Планирование сети 3G. Стандарт UMTS

Термином 3G принято обозначать следующее поколение мобильных  систем и их возможностей, а именно повышенная емкость и функциональность, обозначающая новейшие услуги и приложения, включающие мультимедиа. Сети третьего поколения отличаются от систем второго  поколения (например, GSM) и переходных поколений (GPRS (General Packets Radio System), EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)) – гораздо большей скоростью передачи данных, а также более широким и более высоким качеством предоставления услуг. Эти сети обеспечивают симметричную и ассиметричную передачу данных, поддержку канальной и пакетной коммутации, высокую эффективность использования спектра частот, возможность глобального роуминга.

3G включает в себя 5 стандартов  семейства IMT-2000 (UMTS/WCDMA, CDMA2000/IMT-MC, TD-CDMA/TD-SCDMA (собственный стандарт Китая), DECT и UWC-136). Наибольшее распространение в мире получили два стандарта: UMTS (или W-CDMA) и CDMA2000. Технология CDMA2000 обеспечивает эволюционный переход от узкополосных систем с кодовым разделением каналов IS-95 (американский стандарт цифровой сотовой связи второго поколения) к системам CDMA третьего поколения и получила наибольшее распространение на Североамериканском континенте, а также в странах Азиатско-Тихоокеанского региона.

Технология UMTS (Universal Mobile Telecommunications System — универсальная система мобильной электросвязи) разработана для модернизации европейского стандарта сотовой связи второго поколения – сети GSM, и получила широкое распространение не только в Европе, но и во многих других регионах мира.

Поколение 3.5G, которое носит  официальное название HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) по сути, является просто модернизированным 3G. Если в «оригинальном» третьем  поколении средняя скорость обмена данными составляет 384 кбит/с, а максимальная – 2 Мбит/с, то внедрение 3.5G увеличит эти значения до 3 и 14 Мбит/с.

Что касается четвёртого поколения  мобильных коммуникаций, то это будет  эволюционное развитие 3G. Инфраструктура стандартов 4G, таких как LTE (Long Term Evolution) и  WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) будет базироваться на IP-протоколе (Internet Protocol). Это позволит обеспечивать простой и очень быстрый доступ к Интернету и осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с подвижным и 1 Гбит/с — стационарным абонентам. Ещё одним важным свойством 4G является то, что он должен стать единым стандартом, т.е. не будет деления на разные стандарты типа GSM, CDMA, UMTS, WCDMA и так далее. Задача потенциального абонента будет заключаться в выборе оператора и сотового телефона, тогда как сегодня ещё нужно выбирать и стандарт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.2 Аналитический обзор сети UMTS

3.1.2.1 Общая характеристика сети UMTS

Воздушный интерфейс сетей  UMTS реализован на основе технологии WCDMA (Wideband CDMA). UMTS представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра, т.е. биты информации пользователя передаются в широкой полосе частот путем умножения исходного потока данных на последовательности квазислучайных битов (называемых чипами), являющимися кодами расширения. Для обеспечения высоких скоростей передачи (до 2 Мбит/с) поддерживается использование переменного коэффициента расширения. Скорость передачи, равная 3,84 Мчип/с, приводит к занятию полосы приблизительно в 5 МГц. Выбор такой полосы обусловлен рядом причин.

Первой из них является необходимость обеспечения системами 3-го поколения высоких скоростей  передачи: для неподвижных абонентов скорость обмена информацией не менее 2048 кбит/с, для абонентов, движущихся со скоростью не более 3 км/ч – 384 кбит/с, для абонентов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч – 144 кбит/с. Это значительно превышает скорости передачи в системах второго поколения (GSM-900/1800, CDMA IS-95 и др.), максимальное значение которых не превышает 30 кбит/с. Для достижения указанных высоких скоростей передачи при приемлемой емкости сети вполне достаточной является полоса частот 5 МГц.

Второй причиной, которая  требует ограничить полосу частот до 5 МГц, является дефицит свободных  полос радиоспектра.

Третьей причиной достаточности  полосы частот 5 МГц является то, что  уже при использовании этой полосы существенно увеличивается степень  различия числа компонентов многолучевого  сигнала, что в свою очередь повышает качество приема по сравнению с использованием полосы частот меньшей величины.

UMTS поддерживает два основных  режима работы: частотное разделение  дуплексных каналов (FDD) и временное  разделение дуплексных каналов  (TDD). В режиме FDD весь выделенный системе спектр делится между двумя противоположными направлениями. Для восходящего и нисходящего каналов используются раздельные несущие. В режиме TDD весь выделенный частотный диапазон используется для передачи данных в обоих направлениях,  причём пакеты данных в различных направлениях разнесены по времени. Характеристики системы WCDMA в режимах FDD и TDD указаны в таблице 2.

У режимов работы системы  UMTS много общего: одинакова чиповая скорость 3,84 Мчип/с (в базовом варианте), сходны принципы кодирования и демодуляции, идентичны и длины кадра и суперкадра. Комбинированное использование этих двух режимов делает систему гибкой, позволяя изменять пропускную способность и способы организации связи. Режим FDD более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов, а TDD, напротив, предназначен для работы в пико- и микросотах, т. е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.

Таблица 2 – Сравнительные характеристики системы WCDMA в режимах FDD и TDD.

Показатели	UMTS/WCDMA (FDD)	UMTS/WCDMA (TDD)
Диапазон частот, МГц	1920-1980 (вверх) 2110-2170 (вниз)	1900-1920 и 2020-2025
Метод доступа	DS-CDMA	TD-SCDMA
Полоса частот, МГц	2x5	5
Разнос между несущими, кГц	200
Чиповая скорость, Мчип/с	3,84
Коэффициент расширения	4-512	1-16
Модуляция в канале данных	BPSK (МС) QPSK (БС)	QPSK (МС) QPSK (БС)
Скорость по каналу трафика, кбит/с	9,6…2048
Кадровая структура, мс	0,625 (слот), 10 (кадр), 720 (супер кадр)
Глубина перемежения, мс	10/20/40/80
Хэндовер на одной частоте	мягкий	жёсткий
Хэндовер с выделением частоты	жёсткий

 

 

3.2 Архитектура сети UMTS

Архитектура  сети стандарта UMTS (рисунок 2)  состоит из ряда логических элементов, каждый из которых выполняет определенные функции. По своим функциям элементы  группируются в сеть радиодоступа UTRAN (наземная сеть радиодоступа UMTS), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и в базовую сеть (Core Network – CN), которая обеспечивает коммутацию и маршрутизацию вызовов, и каналы передачи данных во внешние сети. Сеть радиодоступа UTRAN состоит из двух элементов: NodeB и RNC.

Узел NodeB представляет собой базовую приёмо-передающую станцию, которая осуществляет взаимодействие с абонентским оборудованием (User Equipmen – UE) по радиоканалу.

Контроллер радиосети (Radio Network Controller – RNC) – управляющий элемент сети стандарта UMTS и выполняет следующие функции:

1. управление группой БС и радиоканалами к ним;
2. управление радиоканалами между базовой станцией и абонентским оборудованием;
3. управление интерфейсами ко всем элементам опорной сети;
4. контроль за соединениями в сети UTRAN;
5. мониторинг качества соединений;
6. шифрование данных;

      ж) управление процессов хэндовера внутри сети радиодоступа и между различными сетями UTRAN.

RNС представляет собой точку доступа к сервису для всех услуг, которые UTRAN предоставляет CN.

Базовая сеть 3-го поколения  делится на сеть с коммутацией  каналов и сеть с коммутацией  пакетов.  В опорной сети с коммутацией  каналов центр коммутации разделён на два отдельных элемента: MSC Server и MGW.

Рисунок 2 – Архитектура сети на основе стандарта UMTS

Медиа-шлюз (Media Gateway – MGW) представляет собой отдельное аппаратное устройство либо программную опцию, предназначенную для преобразования и коммутации мультимедийных потоков (например, голоса) между различными сетями радиодоступа (2G, 2.5G или 3G) и другими фиксированными сетями связи.

Центр коммутации (Mobile Switching Centre Server – MSC Server) осуществляет управление над MGW, выполняет функции сигнализации и коммутацию элементов опорной сети между собой.

Домашний регистр местоположения (Home Location Register – HLR) – справочная база о постоянно прописанных в сети абонентов. В ней хранится информация о местоположении МС, которая позволяет MSC Server доставить вызов до этой станции. В ней содержится опознавательные номера и адреса, состав услуг предоставленных абоненту, параметры подлинности абонента.

Гостевой регистр местоположения (Visitor Location Registry – VLR) – временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия конкретного центра коммутации.

Центр аутентификации AUC (Authentification Centre) предназначен для исключения несанкционированного использования ресурсов сети, т.е. для удостоверения подлинности абонента.

Центр идентификации EIR (Equipment Identification Register ) содержит базу данных для подтверждения IMEI (международный идентификационный номер оборудования подвижной станции) и содержит три списка номеров IMEI:

     а)  «Белый»  – санкционированные МС;

     б) «Серый»  – для МС с выявленными проблемами  о программном обеспечении;

     в) «Чёрный»  – содержит номера IMEI МС которые были украдены;

Опорная сеть с коммутацией  пакетов – это GPRS Core Network, сеть с пакетной передачей данных по технологии GPRS. В неё входят два основных элемента: SGSN и GGSN.

Узел обслуживания GPRS (Serving GPRS Support Node – SGSN) – выполняет все главные функции обработки пакетной информации. Ниже приведены основные:

1. контроль над правильной доставкой пакетов данных абонентов;
2. учёт пользователей, находящихся в режиме online;
3. преобразование кадров с данными из формата, используемых в стандарте GSM, в формат протоколов TCP/IP сетей;
4. шифрование данных;
5. сбор биллинговой информации.

Шлюзовой узел GPRS (GPRS Gateway Service Node – GGSN) предназначенный для маршрутизации данных между опорной сетью и внешними сетями пакетной передачи данных (например, сетью Интернет либо другими пакетными сетями). Также выполняет функции адресации данных, выдачи IP-адресов в динамическом режиме, мониторинг о домашних абонентов и других сетях, хранение основных баз данных с записями о маршрутизации и с адресами.

 

3.1.2.3 Услуги предоставляемые сетью

Сети мобильной связи  предоставляют клиентам множество  новых услуг (рисунок 3), которые способны существенно повысить как доходы операторов, так и доходы производителей сетевого оборудования и телефонов. Появляется новый вид деятельности – предоставления информации с высокими скоростями (таблица 3). Это позволяет получить качественно новый уровень связи и на его основе сформировать глобальное информационное пространство. Вследствие этого мобильный телефон становится не только средством голосового общения, но и многофункциональным устройством.

Рисунок 3– Виды услуг сети UMTS

Таблица 3– Параметры услуг сети UMTS

Услуги сети UMTS	Скорость передачи данных, кбит/с	Режим работы	Пояснения
Речь, голосовая почта	12,2	Коммутация каналов	Голосовая связь
Работа с сетью ISDN	64	Коммутация каналов	Передача данных от (к) абонентов  сетей ISDN
Определение местоположения	9,6…14.4	Коммутация пакетов	Низкоскоростной обмен данными
Видеотелефонная связь, передача изображений и больших объёмов информации	128…134	Коммутация каналов	Интерактивный обмен мультимедийными данными
Работа с сетью Интернет и интрасетями	384…2048	Коммутация пакетов	Асимметричная передача мультимедийных данных

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Обзор общепринятых этапов планирования сети UMTS

При планировании радиосети  UMTS целесообразно поддерживаться общепринятой временной и логической последовательности действий:

1. получение исходных данных (установить требования к зоне обслуживания, к емкости сети, к предоставляемым услугам для абонентов сети);
2. предварительное планирование сети (теоретические расчёты): расчёт энергетических параметров распространения радиоволн в каналах связи «вверх» и «вниз»; расчёт максимального возможного затухания радиоволн; расчёт радиуса соты; оценка пропускной способности. Как правило, на этапе предварительного планирования используют гипотетические данные о параметрах и инфраструктуре сети, которые уточняются на следующем этапе — этапе детального планирования
3. детальное планирование: на данном этапе необходимы реальные данные о распространении радиоволн в рассматриваемой зоне наряду с расчетной плотностью и трафиком пользователей; калибровка модели распространения радиоволн на основе измерений напряжённости поля в реальных условиях, на территории зоны обслуживания сети; использование средств программного обеспечения.