенных портах и {С_ч(n), ‒С_ч(n)}в четных портах. Как и в CRS, С_н(n) и С_ч(n) –сигналы 4-ФМ, где позиции сигналов определяют из кодов Голда.

На рис.2.22а – 2.22в показано размещение всех возможных опорных сигналов в субкадре вниз [15].

а)

б)

в)

Рис.2.22. Расположение опорных сигналов в субкадре

Первые 3 OFDM-символа заняты под каналы управления (Control channels, см. рис.2.17). Далее выделены РЭ, где передают CRS, CSI-RS и UE-RS и данные. Если работает одна или 2 антенны, то возможны 20 конфигураций размещения CSI-RS в субкадре: С0 – С19 (рис. 2.22а). Фактически сигналом CSI-RS в РБ занято всего 2 РЭ. Номер конфигурации задает оператор сети. В каждой позиции можно передать CSI-RS с одного или 2 антенных портов, а именно: {15,16}, {17,18}, {19,20}, {21,22}, то-есть, 2 антенны передают одновременно сигналы CSI-RS. Возможность разделения сигналов с двух антенн в приемнике UE основана на том, что эти сигналы {С_н(n), С_н(n)} и {С_ч(n), ‒С_ч(n)} взаимно ортогональны.

Варианты передачи CSI-RS при 4 работающих антеннах показаны на рис.2.22б. В этом случае существуют 10 конфигураций размещения CSI-RS, а сам сигнал занимает в субкадре 4 РЭ. При 8 работающих антеннах возможны 5 конфигураций размещения CSI-RS, а его передача занимает 8 РЭ (рис.2.22в).

Опорные сигналы UE-RS введены для демодуляции мультиплексированных потоков данных в мобильных терминалах при реализации MIMO. На рис. 2.22 UE-RS показаны штриховкой. При 8 работающих антеннах для передачи UE-RS требуется меньше РЭ, чем было бы при добавлении еще 4 сигналов CRS. В отличие от CRS и CSI-RS, которые передают во всей полосе рабочих частот, UE-RS размещают только в тех РБ, где используют MIMO.

Сигнал UE-RS представляет собой последовательность ортогональных двоичных кодов длиной 4 бита. Каждый UE-RS передают в субкадре 3 раза (рис.2.22). С антенных портов 7, 8, 11 и 13 (порты группы 1) передачу ведут на 0, 5 и 10 поднесущих. На одной поднесущей UE-RS занимает 2 пары РЭ: {5,6} и {12,13}. Размещенные в них двоичные ортогональные коды приведены в табл.2.4. Если работают только антенные порты 7 и 8, то передача UE-RS в субкадре занимает 12 РЭ. Если в РБ передачу ведут более 2 антенн, то одновременно с портами группы 1 работают порты группы 2: 9, 10, 12, 14. Для них в субкадре выделены пары РЭ {5,6} и {12,13} на поднесущих 1, 6 и 11 и для передачи UE-RS в субкадре выделяют 24 РЭ.

Таблица 2.4

Таким образом в паре РЭ можно передавать одновременно UE-RS от одной до 4 антенн. Прием UE-RS основан на кодовом разделении 4-х битовых двоичных последовательностей. При числе антенн более 4-х из-за влияния эффекта Доплера MIMO рекомендуется использовать при обслуживании стационарных пользователей.

Сигналы UE-RS, в отличие от CRS и CSI-RS, закрывают скремблирующими кодами. Поскольку скремблирующие коды в соседних сотах разные, то UE различают UE-RS разных базовых станций, что особенно важно при MU-MIMO. Вариант с UE-RS позволит также строить неоднородные сети с многосотовым MIMO (CoMP – Coordinated Multipoint Transmission). В сети с CoMP UE получает в выделенных ему ресурсных блоках одновременно сигналы с разных eNB, что позволит улучшить качество связи и увеличить пропускную способность сети [16].

При использовании пространственного мультиплексирования существенно усложняется построение приемников. Каждый независимый поток данных создает помехи другим потокам. Поэтому пространственное мультиплексирование реализуют в “хороших” каналах, с высоким отношением сигнал/помеха. Для разделения потоков в приемнике необходимо, чтобы число приемных антенн N было не меньше числа передаваемых потоков данных. Если принять, что каждый поток идет через одну передающую антенну[5], то в соответствии с рис.2.19 NM. Теория и практика показывают, что с увеличением числа приемных антенн (например, при N=4 и М=2 в сравнении с вариантом N=2 и М=2) коэффициент ошибок снижается. Что касается алгоритмов обработки сигналов в приемнике, то все производимые в них операции выполняют на каждой поднесущей.

Опишем различные алгоритмы обработки сигналов в приемнике при пространственном мультиплексировании [12], [17].

Алгоритм максимального правдоподобия.Приемник максимального правдоподобия выполняет векторное декодирование и является оптимальным в смысле минимизации вероятности ошибки. В приемнике производят перебор всех возможных вариантов переданного вектора s. При равной вероятности передачи любых вариантовs искомым сигналом считают , минимизирующий оценку:

(2.10)

Прямая реализация алгоритма при двух независимых потоках и модуляции 16-КАМ требует перебора 16² возможных состояний сигнала, при 4 потоках ‒ 16⁴, а при модуляции 64-КАМ 64⁴ состояний. Просмотр такого числа вариантов пока практически нереализуем, хотя методы сферического декодирования, требующие дополнительного совместного исследования матрицы Н и помех, позволяют существенно уменьшить зону поиска.

Линейные алгоритмы.

Линейные алгоритмы основаны на решении системы М линейных уравнений, получаемых путем псевдообращения матрицы коэффициентов Н (2.4). Этот алгоритм принято называть ZF (Zero-Forcing). Если матрица Н квадратная, то-есть число независимых потоков данных М равно числу приемных антенн N, то вектор переданных сигналов s можно определить, умножив левую и правую части (2.5) на обратную матрицу H^-1 и решив следующую систему уравнений:

s = H^-1×r–H^-1× n(2.11)

Если число приемных антенн N больше числа принимаемых потоков данных М, то матрица Н становится прямоугольной размерностью N×М (Н_NM). В этом случае выполняют псевдообращение матрицы Н^MPпо алгоритму Мура-Пенроуза, где используют матрицу Н^Н, эрмитово-сопряженную с матрицей Н. Матрицу Н^Нполучают, транспонируя матрицу Н и заменяя все элементы h_ij на их комплексно-сопряженные значения. Оператор

(2.12)

имеет размерность М×N. Заменив в (2.11) H^-1на Н^MP, получаем

s = Н^MP ×r–Н^MP × n (2.13)

Оба варианта ZF-приемника (2.11) и (2.13) отличаются вычислительной простотой, но дают существенно худший результат в сравнении с алгоритмом максимального правдоподобия, поскольку после умножения Н^MP × nусиливается влияние помех.

С целью улучшения приема используют модифицированный ZF-алгоритм, получивший название MMSE (Minimum Mean Square Error). В MMSE-приемнике оператор Н^MP заменен оператором W_MMSE:

(2.14)

где – среднее отношение сигнал/помеха на входе приемника, M – число передаваемых слоев (потоков) данных, – единичная матрица размерности M.

Нелинейные алгоритмы.

Нелинейные алгоритмы приемников сигналов с пространственным мультиплексированием дают лучшие результаты, чем линейные, но требуют значительно бόльшего объема вычислений. Одним из наиболее известных нелинейных алгоритмов является Vertical-Bell Labs Layered Space Time Architecture или V-BLAST. Алгоритм работы V-BLAST включает в себя как линейные, так и нелинейные операции. Он основан на QR-разложении канальной матрицы H_NM с последующим определением и исключением отдельных принятых символов. Матрицу H_NM представляют в виде произведения

Н_NM= Q_NM R_MM (2.15)

где Q_NM–унитарная матрица, удовлетворяющая условию:

,

а R_MM– диагональная матрица вида

(2.16)

Далее преобразовываем уравнение (2.5), умножая его левую и правую части на ,к виду

, (2.17)

где вектор , а вектор . Отметим, что вследствие унитарности матрицы мощность помех не возрастает. В результате получаем систему уравнений

(2.18)

которую решаем, находя компоненты вектора s, начиная с последнего s_M. Нелинейность алгоритма состоит в том, что при последовательном решении системы (2.18) рассчитанные значения символов s_M, s_M-1…заменяют точными значениями используемого дискретного множества сигналов. Детали реализации алгоритма V-BLAST приведены в [1, гл.15].

Агрегация частотных полос

.Агрегация (присоединение) частотных полос является наряду с пространственным мультиплексированием основным способом увеличения скорости передачи данных. В LTE Rel. 8/9 максимальная ширина частотного канала 20 МГц. Дальнейшее расширение канала технологически затруднено, так как сложно обеспечить необходимую точность синхронизации при когерентном приеме сигналов на поднесущих с большими номерами.

Для увеличения ширины полосы в Rel. 10 предложена технология агрегация полос. Это означает, что одновременно с передачей в базовой полосе частот появляется возможность вести одновременно передачу еще в нескольких полосах. При этом в каждой новой полосе формируют индивидуальный сигнал OFDM, где поднесущие номеруют от 1 до максимальной. Это означает, что передают несколько независимых сигналов, которые могут принимать как один терминал, так и разные терминалы. Повторную передачу непринятых пакетов также осуществляют независимо в каждой полосе.

Агрегировать можно полосы разной ширины (5, 10, 20 МГц), причем число присоединенных полос вниз и вверх может быть разным (асимметричный трафик), но число полос вверх не может быть больше их числа вниз. Общее число агрегируемых полос вниз может достигать 5. Оператор может выбирать полосы из одного диапазона (подряд или с промежутками) или из разных диапазонов (рис. 2.23). Частотные диапазоны, выделенные для сетей LTE с частотным дуплексом, приведены в табл. 2.5, c временным дуплексом в табл.2.6.

Рис.2.23. Варианты выделения полос при агрегации

Мобильные терминалы, начиная с Rel.10, должны поддерживать такие режимы.

Для формализации процедур обслуживания UE одна из агрегированных полос относится к первичной соте (primary, PCell), а остальные ‒ ко вторичным (secondary, SCell). В полосе первичной соты передают всю системную информацию: синхронизирующие сигналы, канал РВСН, SIB’ы, пейджинг, ответы eNB на запросы на доступ к сети., поскольку этот канал используют все UE, обслуживаемые данным .eNB. UE, использующие агрегацию полос, получают в первичной соте индивидуальные сообщения каналов управления, включая сигнализацию NAS. В этой полосе UE производят запросы на доступ к сети и выполняют измерения, связанные с хэндовером. Сами хэндоверы также осуществляют в первичных сотах. При хэндоверах нет автоматического переключения вторичных сот. По завершении хэндовера новый eNB выделяет для UE вторичные соты, не обязательно прежние [18].

Таблица 2.5

Номер диапазона	Частоты передачи вверх ( ) UE → eNB (МГц)	Частоты передачи вниз ( ) eNB → UE (МГц)	Разнос частот между каналами вверх и вниз (МГц)
F мин – F макс	F мин – F макс	F – F
	1920 – 1980	2110 – 2170
	1850 – 1910	1930 – 1990
	1710 – 1785	1805 – 1880
	1710 – 1755	2110 – 2155
	824 – 849	869 – 894
	2500 – 2570	2620 – 2690
	880 – 915	925 – 960
	1749.9 – 1784.9	1844.9 – 1879.9
	1710 – 1770	2110 – 2170
	1427,9 – 1452,9	1475,9 – 1500,9
	698 – 716	728 – 746
	777 – 787	746 – 756	-31
	788 – 798	758 – 768	-30
	704 – 726	734 – 746
	815 – 830	860 – 875
	830 – 845	875 – 890
	832 – 862	791 – 821	-41
	1447,9 – 1462,9	1495,9 – 1510,9
	2000 – 2020	2180 – 2200
	1626,5 – 1660,5	1525 – 1559	– 101,5
	1850 – 1915	1930 – 1995

Таблица 2.6

Что касается сообщений канала PDCCH о выделении UE канального ресурса для передачи трафика, то здесь возможны 2 варианта. В каждой рабочей полосе можно сконфигурировать свой канал управления PDCCH и по нему передавать сообщения о выделении канального ресурса только для этой полосы. Однако в ряде случаев, особенно в неоднородных сетях, где в макро и микро (пико) сотах ведут передачу совместно в нескольких полосах, целесообразен вариант перекрестного управления. В этом случае для первичных сот разных подсетей выбирают разные полосы и в каждой первичной соте передают в канале PDCCH всю информацию о выделяемом канальном ресурсе в первичной и во всех вторичных сотах eNB данной подсети. Такой способ позволяет ослабить помехи при приеме сигналов PDCCH в маломощных микро и пикосотах.

Спецификации [5, AnnexJ] предлагают 5 сценариев использования технологии агрегации полос. В сценарии 1 (рис. 2.24,а) рабочие полосы F₁ и F₂ взяты из одного диапазона, покрытие сот в полосах практически одинаковое, в обеих полосах может быть обеспечена мобильность абонента.

В сценарии 2 (рис.2.24б) полосы F₁ и F₂ взяты из разных, далеко отстоящих по частоте диапазонов, например, F₁ из диапазона 17, а F₂ из диапазона 7. В этом случае каналы F₂ покрывают меньшую территорию, в зонах повышенного трафика, и мобильность абонента обеспечивается только в полосе F₁. Аналогичная ситуация возникает, когда полосы F₁ и F₂ находятся в одном диапазоне, но в полосе F₂ работают с пониженной мощностью.

а) б)

в)

Рис.2.24. Сценарии применения технологии агрегации полос

В сценарии 3 (рис.2.24в) полосы F₁ и F₂ взяты из одного диапазона, но диаграммы направленности антенн в полосе F₂ смещены так, чтобы улучшить покрытие по границам сот полосы F₁. Как следует из рис. 2.11в, лучшее покрытие и мобильность абонентов обеспечивает полоса F₁. Остальные 2 сценария относятся к неоднородным сетям LTE с использованием вынесенных радиоголовок и релейных станций [1, гл.10].

Применяя совместно технологии агрегации полос и MIMO, можно получить сквозные скорости передачи данных порядка 1 Гбит/с. При полосе радоиканала в 20 МГц и использовании модуляции 64-КАМ сквозная скорость в канале достигает 70 Мбит/с. При агрегации 4 полос по 20 МГц и, мультиплексируя 4 потока данных, получим сквозную скорость в радиоканале 4×4×70 ≈ 1 Гбит/с

Контрольные вопросы к главе 2.

1. Зачем в сетях LTE используют технологию OFDM?

2. Как осуществляют фильтрацию сигналов на отдельных поднесущих в приемнике?

3. В чем отличия сетей LTE с частотным дуплексом от сетей с временным дуплексом?

4. Зачем при передаче между символами вставляют циклический префикс?

5. Что такое технология SC-FDMA и зачем ее используют при передаче вверх?

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Селекция сот

Под селекцией сот понимают выбор соты абонентским терминалом при подключении UE к сети. Абонентский терминал выбирает соту по критерию S, который должен быть больше нуля [21]..

S_rxlev = {Q_{rxlev meas} – (Q_{rxlev min} Q_{rxlev min offset}) – P_compensation} > 0 (3.1)

Величину Q_rxlevmeasUE определяет, измеряя на входе своего приемника мощность опорных символов, передаваемых eNB. Q_rxlevmeas – этоRSRP (Reference Signal Received Power). UE измеряет RSRP в отдельных РБ, принимая опорные сигналы антенного порта 0 и порта 1, если он активен.

Q_rxlevmin – минимальная величина (порог) RSRP, при которой возможно подключение UE к сети. Q_{rxlevminoffset}– дополнительная уставка, с помощью которой оператор может регулировать пороговый уровень при подключении абонентских станций к сети. Q_rxlevmin и Q_{rxlevminoffset} передают в SIB3-4.

Величина P_compensation = max (P_EMAX – P_UMAX, 0)дБ – поправка, служащая для обеспечения надёжного соединения по радиоинтерфейсу при перемещении UE в соте. P_EMAX – максимальная требуемая мощность излучения вверх в той части соты, где потери на трассе максимальны; P_UMAX – максимальная мощность передатчика данной UE. Если разность P_EMAX – P_UMAXотрицательна, P_compensation = 0.

Реселекция сот

Когда станция находится в состоянии IDLE, то, перемещаясь по сети, она переключается от соты к соте, выполняя процедуру реселекции. Для реселекции сот UE используeт критерий R:

(3.2)

где R_s – для обслуживающей соты, а R_n – для соседней соты. Переключение на соседнюю соту происходит, если R_n.> R_s. Q_meas – уровни измеренных сигналов соответствующих сот. Для устранения множественных переключений на границах сот в (3.2) введен гистерезис Q_Hyst, а в параметры соседней соты Q_Offset Оператор также регулирует минимальные временные интервалы между последующими переключениями.

Оператор может помечать соты как доступные (acceptable for camping), недоступные (barred), и доступные только для UE выделенных групп пользователей (reserved).

Управление мощностью передачи вверх

Мощность передачи вверх по каналу PUSCH UE рассчитывает в соответствии с параметрами и командами, получаемыми от eNB, и в зависимости от типа и формата передаваемых сообщений. Формула для определения мощности специфицирована в [21]:

P_PUSCH,c = P_{O_PUSCH,c} α_c×PL_c Δ_TF,c f_c 10 log₁₀(M_PUSCH,c) дБм (3.3)

Второй индекс c внизу каждого слагаемого означает “сота” (cell). Величина P_{O_PUSCH,c =} P_{O_NOMINAL_PUSCH,c} P_{O_UE_PUSCH,c}. P_{O_NOMINAL_PUSCH,c}– номинальная мощность передачи вверх в данной соте, P_{O_UE_PUSCH,c} – поправка к этой мощности для данного UE. Оба параметра UE получает от базовой станции. PL_c – потери на трассе вниз, которые UE определяет, зная мощность излучения еNB опорного сигнала и мощность принятых ею опорных символов RSRP. С помощью коэффициента α_c(может меняться от 0 до1) оператор устанавливает, в какой мере UE следует учитывать потери на трассе.

Δ_TF,c– поправка, которую UE рассчитывает в зависимости от типа трафика (при передаче команд мощность увеличивают) и от используемой схемы модуляции и кодирования при передаче вверх (TF – Transport Format). f_c– адаптивная поправка, которую UE получает от eNB по каналу управления PDCCH при выделении канального ресурса вверх.

Все рассмотренные величины позволяют определить мощность в дБм для передачи вверх одного РБ. Полная мощность P_PUSCH,cзависит от числа выделенных UE ресурсных блоков M_PUSCH,c. Эта мощность не должна превышать максимальной мощности для передачи вверх в данной соте P_СMAX,c. Величину P_СMAX,cUE определяет, принимая SIB1. Если оказалось, что рассчитанная P_PUSCH,c > P_СMAX,c, то UE устанавливает по каналу PUSCH мощность P_СMAX,c.

Процедуры уровня МАС

Прерывистый прием (Discontinuous Reception ‒ DRX)

Прерывистый прием используют для снижения уровня мощности, потребляемой мобильным терминалом. Речь идет о микроспящем режиме, когда UE, находясь в активном состоянии, отключается от сети на определенное число субкадров. В это время она не прослушивает канал PDCCH. Время работы станции делят на 2 периода:

Для организации DRX используют несколько параметров:

DRX Cycle – определяет периодичность циклов включения и выключения станции. eNB передает станции On Duration и Inactivity Timer для реализации DRX.

On Duration – определяет число последовательных субкадров, в течении которого UE после “пробуждения” принимает канал управления PDCCH (рис. 2.17), ожидая передачи ей пакетов. Получив первое сообщение по каналу PDCCH, UE устанавливает таймер неактивности Inactivity Timer, и начинает обмен трафиком с eNB. Если за время On Duration UE не получил сообщений по каналу PDCCH, то станция снова переходит в режим “сна”.

Inactivity Timer ‒ определяет число последовательных субкадров от полученного первого сообщения по каналу PDCCH во время On Duration до конца пребывания в состоянии “сна” (off).

Active Time – это время пребывания станции в активном состоянии. Оно включает в себя промежуток On Duration и время обмена трафиком с возможной повторной передачей непринятых пакетов. Минимальная длительность Active Time соответствует On Duration. Максимальное время Active Time не определено. Фактически станция “спит” от окончания Active Time до срабатывания Inactivity Timer. Если Active Time превысит Inactivity Timer, то переход в состояние “сна” происходит по МАС-команде с eNB [22].

Длительность состояния On может составлять 1 – 200 субкадров; длитель- ность Off: 2 – 640 субкадров (короткий), 10 – 2560 субкадров (длинный).

Для предсказуемого трафика (VoIP) параметр On Duration может быть установлен, например, длиной в 1 субкадр, а DRX Cycle в 20 или 40 мс (вариант объединения нескольких пакетов трафика для их передачи в одном субкадре – packet staggering).

При больших DRX Inactivity Timer может потребоваться восстановление синхронизации при включении питания UE.

Параметры процедуры DRX описаны в [22]. Важнейшей процедурой уровня МАС является процедура доступа UE к сети. UE, приняв сигналы PSS, SSS и обеспечив синхронизацию с сетью, читает системную информацию. Далее UE посылает запрос на доступ к сети, направляя eNB преамбулу. Приняв преамбулу, eNB c помощью программы управления доступом к сети разрешает или не разрешает подсоединение. Детали процедуры рассмотрены в [1, гл.5.2].

Контрольные вопросы к главе 3.

1. Какие функции выполняют протоколы RRC и MM?

2. Что называют “сквозным каналом”? Опишите его архитектуру.

3. Какие классы трафика поддерживают сети E-UTRAN? Чем отличаются требования к трафику с гарантированной скоростью и не с гарантированной скоростью?

4. Раскройте смысл параметров TFT, ARP, APN-AMBR.

5. По каким критериям UE выбирает соту при подключении к сети E-UTRAN?

6. В чем отличия процедуры реселекции сот от селекции соты?

7. Зачем в сетях E-UTRAN используют прерывистый прием сигналов мобильной станцией и как он организован?

Процедуры уровня L3

Пейджинг

Процедура пейджинга приведена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Процедура пейджинга

Сообщения пейждинга относятся к сигнализации NAS и содержат S-TMSI или IMSI вызываемых абонентов. UE прослушивает канал пейджинга через определенное количество кадров; по умолчанию Default Paging Cycle может составлять 32, 64, 128 или 256 кадров. Субкадр, в котором UE принимает пейджинг, зависит от системного номера абонента IMSI.

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Процедура RRC connection establishment относится к протоколу RRC (рис. 4.2), описана в [11].

Рис. 4.2. Процедура RRC connection establishment

Процедура происходит при переходе UE в состояние CONNECTED из состояний Detached и IDLE. В результате процедуры устанавливается соединение по SRB1 (Signal Radio Bearer 1).

Согласно [11] передача сигнализации для каждого UE идет по организуемым SRB. SRB1 и SRB2 используют постоянно:

– SRB2 для сообщений NAS, DCCH на логическом уровне,

– SRB1 для остальных сигнальных сообщений логического уровня DCCH, в том числе и NAS до установки SRB2.

Существует также SRB0 для передачи сообщений канала СССН в начале процедуры RRC connection establishment до установления SRB1.

Сообщение RRC Connection Request содержит:

– идентификатор UE (S-TMSI при пейджинге и при повторных запросах услуг),

– причину запроса соединения – срочный вызов (emergency), высокоприоритетный доступ (High Priority Access), доступ, инициируемый сетью (Mobile Terminating), передача данных, инициируемая UE (Mobile Originating), сигнализация, инициируемая UE (Mobile Originating).

Сообщение RRC Connection Setup устанавливает SRB1.

Процедура Attach

С процедуры Attach (подключения) начинается каждый сеанс связи. При этом происходит регистрация UE в сети, подсоединения UE к EPC для реализации услуг передачи пакетного трафика. Ядро сети организует сквозное соединение по протоколу IP: сквозной канал по умолчанию (default EPC bearer). После выполнения процедуры Attach могут быть добавлены один или несколько выделенных каналов (процедура Dedicated Bearer Establishment). При выполнении процедуры Attach происходит активизация или выделение абоненту IP-адреса.

Спецификациями [20] предусмотрены 3 варианта запуска процедуры:

– когда UE находится в режиме с коммутацией пакетов,

– когда UE находится в состоянии с коммутацией каналов/пакетов,

– при организации срочных вызовов (emergency). При этом возможна ситуация, когда ММЕ (сеть) не поддерживает срочных вызовов. Существуют особенности процедуры Attach при межсистемных хэндоверах.

Алгоритм процедуры приведен на рис.4.3 [20]. Первое сообщение Attach Request (рис.4.3, п.1), которое UE посылает на eNB, содержит большое число параметров, в том числе:

– идентификатор абонента (IMSI или GUTI = GUMMEI M-TMSI),

– идентификатор последней визитной зоны TAI (Tracking Area Identity),

– UE Core Network Capability (возможность работы в разных сетях, поддержка IMS и проч.),

– тип процедуры (EPS Attach, Combined EPS/IMSI Attach, Emergency Attach),

– параметры, необходимые для выполнения процедур безопасности, если они были установлены ранее. При этом UE может защитить целостность передаваемого сообщения Attach Request. При положительном результате проверки целостности пришедшего сообщения Attach Request ММЕ использует для выполнения защиты информации хранящиеся в базе данных абонента вектора аутентификации [1, гл.6].

Attach Request также содержит указание требуемого типа пакетной сети (поддержка протоколов IPv4, IPv6 или IPv4/IPv6) и соответственный вариант IP-адреса. UE может установить прямой обмен параметрами с PDN GW Рис. 4.3. Процедура Attach

посредством РСО (Protocol Configuration Options), в том числе в зашифрованном виде.[6] При этом UE передает на PDN GW имя точки доступа APN и совокупную максимальную скорость передачи в точке доступа APN-AMBR (Aggregated maximum Bit Rate).[7]

В п.2 eNB извлекает из Attach Request, переданного UE, идентификатор ММЕ, который обслуживал UE в предыдущем сеансе связи. Если eNB не имеет выхода на этот ММЕ, то он выбирает новый ММЕ, который будет обслуживать абонента. В сообщение Attach Request,направленном обслуживающему ММЕ, eNB дополнительно включает глобальный идентификатор зоны TAI и глобальный идентификатор соты ECGI (E-UTRAN Cell Global Identifier), откуда поступил запрос. TAI (Tracking Area Identity) состоит из кода страны, кода оператора и кода зоны TAC (Tracking Area Code – 16 бит). В ECGI в макро и микросетях идентификатор eNB определяют 20 бит, а в фемтосетях 28 бит являются кодом домашней базовой станции НeNB. [23]. Таким образом, уже на этапе подключения абонента к сети его можно локализовать с точностью до соты.

П.3. Если произошла смена ММЕ после последнего сеанса связи, то новый ММЕ (new MME) пересылает Attach Request Message на старый ММЕ (old MME) для получения системного номера (IMSI) абонента. Старый ММЕ проверяет целостность полученного сообщения Attach Request и отвечает сообщением Identification Response. Оно содержит IMSI абонента и его базу данных (MM Context), сохраненную с предыдущего сеанса связи. Если база абонента удалена или целостность сообщения Attach Request нарушена, то старый ММЕ сообщает об ошибке и полностью производится процедура безопасности по протоколу ММ (пп. 4 – 6).

П.4. Если идентификатор абонента IMSI не удалось определить, ММЕ посылает запрос абоненту Identity Request. Ответ Identity Response содержит IMSI.

П.5а – процедуры взаимной аутентификации и установления режима шифрации выполняют обязательно, если параметры безопасности определяют заново. Если можно использовать результаты предыдущего сеанса связи, то необходимость выполнения п.5а определяет оператор.

В п.5b осуществляют проверку мобильного терминала (IMEI – International Mobile Equipment Identity).

П.6 выполняют в том случае, когда UE просит организовать в РСО шифрацию при передаче параметров подключения к IP-сети в PDN GW (см. п.1).

П.7. Если при завершении предыдущего сеанса связи в контексте абонентских параметров, сохраненных в старом ММЕ, не были удалены параметры организованных сквозных каналов (процедура завершения сеанса связи Detach не была выполнена полностью), новый ММЕ удаляет эти каналы, посылая команду Delete Session Request в S-GW и PDN GW. PDN GW сообщает PCRF о завершении предыдущего сеанса связи и о высвобождении выделенного канального ресурса – блоки (Е) – (А). Это же относится и к блокам (F) – (B) п.10, когда произошла замена ММЕ.

П.8. Если произошла смена ММЕ или база данных абонента в ММЕ организуется заново, то новый ММЕ направляет запрос Update Location Request в HSS. HSS фиксирует идентификатор обслуживающего абонента ММЕ, даёт команду стереть базу данных абонента в старом ММЕ (Cancel Location, п.9) и посылает сообщение Update Location Ack) в новый ММЕ (п.11).

В команде Update Location Ack передают IMSI абонента и Subscription Data – параметры услуг (PDN Subscription Context), которые могут быть предоставлены абоненту. В Subscription Data записаны параметры одной или нескольких услуг (РDN) для APN. Каждая услуга в PDN Subscription Context содержит требования к качественным характеристикам: EPS Subscription QoS Profile. Новый ММЕ проверяет возможность обслуживания абонента в новой зоне. Если абонент не имеет прав на обслуживание в данной зоне, тогда ММЕ прерывает процедуру Attach, о чем UE получает соответствующее уведомление.

П.12. Команда Create Session Request содержит все данные, которые необходимы для организации сквозного канала по умолчанию. В большинстве случаев UE передаёт имя точки доступа APN, что определяет адрес PDN GW. Если APN неизвестен, то ММЕ выделяет его по умолчанию.

ММЕ выбирает S-GW и назначает идентификатор сквозного канала по умолчанию. В сообщении Create Session Request передают IMSI, MSISDN[8], IMEI, адрес PDN GW, параметры QoS организуемого канала, IP-адрес абонента, тип протокола на интерфейсе S5/S8, ECGI, временной пояс, где находится абонент[9], APN-AMBR и ряд параметров, характеризующих сеть и особенности процедуры. Create Session Request также содержит идентификатор туннеля TEID на сигнальном интерфейсе S-11 в направлении S-GW → ММЕ (рис. 1.1).

П.13. S-GW создаёт новую запись в таблице сквозных каналов и пересылает полученные от ММЕ параметры, в том числе информацию о локализации абонента, на PDN GW по адресу, указанному в команде (п.12). Сообщение (п.13) Create Session Request также сдержит конечные точки TEID туннелей в плоскости трафика и сигнальной плоскости на интерфейсе S5/S8 в направлении PDN GW → S-GW. Теперь S-GW готов буферизировать пакеты, следующие вниз от PDN GW.

П.14. Получив сообщение Create Session Request, PDN GW осуществляет процедуру запуска сеанса связи IP-CAN (Connectivity Access Network) Session Establishment или его модификации (Modiification) в случае хэндовера. Всю информацию об абоненте и организуемой услуге: IMSI, IP-адрес абонента, APN, сеть обслуживания, данные о локализации и др. PDN GW направляет в PCRF, который может принять, а может и изменить параметры QoS организуемого сквозного канала. При назначении тарифа для оплаты услуг используют данные о локализации абонента и часовом поясе, где он находится.

П.15. PDN GW создаёт в базе данных сквозных каналов запись о новом канале и присваивает ему идентификатор для тарификации трафика (Charging Id). Теперь и в PDN GW, и в S-GW открыты базы данных абонента. Организуется сквозной канал для пакетного обмена между PDN GW и S-GW. Сообщение Create Session Response содержит все характеристики сквозного канала, в том числе варианты используемого протокола IP (IPv4 или IPv6). Активизируется PDN адрес абонента. Абонент может иметь статический или динамический адрес в домашней сети или получить динамический адрес в визитной сети. Выделение динамического адреса осуществляет DHCP (Domain Host Configuration Protocol). Для создания туннелей вверх на интерфейсе S5/S8 в Create Session Response передают TEID туннельных соединений в пользовательской и сигнальной плоскостях.

Теперь пришедшие ранее пакеты данных из PDN GW могут быть переданы в буфер S-GW.

П.16. Получив сообщение Create Session Response, S-GW заносит характеристики сквозного канала в базу данных и передаёт необходимые параметры в ММЕ для организации сквозного канала на интерфейсе S1 м радиоинтерфейсе.

П.17. ММЕ передает на eNB 2 сигнальных сообщения. Внутреннее сообщение Attach Accept содержит параметры организованного сквозного канала, номер сигнального сообщения NAS между UE и ММЕ и новый GUTI, если абонента стал обслуживать новый ММЕ. Сообщение Attach Accept в п. 18 будет далее переслано UE. В п.17 Attach Accept размещено в команде Initial Context Setup Request, где дополнительно для eNB передают параметры безопасности, а также сквозного канала на интерфейсе S1:, адрес S-GW и TEID туннеля вверх на S1.

П.18. eNB направляет UE сообщение RRC Connection Reconfiguration, содержащее Attach Accept и идентификатор сквозного канала на радиоинтерфейсе EPS Radio Bearer Identity. UE получает имя точки доступа APN и активизированный IP-адрес. В ответном сообщении RRC Connection Reconfiguration Complete (п.19) UE подтверждает получение необходимой информации.

П.20. Сообщение Initial Context Setup Response содержит адрес eNB и TEID сквозного канала вниз на интерфейсе S1.

П.21. В сообщении Direct Transfer UE передаёт команду Attach Complete (идентификатор сквозного канала, номер сообщения NAS), адресованную ММЕ. eNB ретранслирует Attach Complete в ММЕ (п.22). После этого UE может начать передачу пакетов вверх.

П.23. Сообщение Modify Bearer Request содержит идентификатор сквозного канала, адрес eNB, eNB TEID, что необходимо для организации на интерфейсе S1 туннеля вниз.

При межсистемном хэндовере в Modify Bearer Request передают индикатор хэндовера и далее выполняют команды 23а и 23b (блок D). S-GW информирует PDN GW о завершении организации сквозного канала на участке eNB ‒ S-GW. Теперь пользовательские пакеты можно направлять на eNB по интерфейсу S1.

П.24. Команда Modify Bearer Response является подтверждением получения команды Modify Bearer Request. Теперь модно начать прямую передачу пользовательских пакетов вниз.

Сообщения пп.25 и 26 передают только в том случае, если ММЕ назначил для сквозного канала PDN GW отличный от того, что прописан в базе данных абонента в HSS. ММЕ информирует HSS о выбранном PDN GW и APN. HSS вносит их в базу данных абонента и отправляет в ММЕ подтверждение.

Процедура локализации

Процедура локализации TAU (Tracking Area Update) происходит, когда UE, находящийся в состоянии IDLE, перемещается при движении абонента в соту, расположенную в зоне слежения, которая не указана в списке зон регистрации абонента. Напомним, что ММЕ может регистрировать абонента в одной зоне слежения или в нескольких зонах. В этом случае UE при последней локализации получает от ММЕ список зон, по которым будут передавать сигналы пейджинга. В сети также предусмотрена периодическая локализация, когда UE через определенное время запускает процедуру TAU, чтобы подтвердить свою доступность.

Когда UE зарегистрирован в сети и пребывает в состоянии IDLE, в ММЕ, S-GW, PDN GW открыты базы данных абонента, сохраняются сигнальные туннели на S1, S5/S8 и туннели для сквозных каналов на S5/S8. Процедура TAU может происходить без замены ММЕ, со сменой ММЕ и со сменой S-GW. Алгоритм процедуры с заменой ММЕ приведен на рис. 4.4 [20].

Процедуру запускает UE (п.1). После установления соединения с сетью следует сообщение Tracking Area Update (TAU) Request (п.2). Оно содержит идентификаторы и параметры обслуживающей абонента сети, GUTI, идентификатор последней зоны пребывания UE, параметры безопасности, порядковый номер передаваемого сообщения NAS. Эта команда должна быть защищена кодом целостности сообщения МАС (Message Authentication Code). [10]

П.3. Из полученного сообщения eNB извлекает старый GUMMEI и определяет сеть, в которой зарегистрирован абонент. eNB направляет запрос на локализацию в новый ММЕ, дополняя его параметром TAI ECGI, что позволяет локализовать абонента с точностью до соты.

П.4. ММЕ определяет старый ММЕ (old MME) и отправляет ему запрос Context Request для получения базы данных абонента. Это сообщение содержит TAU Request, чтобы старый ММЕ мог проверить и подтвердить его целостность. Если TAU Request содержал параметры SGSN, то запрос направляют в SGSN.

П.5. Старый ММЕ проверяет целостность сообщения TAU Request и если она подтверждена, то в сообщении Context Response пересылает базу данных абонента и UE: IMSI, MSISDN, параметры безопасности, контекст сквозных каналов, адрес сигнальный TEID S-GW и т.д. Если целостность TAU Request нарушена или в старом ММЕ нет базы данных абонента, то Context Response содержит информацию об ошибке. В этом случае обязателен к выполнению п.6. ММЕ запускает в полном объеме процедуры безопасности: аутентификации и генерации ключей шифрации и целостности [1, гл.6]. При получении параметров безопасности в Context Response объем выполнения п.6 определяет оператор. ММЕ отправляет в старый ММЕ подтверждение в получении базы данных абонента (Context Acknowledge, п.7).

П.9. Если произошла смена ММЕ, новый ММЕ создает базу данных абонента, устанавливая контекст его сквозных каналов, полученный из старого ММЕ. При этом он проверяет возможность поддержки ранее организованных каналов и деактивирует те соединения, которые он поддерживать не может. Далее он организует сигнальное соединение на интерфейсе S11. Сообщение Modify Bearer Request содержит тип сети, адрес ММЕ и TEID. Опционально ММЕ может активизировать ISR. Из полученного контекста сквозных каналов абонента ММЕ определяет адрес S-GW и при смене сети передает в S-GW идентификатор новой сети, а также изменения часового пояса обслуживания абонента и его местоположения.

Рис. 4.4. Процедура TAU с заменой ММЕ

ПП. 10. 11, 12 (блок А) выполняют в случае, когда произошла смена сети обслуживания, часового пояса или локализации абонента, что связано с изменением тарифов услуг. S-GW передаёт необходимую информацию в PDN GW, а PDN GW запускает процедуру IP-CAN Session Modification Procedure [20].

П.13. S-GW обновляет базу данных абонента и направляет в ММЕ сообщение Modify Bearer Response, содержащее адрес S-GW и TEID для передачи трафика вверх.

П.14. Новый ММЕ проверяет наличие необходимых данных для UE и, если произошла смена ММЕ, информирует об этом HSS (Update Location Request), сообщая свой адрес и возможности в обслуживании абонента. HSS посылает в старый ММЕ команду Cancel Location (п.15). Старый ММЕ может сразу удалить базу данных абонента или спустя некоторое время, запустив соответствующий таймер. В HSS он отсылает подтверждение Cancel Location Ack.

ПП.17 и 18 выполняют в том случае, когда UE подсоединен через Iu интерфейс с контроллером сети GERAN/UTRAN.

П.19. HSS подтверждает получение сообщения от нового ММЕ (Update Location Ack) и при необходимости передаёт в новый ММЕ дополнительные данные об абоненте. ММЕ завершает формирование базы данных абонента. В сообщении Tracking Area Update Accept (п.20) абонент получает GUTI, список зон регистрации (TAI-list), статус сквозных каналов (часть прежних каналов может быть удалена). Если GUTI изменился, UE подтверждает получение сообщения Tracking Area Update Accept (п.21).

4.5. Перевод абонентской станции в состояние Idle

При переводе UE из состояния CONNECTED в состояние IDLE происходит разрыв сигнального соединения UE – ММЕ и разрушение участков сквозных каналов трафика на радиоинтерфейсе и интерфейсе S1. eNB удаляет базу данных, относящуюся к UE. В спецификациях [20] ‒ это S1 Release Procedure (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Процедура освобождения интерфейса S1

Обычно эту процедуру запускает eNB (п.1), например, при срабатывании таймера неактивности абонента или разрыва с UE сигнального соединения, но её может инициировать и ММЕ. Получив от eNB сообщение S1-AP: S1 UE Context Release Request, ММЕ направляет в S-GW команду Release Access Bearer Request (п.2).

S-GW убирает из базы данных UE всё, что касается eNB (адрес и TEID по S1 вниз) и отвечает ММЕ сообщением Release Access Bearer Response (п.3). Все остальные данные контекста UE S-GW сохраняет. Это параметры организованных ранее сквозных каналов данного абонента, в частности, туннелей на интерфейсе S5/S8 и их конфигурацию на S1-U. Сохраняются и TEID туннельных соединений вверх на S1-U и S11. Поэтому при поступлении пакетов входящего трафика, когда UE находится в состоянии IDLE, S-GW буферизирует эти пакеты и запускает процедуру Service Request (рис. 4.6).

П.4. ММЕ освобождает интерфейс S1, отправляя eNBкомандуS1-AP: S1 UE Context Release Command. Если eNB ещё не разорвал соединения с UE по протоколу RRC, он передает UE сообщение RRC Connection Release (п.5), требуя подтверждения. В сообщении S1-AP: S1 UE Context Release Complete (п.6)eNB информирует ММЕ об освобождении интерфейса S1 от сквозных каналов абонента. Получив от UE подтверждение получения сообщения (п.5), eNB удаляет базу данных UE.

MME из контекста UE стирает всю информацию, относящуюся к eNB (адрес, идентификаторы соединений), но остальные данные сохраняет для последующей процедуры Service Request.

4.6. Процедура Service Request

Service Request – процедура запроса услуги передачи данных по ранее организованному сквозному каналу. На интерфейсе S5/S8 существует туннель для пакетов трафика, а в PDN GW, S-GW и ММЕ‒ параметры сквозного канала занесенные в соответствующие базы данных. Процедуру может инициировать как абонент, так и сеть (входящий вызов). Как правило, при этой процедуре станция переходит из состояния IDLE в состояние CONNECTED. Алгоритм процедуры Service Request при запуске со стороны абонента представлен на рис. 4.6 [20].

UE посылает сообщение NAS:Service Request (п.1), которое eNB доставляет в ММЕ, дополняя его идентификатором соты (TAI ECGI) и временным идентификатором абонента S-TMSI. (п.2). ММЕ может запустить процедуры аутентификации и генерации ключей безопасности или использовать данные, полученные ранее (п.3) [1, гл.6].

ММЕ направляет в eNB сообщение S1-AP: Initial Context Setup Request (п.4). Оно содержит адрес S-GW, TEID туннеля вверх на интерфейсе S1-U, параметры QoS организуемого сквозного канала, параметры безопасности, идентификатор сигнального соединения, список ограничений при хэндовере[11]. eNB заполняет базу данных обслуживаемого абонента и организует канал трафика на радиоинтерфейсе, включая шифрацию пользовательской информации (п.5). Теперь UE может начать передачу пользовательских пакетов вверх Uplink Data (п.6).

Рис.4.6. Процедура Service Request, запускаемая UE

П.7. eNB в сообщении S1-AP: Initial Context Setup Complete, передает ММЕ свой адрес, список установленных (принятых) и удаленных сквозных каналов абонента, TEID туннеля вниз на интерфейсе S1-U.

П.8. ММЕ отсылает S-GW сообщение Modify Bearer Request (адрес eNB, TEID туннеля вниз на интерфейсе S1-U, тип сети радиодоступа RAT). Теперь завершена организация туннельного соединения на интерфейсе S1-U. Если произошли изменения сети обслуживания абонента или часового пояса, то эту информацию ММЕ также включает в данную команду.

ПП.9 – 11 (блок А) выполняют только при смене сети обслуживания абонента или часового пояса. Эти изменения должны быть учтены PCRF, в частности, в установлении тарифов.

Подтверждение S-GW о завершении организации сквозного канала (п.12 Modify Bearer Response) заканчивает процедуру.

Алгоритм процедуры Service Request при входящих вызовах (поступлении пакетов трафика со стороны сети) показан на рис. 4.7 [20].

Он представляет собой процедуру Service Request, рассмотренную ранее (в п.5 использован алгоритм на рис. 4.6), дополненную командами пейджинга абонентского терминала.

Рис.4.7. Процедура Service Request, запускаемая сетью

Пришедшие пакеты трафика PDN GW направляет в S-GW по существующему туннелю на интерфейсе S5/S8. S-GW их буферизирует. Передавать дальше он их не может, так как сквозной канал на участке UE ‒ eNB ‒ S-GW отсутствует. S-GW определяет, какой ММЕ или SGSN ведет базу данных абонента и посылает туда уведомление (п.2а Downlink Data Notification). ММЕ или SGSN подтверждают получение уведомления (п.2b Downlink Data Notification Ack), формируют сообщение пейджинга (3а,b), которое через eNB или RNC/BSC доставляют UE (4a,b).

Если UE находится в состоянии IDLE, то алгоритм (рис.4.6) выполняют полностью, начиная с первого сообщения NAS:Service Request. В том случае, когда между UE и ММЕ существует сигнальное соединение (например, абонент получает трафик по другому сквозному каналу), но туннель на S1-U для данной услуги отсутствует, то алгоритм (рис. 4.6) запускают с п.4: ММЕ посылает команду S1-AP: Initial Context Setup Request организовать сквозной канал на радиоинтерфейсе.

ПП.6а и 6b выполняют, когда активизирован ISR. Если S-GW получил информацию от ММЕ об отправке сообщения пейджинга, он посылает SGSN команду Stop Paging. Наоборот, при отправке сообщения пейджинга из SGSN команду Stop Paging получает ММЕ.

Процедура Detach

Процедуру Detach – отключение абонента от сети, может запускать как абонент, так и сеть, например, когда истекает время нахождения UE в состоянии IDLE. В этом случае процедуру инициирует ММЕ.

На рис. 4.8 приведен протокол процедуры Detach, запускаемой UE [20].

UE посылает сообщение Detach Request, содержащее GUTI и Switch off (п.1). eNB, пересылая это сообщение в ММЕ, добавляет к нему идентификатор соты, где находится абонент, TAI ECGI.

Посылая сообщение Delete Session Request в S-GW (п.2), MME запускает процедуру деактивации сквозных каналов. S-GW стирает базу данных абонента и отправляет команду Delete Session Request в PDN GW деактивировать сквозные каналы на интерфейсе S5/S8 (п.6). PDN GW стирает базу данных абонента и запускает процедуру освобождения канального ресурса (завершения сеанса связи) IP-CAN Session Termination Procedure (п.8) [23]. О выполнении команд S-GW информирует ММЕ (п.3), а PDN GW ‒ S-GW (п.7).

Рис.4.8. Процедура Detach

Если был активирован ISR, т.е. UE был параллельно подключен к сетям E-UTRAN и GERAN/UTRAN, ММЕ командой Detach Notification (п.4) деактивирует базу данных абонента в SGSN, о чем тот информирует S-GW (п.5, Delete Session Request). В этом варианте процедуры команду (п.6) S-GW отсылает только после получения сообщения (п.5).

Сообщения (пп.9, 10, 11), подтверждающие выполнение соответствующих команд, опциональны. Командой Signaling Connection Release (п.12) ММЕ освобождает сигнальное соединение на интерфейсе S1. Происходит стирание данных UE в eNB. ММЕ сохраняет базу данных абонента в заблокированном состоянии.

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Процедура внутрисистемного хэндовера описана в [1,гл.5.3]. Она состоит из 3 этапов: подготовки к хэндоверу, собственно хэндовера и завершения хэндовера (запаздывающего переключения). Стандарт предусматривает 2 варианта хэндовера:

– с использованием интерфейса Х2, напрямую связывающего исходный (source) eNB и целевой (target) eNB, на который сеть переключает UE,

– без использования интерфейса Х2, когда весь сигнальный обмен идет по интерфейсу S1-C (рис. 1.1).

– Хэндовер может происходить без смены S-GW и со сменой обслуживающего шлюза. В данном пособии рассмотрим протокол первого варианта хэндовера без смены S-GW. Хэндоверы со сменой S-GW и второй вариант описаны в [20].

Алгоритм первых двух этапов процедуры представлен на рис.4.13 [5]. Сплошными линиями на рис.4.13 показаны сигнальные сообщения, пунктиром – передача пакетов трафика.

На первых двух этапах хэндовера использована сигнализация протокола RRC и интерфейса Х2. При подготовке хэндовера исходный eNB дает UE команду произвести измерения сигналов конкретного eNB для выбора его как целевого объекта (п.1). Для передачи результатов измерений UE получает дополнительный канальный ресурс вверх (UL allocation). UE передает запрошенные данные (п.2), на основе которых исходный eNB принимает решение о запуске процедуры хэндовера (п.3).

П.4. Исходный eNB отправляет на целевой сообщение Handover Request. Оно содержит параметры сигнальных соединений UE на интерфейсах S1 и Х2, идентификатор целевой соты, ключ k_eNB для выполнения процедур безопасности, контекст UE по протоколу RRC, включая идентификатор C-RNTI абонента в исходной соте, идентификатор исходного eNB, информацию о поддерживаемых сквозных каналах, включая их идентификаторы и профили QoS.

П.5 Целевой eNB выполняет процедуру управления доступом (Admission Control), оценивая канальный ресурс, который он должен выделить для всех сквозных каналов абонента. Если ресурса достаточно, eNB дает согласие на хэндовер и подготавливает конфигурацию каналов управления на радиоинтерфейсе к подключаемому UE.

П.6. В сообщении Handover Request Acknowledge целевой eNB передает прозрачный контейнер параметров для UE. Среди этих параметров новый C-RNTI, идентификаторы алгоритмов безопасности, системная информация. Опционально может быть передан код преамбулы RACH для процедуры доступа UE к сети. По существу целевой eNB передает сообщение RRCConnectionReconfiguration, содержащее контейнер с mobilityControlInformation. Исходный eNB шифрует это сообщение, защищает его целостность и транслирует UE (п.7). UЕ начинает выполнение операций хэндовера. В целях ускорения процедуры он не отправляет на исходный eNB подтверждения полученной команды.

Начинается второй этап процедуры. Исходный eNB отсылает целевому eNB сообщение SN Status Transfer, содержащее информацию о состоянии передачи SDU (Service Data Units), включая номера пакетов для повторной передачи (п.8). После этого по каналу трафика интерфейса Х2 следует передача буфера данных.

П.9. UE синхронизируется с целевым eNB и, используя полученные в контейнере с mobilityControlInformation параметры, посылает преамбулу запроса на доступ к целевому eNB. Приняв запрос, целевой eNB выделяет UE канальный ресурс для передачи вверх и передает параметр TA (Timing Advance) (п.10). В ответ UE отсылает подтверждение завершения хэндовера RRCConnectionReconfigurationComplete, содержащее новый C-RNTI. Теперь передача трафика может возобновиться.

П.11. Процедура подключения UЕ к целевому eNB завершена. UЕ отправляет на новый обслуживающий его eNB сообщение RRCConnectionReconfigurationComplete с новым C-RNTI вместе с сообщением о статусе его буфера. Начинается передача трафика в обоих направлениях. При этом в направлении вверх трафик идет по прямому маршруту UE → целевой eNB → S-GW, но в направлении вниз по-прежнему через исходный eNB: S-GW → исходный eNB, поскольку в S-GW TEID туннеля вниз на интерфейсе S1-U расположен в исходном eNB. Поэтому в процедуре предусмотрен 3-й этап – запаздывающее переключение с целью организации туннеля вниз на S1-U: S-GW → целевой eNB. Алгоритм этого этапа представлен на рис. 4.14 [20].

Рис. 4.13. Процедура внутрисистемного хэндовера (два первых этапа)

П.1. Целевой eNB отправляет ММЕ сообщение Path Switch Request, содержащее TAI ECGI соты, где находится абонент, и список сквозных каналов, которые следует переключить на данный eNB. ММЕ по списку сквозных каналов проверяет, какие каналы были переключены на целевой eNB. Каналы, которые переключены не были, ММЕ снимает с обслуживания.

П.2. ММЕ посылает сообщение Modify Bearer Request (адрес визитного eNB, TEID для всех сквозных каналов вниз на S1-U). Если PDN GW запрашивает информацию о местоположении абонента, то ММЕ включает ее в свое сообщение.

ПП.3а и 3b (блок А) опциональны и выполняются только в том случае, когда из-за изменения положения абонента меняется тарификация услуг.

Рис 4.14. Процедура внутрисистемного хэндовера (третий этап)

S-GW посылает ММЕ подтверждение Modify Bearer Response и начинает передачу пакетов вниз непосредственно целевому eNB по новому туннелю. Одновременно S-GW посылает исходному eNB специальные пакеты-маркеры (End marker) (п.5). Эти пакеты не содержат пользовательской информации, а то, что они маркерные, помечено в заголовке GTP. После передачи маркерных пакетов S-GW больше абонентских пакетов исходному eNB не шлет.

Исходный eNB пересылает маркерные пакты на целевой eNB и по интерфейсу Х2 направляет полученные им из S-GW за время хэндовера пользовательские пакеты, которые он далее передает на UE.

П.6. Сообщением Path Switch Request Ack ММЕ подтверждает сообщение (п.1). Если при хэндовере какие-либо сквозные каналы не были переключены на целевой eNB, то ММЕ помечает их в Path Switch Request Ack с целью удаления в целевом eNB контекста этих каналов. Целевой eNB направляет исходному eNB сообщение Release Resource (п.7), информируя его о завершении хэндовера и высвобождении им ресурса по обслуживанию данного UE.

Если в результате хэндовера UE вышел из предписанного списка зон слежения, то по завершении передачи трафика UE запускает процедуру локализации (п.8).

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Межсистемные хэндоверы UE возможны между сетями E-UTRAN (LTE)–UTRAN (UMTS), E-UTRAN–GERAN и E-UTRAN–CDMA2000. В этом и следующем параграфах будут рассмотрены хэндоверы E-UTRAN–UTRAN.

Процедура хэндовера из E-UTRAN в UTRAN состоит из двух фаз: подготовки хэндовера и выполнения хэндовера. До начала процедуры трафик идет через исходный eNB (Source eNB), исходный S-GW и PDN GW. Алгоритм подготовки хэндовера приведен на рис. 4.15 [20].

Рис.4.15. Подготовка хэндовера из E-UTRAN в UTRAN

П.2. Процедуру запускает исходный eNB (п.1). eNB посылает ММЕ сообщение Handover Required, содержащее Cause[12], идентификатор целевого (target) RNC и контейнер данных для того, чтобы выделить необходимые ресурсы для обслуживания абонента в RNC, SGSN и S-GW. Далее в п.7 SGSN идентифицирует сквозные каналы, которые надо будет организовать при переключении на сеть UMTS (UTRAN).

П.3. Из полученного сообщения ММЕ определяет, что eNB запрашивает межсетевой хэндовер. ММЕ определяет целевой (target) SGSN, который будет обслуживать абонента в сети UMTS. Если активизирован ISR, то приоритетным будет SGSN, где зарегистрирован абонент. ММЕ отправляет SGSN сообщение Forward Relocation Request о выделении ресурсов для обслуживания абонента, включающее IMSI, идентификатор RNC, Cause, базу данных (контекст) по протоколу ММ, идентификатор текущей сети обслуживания, адрес ММЕ и TEID интерфейса для сигнализации, контейнер данных абонента, часовой пояс обслуживания абонента. В сообщении приведен контекст всех сквозных каналов, обслуживающих абонента, для каждого соединения указана точка доступа (APN), а также адрес исходного S-GW и его TEID на сигнальном туннеле вверх.

Получив сообщение Forward Relocation Request, целевой SGSN устанавливает PDP-контекст абонента и заносит в него параметры переключаемых сквозных каналов. База данных по протоколу ММ обеспечивает выполнение процедур безопасности при обслуживании абонента в сети UMTS. SGSN определяет максимальную пропускную способность потоков данных абонента через точки доступа.

SGSN устанавливает контекст сквозных каналов для UE.

П.4. В случае смены сети обслуживания SGSN заменяет исходный S-GW на целевой (target) S-GW и направляет ему сообщение Create Session Request. Оно содержит IMSI, адрес SGSN и TEID для сигнального соединения, адреса PDN GW для пользовательских каналов и сигнальных соединений, PDN GW TEID туннелей вверх в пользовательской и сигнальной плоскостях, тип соединения на S5/S8 (IPv4 или IPv6). Требуемый тип протокола устанавливает S-GW.

Целевой S-GW выделяет ресурс для обслуживания абонента и отвечает сообщением Create Session Response (адреса S-GW в пользовательской и сигнальной плоскостях, TEID туннелей вверх в пользовательской и сигнальной плоскостях) – п.4а.

П.5. SGSN посылает запрос Relocation Request на целевой RNC для выделения канального ресурса и организации туннелей. Запрос содержит идентификатор UE, Cause, индикатор ядра сети, базу данных для выполнения процедур безопасности, список сквозных каналов с их параметрами , контейнер данных UE, информацию об ограничениях доступа абонента к ресурсам сети при хэндоверах. В запрос также включают адрес S-GW в пользовательской плоскости в случае прямого туннеля RNC ↔ S-GW или адрес SGSN при непрямом туннеле и соответствующие TEID для туннелей вверх. RNC выделяет ресурсы для организации запрошенных сквозных каналов.

П.5а. В обратном сообщении Relocation Request Acknowledge RNC отправляет контейнер для eNB, список установленных сквозных каналов и, если есть таковые, список каналов, которые не установлены и чей контекст будет деактивирован. Теперь RNC готов принимать пакеты данных абонента в направлении вниз по организованным сквозным каналам.

П.6 выполняют в случае замены S-GW и создания обходного пути (Indirect Forwarding) для трафика вниз в процессе хэндовера. Если в UTRAN существует прямой туннель GW↔RNC (см.комментарий к рис.1.6), то в сообщении Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request целевой S-GW получает адрес и TEID RNC. При использовании непрямого туннеля S-GW получает адрес и TEID SGSN. В обратном сообщении Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response S-GW передает свой адрес и TEID (п.6а).

П.7. SGSN отправляет ММЕ ответ Forward Relocation Response (Cause, адрес SGSN и TEID для сигнализации, контейнер для UE, индикатор замены S-GW, информация об организации сквозных каналов в сети UTRAN и параметры для организации промежуточных туннелей при передаче трафика вниз в процессе хэндовера).

Если не было замены S-GW или была замена, но существует прямое физическое соединение между исходным eNB и целевым RNC (Direct Forwarding), то сообщают адрес и TEID RNC для каналов трафика.

Если нет физического соединения между исходным eNB и целевым RNC (Indirect Forwarding) и произошла замена исходного S-GW на целевой, то сообщают адрес и TEID целевого S-GW.

Если замены S-GW не было, но при передаче вниз будут использованы Indirect Forwarding и непрямой туннель S-GW → SGSN, то сообщают адрес и TEID SGSN.

П.8 выполняют при организации Indirect Forwarding. ММЕ направляет в S-GW, используемый при Indirect Forwarding, сообщение Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request, содержащее идентификаторы сквозных каналов, адрес и TEID, полученные ММЕ в п.7. Обычно этим S-GW является исходный S-GW, но может быть и другой обслуживающий шлюз. В ответном сообщении Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response (п.8а) S-GW сообщает свой адрес и TEID для организации временного туннеля.

Алгоритм следующей фазы выполнения хэндовера показан на рис. 4.16.

П.1. ММЕ завершает подготовку к хэндоверу, посылая eNB Handover Command, содержащую контейнер для eNB, список сквозных каналов, которые следует деактивировать, и каналов, которые надо организовать для временной передачи трафика вниз (Bearers Subject to Data forwarding list). Для организации этих каналов eNB получает адреса и TEID, которые были пересланы ММЕ в пп. 7 при Direct Forwarding или 8а при Indirect Forwarding подготовительной фазы (рис. 4.16). В результате будет обеспечен либо прямой путь передачи данных eNB → RNC, либо обходной через исходный S-GW в зависимости от конфигурации сети.

П.2. eNB посылает UE команду выполнить хэндовер. В этой команде UE передают контейнер, содержащий необходимые для хэндовера параметры, которые RNC загрузил в контейнер в подготовительной фазе. Приняв команду, UE останавливает передачу трафика вверх, идентифицирует сквозные каналы в соответствии с протоколом доступа с коммутацией пакетов в UTRAN и выполняет процедуру хэндовера согласно [25] (п.4). По завершении хэндовера UE может начать передавать трафик вверх.

Что касается передачи трафика вниз, то при смене S-GW он по-прежнему идет по маршруту PDN GW→исходный S-GW→eNB, поскольку не было переключения туннеля вниз от PDN GW на новый целевой S-GW. При наличии физического соединения eNB→ RNC используют вариант Direct Forwarding. Если такого соединения нет, то осуществляют Indirect Forwarding (пунктир на рис. 4.16). Переключение туннеля от PDN GW на целевой S-GW произойдет после выполнения пп.8‒9.

П.5. RNC сообщением Relocation Complete информирует SGSN об успешном завершении процедуры подключения UE к сети UTRAN.

П.6. ММЕ получает от SGSN уведомление Forward Relocation Complete Notification о том, что UE обслуживается сетью UTRAN. Если произошла замена S-GW, то SGSN сообщает об этом ММЕ. Если замены не было, то SGSN может активировать ISR и известить об этом ММЕ в уведомлении. В таком случае ММЕ сохранит и будет вести параллельно с SGSN базу данных абонента. ММЕ подтверждает получение уведомления (п.6а).

ММЕ запускает таймер, по истечении которого будет удален контекст абонента в eNB и исходном S-GW, если он был заменен на целевой. Если трафик вниз идет по варианту Indirect Forwarding, то, получив от ММЕ подтверждение (6а), SGSN также запускает таймер хранения ресурсов в целевом S-GW.

Рис.4.16. Выполнение хэндовера из E-UTRAN в UTRAN

П.7. SGSN приступает к завершающей фазе хэндовера. Он отправляет обслуживающему S-GW сообщение Modify Bearer Request, содержащее адрес SGSN и TEID туннеля сигнализации, адрес SGSN и TEID туннеля трафика при непрямом соединении в UTRAN или адрес RNC и TEID туннеля трафика при прямом соединении (рис.1.6), а также NSAPI каналов трафика [26, гл.15]. Если PDN GW требует информацию о локализации абонента, то SGSN передает дополнительные параметры. Если хэндовер произошел без смены S-GW, то может быть активизирован ISR.

Все сквозные каналы, которые не были сохранены при хэдовере, SGSN деактивирует.

П.8 выполняют при замене S-GW, при смене сети радиодоступа или серьезных изменений в локализации абонента. Если заменен S-GW, то в сообщении Modify Bearer Request целевой S-GW передает PDN GW свой адрес и TEID для организации туннеля вниз на интерфейсе S5/S8. При смене сети радиодоступа или локализации абонента возможны изменения тарифов обслуживания. PDN GW обязательно отвечает подтверждением Modify Bearer Response (п.8а).

П.9. S-GW в сообщении Modify Bearer Response подтверждает переключение соединения вниз (Cause, адрес S-GW и TEID для сигнализации). Теперь трафик вниз следует по маршруту PDN GW→ S-GW→(SGSN)→RNC. Если замены S-GW не было, то сразу после переключения каналов трафика S-GW передает несколько маркерных пакетов по старому пути, сигнализируя о завершении передачи

П.10 выполняется в том случае, когда UE по окончании передачи трафика находит, что он оказался в другой зоне маршрутизации или его временным номером остается GUTI. Тогда UE запускает процедуру Routing Area Update.

П.11. Когда срабатывает таймер, установленный в п.6, ММЕ отправляет eNB команду Release Resources для стирания баз данных абонента в eNB.

Если произошла замена S-GW, то ММЕ сообщением Delete Session Request дает команду исходному S-GW удалить контекст абонента. eNB и S-GW отвечают ММЕ подтверждениями полученных команд.

ПП12 и 13 выполняют в том случае, если произошла замена S-GW и до переключения туннеля трафик вниз из PDN GW шел по варианту Indirect Forwarding. ММЕ дает команду исходному S-GW, а SGSN – целевому S-GW освободить канальный ресурс, выделенный для организации временного туннеля между ними. Оба S-GW подтверждают получение команд.

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Эта процедура является зеркальной по отношению к хэндоверу, рассмотренному в предыдущем параграфе. Она также состоит из двух фаз: подготовки хэндовера и выполнения хэндовера. Алгоритм первой фазы приведен на рис. 4.17 [20].

Прохождение трафика до начала хэндовера показано на рис.4.17 пунктиром. Процедуру запускает контроллер сети UTRAN RNC (п.1). Он отправляет SGSN сообщение Handover Required, содержащее Cause, идентификатор eNB, идентификатор RNC, контейнер с параметрами UE для выделения ресурсов в eNB, ММЕ и целевом S-GW (п.2). Далее в п.7 ММЕ идентифицирует сквозные каналы, которые надо будет организовать при переключении UE на сеть E-UTRAN.

П.3. Из полученного сообщения SGSN заключает, что RNC запрашивает хэндовер в сеть E-UTRAN. SGSN отправляет ММЕ сообщение Forward Relocation Request о выделении ресурсов для обслуживания абонента, включающее IMSI, идентификатор eNB, Cause, базу данных (контекст) по протоколу ММ, идентификатор текущей сети обслуживания, адрес SGSN и TEID интерфейса для сигнализации, контейнер данных абонента, часовой пояс обслуживания абонента. Сообщение содержит контекст всех сквозных каналов, обслуживающих абонента с

Рис.4.17. Подготовка хэндовера из UTRAN в E-UTRAN

их точками доступа (APN), адреса и TEID туннелей вверх в исходном S-GW. Если активизирован ISR, то он сохраняется активированным и после хэндовера.

Получив сообщение Forward Relocation Request, целевой ММЕ устанавливает сквозные каналы абонента в порядке приоритетов и определяет те каналы, которые сеть не сможет поддерживать. База данных по протоколу ММ обеспечивает выполнение процедур безопасности при обслуживании абонента в сети E-UTRAN. ММЕ определяет максимальную пропускную способность потоков данных абонента через точки доступа.

П.4. ММЕ определяет, следует ли заменить S-GW. Если происходит замена S-GW, то ММЕ направляет ему сообщение Create Session Request. Оно содержит IMSI, адрес ММЕ и TEID для сигнального соединения, адреса PDN GW для пользовательских каналов и сигнальных соединений, PDN GW TEID туннелей вверх в пользовательской и сигнальной плоскостях, тип соединения на S5/S8 (IPv4 или IPv6). Требуемый тип протокола устанавливает S-GW.

S-GW выделяет ресурс для обслуживания абонента и отвечает сообщением Create Session Response (адреса S-GW в пользовательской и сигнальной плоскостях, TEID туннелей вверх в пользовательской и сигнальной плоскостях) – п.4а.

П.5. ММЕ посылает запрос Relocation Request на целевой eNB для выделения канального ресурса и организации сквозных каналов В запросе передают идентификатор UE, Cause, базу данных для выполнения процедур безопасности, список сквозных каналов с их параметрами , контейнер данных UE, информацию об ограничениях доступа абонента к ресурсам сети при хэндоверах. В запрос также включают адрес S-GW в пользовательской плоскости и TEID для туннелей вверх. eNB выделяет ресурсы для организации запрошенных сквозных каналов.

П.5а. В обратном сообщении Relocation Request Acknowledge eNB отправляет контейнер для RNC, список установленных сквозных каналов и, если есть таковые, список каналов, которые не установлены и чей контекст будет деактивирован. Теперь eNB готов принимать пакеты данных абонента в направлении вниз по организованным сквозным каналам.

П.6 выполняют в случае замены S-GW и создания обходного пути (Indirect Forwarding) для трафика вниз в процессе хэндовера. В сообщении Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request целевой S-GW получает адрес и TEID eNB. В обратном сообщении Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response S-GW передает свой адрес и TEID (п.6а).

П.7. ММЕ отправляет SGSN ответ Forward Relocation Response (Cause, адрес ММЕ и TEID для сигнализации, контейнер для UE, индикатор замены S-GW, информация об организации сквозных каналов в сети Е-UTRAN и параметры для организации промежуточных туннелей при передаче трафика вниз в процессе хэндовера).

Если не было замены S-GW или была замена, но существует прямое физическое соединение между исходным RNC и целевым eNB (Direct Forwarding), то сообщают адрес и TEID eNB для каналов трафика.

Если нет физического соединения между исходным RNC и целевым eNB (Indirect Forwarding) и произошла замена исходного S-GW на целевой, то сообщают адрес и TEID целевого S-GW.

П.8 выполняют при организации Indirect Forwarding. SGSN направляет в S-GW, используемый при Indirect Forwarding, сообщение Create Indirect Data Forwarding Tunnel Request, содержащее идентификаторы сквозных каналов, адрес и TEID, полученные SGSN в п.7. Обычно этим S-GW является исходный S-GW, но может быть и другой обслуживающий шлюз. В ответном сообщении Create Indirect Data Forwarding Tunnel Response (п.8а) S-GW сообщает свой адрес и TEID для организации временного туннеля.

Алгоритм следующей фазы выполнения хэндовера показан на рис. 4.18.

П.1. SGSN завершает подготовку к хэндоверу, посылая RNC Handover Command, содержащую контейнер для RNC, список сквозных каналов, которые следует деактивировать, и каналов, которые надо организовать для временной передачи трафика вниз (RABs Subject to Data forwarding list). Для организации этих каналов eNB получает адреса и TEID, которые были пересланы SGSN в пп. 7 при Direct Forwarding или 8а при Indirect Forwarding подготовительной фазы (рис. 4.16). В результате будет обеспечен либо прямой путь передачи данных RNC→eNB, либо обходной через исходный S-GW в зависимости от конфигурации сети. Если в сети UTRAN был непрямой туннель трафика (через SGSN), то при Indirect Forwarding RNC получает для обходного туннеля адрес и TEID SGSN.

П.2. RNC посылает UE команду выполнить хэндовер. В этой команде UE передают контейнер, содержащий необходимые для хэндовера параметры, которые eNB загрузил в контейнер в подготовительной фазе. Приняв команду, UE останавливает передачу трафика вверх, устанавливает соответствие идентифи каторов сквозных каналов в Е-UTRAN с NSAPI каналов в UTRAN и выполняет процедуру доступа к сети Е-UTRAN (п.4).

Рис.4.18. Выполнение хэндовера из UTRAN в E-UTRAN

П.5. Получив доступ к eNB, UE отправляет ему сообщение HO to E-UTRAN complete.

П.6. Сообщением Handover Notify eNB информирует ММЕ о завершении подключения UE к сети Е-UTRAN.

П.7. SGSN получает от MME уведомление Forward Relocation Complete Notification о том, что UE обслуживается сетью UTRAN. Если произошла замена S-GW, то ММЕ сообщает об этом SGSN. Если замены не было, то SGSN может активировать ISR и известить об этом ММЕ в уведомлении. В таком случае SGSN сохранит и будет вести параллельно с ММЕ базу данных абонента. SGSN подтверждает получение уведомления (п.7а).

SGSN запускает таймер, по истечении которого будет удален контекст абонента в RNC и исходном S-GW, если он был заменен на целевой. Если трафик вниз идет по варианту Indirect Forwarding, то, получив от SGSN подтверждение (7а), ММЕ также запускает таймер хранения ресурсов в целевом S-GW.

П.8. ММЕ приступает к завершающей фазе хэндовера. Он отправляет обслуживающему S-GW сообщение Modify Bearer Request, содержащее Cause, адрес MME и TEID туннеля сигнализации, адрес eNB и TEID туннеля трафика вниз, идентификаторы сквозных каналов. Если PDN GW требует информацию о локализации абонента, то ММЕ передает дополнительные параметры. Если хэндовер произошел без смены S-GW, то может быть активизирован ISR.

Все сквозные каналы, которые не были сохранены при хэдовере, ММЕ деактивирует.

П.9 выполняют при замене S-GW, при смене сети радиодоступа или серьезных изменений в локализации абонента. Если заменен S-GW, то в сообщении Modify Bearer Request целевой S-GW передает PDN GW свой адрес и TEID для организации туннеля вниз на интерфейсе S5/S8. При смене сети радиодоступа или локализации абонента возможны изменения тарифов обслуживания. PDN GW обязательно отвечает подтверждением Modify Bearer Response (п.9а).

П.10. S-GW в сообщении Modify Bearer Response подтверждает переключение соединения вниз (Cause, адрес S-GW и TEID для сигнализации). Теперь трафик вниз следует по маршруту PDN GW→ S-GW→eNB. Если замены S-GW не было, то сразу после переключения каналов трафика S-GW передает несколько маркерных пакетов по старому пути, сигнализируя о завершении передачи

П.11 выполняется в том случае, когда UE по окончании передачи трафика находит, что необходимо запустить процедуру Tracking Area Update.

П.12. Когда срабатывает таймер, установленный в п.7, SGSN отправляет RNC Release Command для стирания в нем базы данных абонента. RNC отвечает подтверждением Release Complete.

Если произошла замена S-GW, то SGSN сообщением Delete Session Request дает команду исходному S-GW удалить контекст абонента. S-GW отвечают SGSN подтверждением полученной команды.

ПП13 и 14 выполняют в том случае, если произошла замена S-GW и до переключения туннеля трафик вниз из PDN GW шел по варианту Indirect Forwarding. SGSN дает команду исходному S-GW, а ММЕ – целевому S-GW освободить канальный ресурс, выделенный для организации временного туннеля между ними. Оба S-GW подтверждают получение команд.

Контрольные вопросы к главе 4.

1. Каково назначение процедуры RRC connection establishment? В каком состоянии находится UE до процедуры и по ее завершении?

2. Каково назначение процедуры Attach? Какие функциональные элементы в ней участвуют?

3. Какие каналы организуют в сети по завершении процедуры Attach?

4. В каких случаях происходит запуск процедуры Tracking Area Update?

5. Какие функциональные элементы участвуют в процедуре Tracking Area Update?

6. Какие соединения сквозных каналов остаются в сети после перевода станции в состояние IDLE?

7. В чем состоит назначение процедуры Service Request и в каких случаях ее запускают?

8. Опишите, что происходит при организации (активации) сквозного канала.

9. В чем сходство и различия процедур активации и изменения парамтров качества сквозного канала?

10. Из каких этапов состоит процедура внутрисистемного хэндовера?

11. Что происходит на 3 этапе хэндовера – “запаздывающем переключении”? Почему на соединении S-GW – eNB переключают только туннель вниз?

12. Что происходит на подготовительном этапе при межсистемных хэндоверах?

13. Как переключают сквозные каналы вверх и вниз при межсистемном хэндовере?

Литература

1. Системы и сети радиодоступа 4G: LTE, WiMAX/А.Е.Рыжков А.Е., М.А.Сиверс В.О.Воробьев, А.С.Гусаров, А.С.Слышков, Р.В.Шуньков. – СПб: Линк, 2022. – 226с.

2. Бабков В.Ю., Цикин И.А. Сотовые системы мобильной радиосвязи. – СПб.: Изд-во Политехн. Ун-та, 2022. – 426с.

3. 3GPP TS 29.281; General Packet Radio System (GPRS); Tunnelling Protocol User Plane (GTPv1-U)

4. 3GPP TS 29.274; Evolved General Packet Radio Service (GPRS); Tunnelling Protocol for Control plane (GTPv2-C); Stage 3

5. 3GPP TS 36.300; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage2.

6. Nupur Rastogi, Ragiv Gupta. LTE Advanced – LIPA and SIPTO, Jul.2022.- http://info.aricent.com/LIPA_SIPTO_Whitepaper_Registration_aw.html

7. 3GPP TR 23.829; Local IP Access and Selected IP Traffic Offload (LIPA-SIPTO)

8. 3GPP TR 23.859; LIPA Mobility and SIPTO at the Local Network

9. 3GPP TS 36.211; Physical Channels and Modulation

10. 3GPP TS 36.101; User Equipment (UE) radio transmission and reception

11. 3GPP TS 36.331; Radio Resource Control (RRC)

12. MIMO-OFDM for LTE, Wi-Fi and WiMAX: Coherent versus Non-coherent and Cooperative Turbo-transceivers/L.Hanzo, Y.Akhtman, Li Wang, Ming Yiang. – Chichester, 2022. – 658p.

13. Dahlman E., Parkval S, Sköld J. 4G LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadcast.- Oxford, 2022.- 431p.

14. Шлома А.М., Бакулин М.Г., Крейнделин В.Б., Шумов А.П. Новые алгоритмы формирования и обработки сигналов в системах подвижной связи. -М.: Горячая линия.-Телеком, 2008.-344с.

15. Evolution of Reference Signals for LTE-Advanced Systems/ Young-Han Nam, Yosuke Akimoto, Younsun Kim and oth – IEEE Communications Magazine, Feb. 2022.- p.132-138.

16. Coordinated Multipoint Transmission and Reception in LTE-Advanced: Deployment Scenarios and Operational Challenge/D.Lee, H.Seo, B.Clerckx and oth – IEEE Communications Magazine, Feb. 2022.- p.148-155.

17. Kuldeep Kumar A comparison of different detection algorithms in a MIMO system/ International Journal of Advanced Engineering Sciences and Technologies.- 2022, Vol 7, No. 2 – p.301 – 304.

18. Overview of 3GPP LTE-Advanced Carrier Aggregation for 4G Wireless Communications/ Z. Shen, A. Papasakellariou, J. Montojo and oth. – IEEE Communications Magazine, Feb. 2022.- p.122-130.

19. 3GPP TS 23.203; Policy and charging control architecture

20. 3GPP TS 23.401; General Packet Radio Service (GPRS) enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN) access

21. 3GPP TS 36.213; Physical layer procedures

22. 3GPP TS 36.321; Medium Access Control (MAC) protocol specification

23. 3GPP TS 36.413; S1 Application Protocol (S1 AP)

24. 3GPP TS 22.042; Network Identity and TimeZone (NITZ); Service description; Stage1

25. 3GPP TS 43.129; Packet-switched handover for GERAN A/Gb mode; Stage 2

26. Телекоммуникационные технологии: введение в технологии GSM/ С.Б.Макаров, Н.В.Певцов, Е.А.Попов, М.А.Сиверс – М.: Издательский центр “Академия”, 2006. – 256c.

27. Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика. – М.: Спорт и Культура – 2000, 2022. – 864с.

Воспользуйтесь поиском по сайту: