Принципы функционирования и структуры сетей сотовой связи

В основу технологии сотовых систем положены два принципа:

. - принцип предоставления каналов по требованию,

- принцип повторного использования частот, потому, что частотных каналов для обслуживания абонентов катастрофически нехватает.

По технологиям множественного доступа сотовые сети делят на сети с частотно-временным разделением каналов и кодовым разделением каналов.

В сетях с кодовым разделением каналов во всех сотах используют одинаковые частотные каналы. В сетях с частотно-временным разделением каналов в соседних сотах обязательно разные частотные каналы. Повторяющееся по канальному ресурсу объединение сот называют кластером. В сетях с кодовым разделением каналов размерность кластера 1. В сетях с частотно-временным разделением каналов (GSM) используют 3-х сотовые и 4-х сотовые кластеры (рис. 2.1;2.2).

. Кластер выбирают так, чтобы при приеме сигнала выполнялось требование к отношению сигнал/помеха

P _с/ P _Sпом ≥ E_c/N₀, (2.1)

где E_c/N₀ – норма, обеспечивающая допустимый коэффициент ошибок. При телефонии в GSM-сетях E_c/N₀ ≥ 9 дБ. И P _с, и P _Sпом – случайные величины. Поэтому при расчетах неравенства (2.1) используют вероятностные характеристики, например, соотношение (2.1) должно выполняться с вероятностью 85% на 90% территории соты. Сложность используемых в сетях радиодоступа структур и технологий обусловлена тем, что параметры канала случайны и часто трудно предсказуемы.

При сплошном покрытии территории для выполнения условия (1) производят секторизацию сот (рис.2.3;2.4).

В реальных структурах при сохранении структуры кластера размеры сот зависят от плотности трафика на территории сети (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Структура с сотами различных размеров

Структура совмещенной сети 3G GERAN/UMTS показана на рис. 2.6. Сеть состоит из подсистемы мобильных станций MS/UE (User Equipment), подсистем радиодоступа GERAN и UTRAN и ядра сети CN (Core Network). Есть ещё подсистема управления сетью (на рис. 2.6 не показана).

Рис. 2.6. Архитектура интегральной сети UMTS и GSM

Сеть обеспечивает работу в двух вариантах:

- с коммутацией каналов (так передают телефонию и видеотелефонию),

- с коммутацией пакетов по технологии GPRS (так передают весь остальной трафик).

При работе с коммутацией каналов абонент получает канал на всё время сеанса связи (независимо от того, идет активная фаза передачи или пауза). Коммутатор MSC (Mobile services Switching Center) обеспечивает все возможные услуги телефонии. Шлюзовой коммутатор GMSC (Gateway MSC) осуществляет связь с ТСОП (PSTN). Особенностью передачи телефонии в сетях сотовой связи является передача по радиоинтерфейсу сжатого речевого сигнала до скоростей 12,2 – 4,75 кбит/с. Абоненты сотовых сетей слушают синтезированную речь.

При работе с коммутацией пакетов абонент получает канал на время активной фазы передачи данных. Во время пауз канал предоставляют другим абонентам. Передача на уровне L3 идет по интернет-протоколу, а абонент на время сеанса связи имеет активный интернет-адрес. Роль пакетного коммутатора выполняет SGSN (Serving GPRS Support Node), а соединение с Интернетом обеспечивает GGSN (Gateway GPRS Support Node). Сети 4G поддерживают только работу с коммутацией пакетов.

Во время сеанса связи абонента ведут 2 базы данных: постоянная HLR (Home Location Register), находящаяся в домашней сети, и временная: VLR (Visitor Location Register) при работе с коммутацией каналов и SGSN при работе с коммутацией пакетов, находящиеся в визитной сети. HLR “знает”, где находится абонент, с точностью до обслуживаемых коммутаторов (MSC/VLR или SGSN). Взаимодействие функциональных элементов домашней и визитной сетей обеспечивает всемирный роуминг и поддержку высокого уровня безопасности. На протокольном уровне регистрацию и локализацию абонента в сети, обеспечение требований безопасности обеспечивает протокол Mobility Management.

Интерфейсы транспортной сети реализуют на уровне L1 на основе ВОЛС или радиорелейных соединений. Самый сложный участок трассы – радиоинтерфейс.

В сетях 4G LTE все типы трафика, включая голосовой, передают с коммутацией пакетов. Сети LTE являются all-IP сетями, где все интерфейсы, кроме радиоинтерфейса, построены на основе IP-протокола. Это позволяет унифицировать структуру интерфейсов транспортной сети, широко использовать туннельные соединения, технологию IMS при организации услуг, применять стандартные в сети Интернета методы защиты информации. Существенно упрощаются межсистемные сигнальные соединения и протоколы передачи пакетов трафика.

Сети стандарта E-UTRAN (LTE) предназначены как для обмена пакетным трафиком между различными абонентами сетей радиодоступа, так и для доставки пакетов на абонентский терминал с интернет-серверов. Структура сети LTE представлена на рис. 2.7.

Рис.2.7. Структура сети LTE

Сеть включает в себя мобильные терминалы (UE – User Equipment), сеть радиодоступа E-UTRAN (Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network) и новое ядро сети Evolved Packet Core (EPC). Для обслуживания абонентов сеть имеет выход на сети с предоставлением услуг по IP-протоколу и на домашнюю сеть абонента в HSS (Home Subscriber Server).

Сеть радиодоступа E-UTRAN построена как совокупность узлов базовых станций eNB (E-UTRAN NodeB или eNodeB), где соседние eNB соединены между собой интерфейсом Х2. Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) (рис.1.1) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети PDN GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами. На рис. 1.1 соединения для передачи данных показаны толстыми линиями, сигнальные соединения – тонкими.

eNB подключены к EPC посредством интерфейса S1.При этом интерфейс S1 в пользовательской плоскости S1-U (User Plane) непосредственно замыкается на обслуживающий шлюз S-GW (Serving Gateway), в то время как сигнальная часть интерфейса S1-C (Control Plane) следует на MME – Mobility Management Entity.

В пользовательской плоскости интерфейсы S1 (S1 - User Plane) для обмена пакетами между eNB и S-GW и S5 между S-GW и PDN GW реализованы как туннельные соединения. Структура туннеля приведена на рис. 2.8, а формат сообщений, передаваемых по туннелю, на рис. 2.9.

Рис.2.8. Структура туннельного соединения

Рис.2.9. Формат пакетов, передаваемых по туннелю

Залитая часть пакета (рис.2.9) состоит из трех подзаголовков трех подуровней туннельного протокола, содержащих:

IP – локальные IP-адреса функциональных узлов, между которыми организован туннель;

UDP – номера портов в соответствующих функциональных узлах;

GTP – идентификатор собственно туннеля, помеченный его конечной точкой TEID (Tunnel Endpoint Identifier). TEID – 32-битовое двоичное число, выделяемое при организации туннеля приемной стороной. При создании двунаправленных туннельных соединений, например, на интерфейсе S1 между eNB и S-GW, фактически организуют 2 туннеля, один из которых имеет TEID в eNB для передачи пакетов трафика вниз, а другой в S-GW для передачи вверх. В сетях LTE туннели организуют не только для передачи пакетов трафика, но и сигнализации. Сигнальные туннели реализованы на интерфейсах S5/S8 и S11.

Для сетей LTE характерна неоднородность их структур. Наряду с обычными макро и микро- и пикосотами 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. 2.10.

Рис.2.10. 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, 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.

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. 2.10, 2.11).

Рис.2.11. 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. Исключения соствляют особенности 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. 2.10), а обмен пакетами трафика с сетью идет через специальный локальный шлюз LIPA L-GW (Local Gateway) (рис. 2.12). 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.

Шлюз LIPA L-GW в большинстве вариантов встроен в HeNB, но может представлять собой отдельное устройство и даже принадлежать другому оператору.

Рис.2.12. Использование в фемтосети LIPA