Структура 3g сети

Портал о современных технологиях мобильной и беспроводной связи

Общая информация о сетях 3G

Общая информация о сетях 3G (UMTS)

Стандарт 3-го поколения (3G) UMTS (англ. Universal Mobile Telecommunications System — Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система) функционирует на базе действующих сетей GSM. Структура интегрированной сети рассмотрена на рис. 1. Поверх сети стандарта GSM, состоящей из коммутаторов каналов MSC/VLR, GMSC и коммутаторов пакетов SGSN, GGSN (ядро сети – Core Network, CN), подключены как подсети базовых станций GSM BSS, так и наложенные на них сети радиодоступа UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network).

Рис.1. Структура совмещенной сети GSM/UMTS

Сети UTRAN могут функционировать в режиме UTRA-FDD и UTRA-TDD. Функциональными элементами в UTRAN являются узлы базовых станций (Node B) и контроллеры RNC (Radio Network Controller). В абонентском терминале (UE – User Equipment по терминологии UMTS), работающем в совмещенной сети GSM/UMTS, находится USIM (Universal SIM-карту), в которой записаны индивидуальный номер абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity) и временные номера TMSI (Temporary MSI), P-TMSI (Packet –TMSI), выдаваемые на время сеанса связи.

Радиоинтерфейс в сетях 3G. Принцип кодового разделения каналов (КРК)

В основе работы сетей мобильной связи третьего поколения (3G) лежит кодовое разделение каналов.

При кодовом разделении каналов выделение (фильтрацию) конкретного канала производят в процессорном блоке приемника в результате математической обработки принятого сигнала. Для этого сигнал, передаваемый по радиоинтерфейсу, закрывают двумя кодами: скремблирующим и каналообразующим.

Скремблирующие коды

Скремблирующие коды используют для выделения множества сигналов, излучаемых одним источником: конкретной базовой или абонентской станцией.

Каналообразующие коды

Каналообразующие коды позволяют разделить сигналы одного источника. Использование каналообразующих кодов для кодового разделения каналов поясняет рис. 2

Рис. 2. К аналообразующие коды в UMTS

Передаваемый биполярный сигнал u(t) (рис.2,а), т.е. последовательность логических нулей и единиц с уровнями -1 и +1, перемножают с биполярной кодовой последовательностью с₁(t), такой, что на любому информационному биту соответствует m бит (чипов) кодовой последовательности. На рис. 2,б эта последовательность для простоты включает 8 чипов; на самом деле m = 4. 256. В результате перемножения получают последовательность v(t) = u(t) x c₁(t) (рис. 2,в), которая и передаются по каналу связи. В приемнике полученный сигнал снова перемножают на последовательность c₁(t) и в итоге получают u_пр(t) = v(t) x c₁(t) = u(t) (рис. 2,г, сплошная линия).

Однако, на этом не останавливаются и осуществляют интегрирование сигнала u_пр(t) на интервале передачи каждого бита. В конце каждого промежутка времени (0-1, 1-2, 2-3) оценивают значения интеграла, затем интегратор обнуляют и производят процесс интегрирования еще раз (рис.2,г, пунктирная линия). По результатам интегрирования вычисляют корреляционную функцию полученного сигнала. В итоге в конце каждого промежутка времени, соответствующего передаче одного бита, получают отрицательное или положительное число в соответствии с переданным информационным битом.

В том случае, если в приемнике полученный сигнал перемножить с последовательностью, отличной от c₁(t), например, с₂(t) (рис.2,д), то после операции u‘_пр(t) = v(t) x c₂(t), получим последовательность, представленную на рис. 2,е. Поскольку за время передачи одного бита суммы отрицательных и положительных площадок компенсируют друг друга, после интегрирования в конце каждого бита получаем нулевой результат. Аналогичная ситуация происходит при перемножении сигнала в приемнике на кодовую последовательность с₃(t) (рис. 2,ж и рис. 2,з). Таким образом приемник осуществляет фильтрацию сигналов.

Кодовые последовательности с₁(t), с₂(t), с₃(t) представляют собой группу ортогональных последовательностей, имеющие следующее свойство:

Таким образом, применяя для каждого канала связи свою последовательность из набора ортогональных последовательностей, можно, передавая все каналы одновременно на одной частоте, осуществить в приемнике фильтрацию необходимого канала, отфильтровывая другие каналы.

Подробнее об эволюции сетей мобильной связи, технических аспектах их функционирования и перспективах развития читайте в новой книге «Мобильная связь на пути к 6G».

Технология сетей 3G сотовой связи

28.05.2012 | «Мобильные сети»

Работы над сетями 3-го поколения начались в мире в 2001 году. В Японии и Южной Корее 3G-сети появились в 2002 году, а в конце 2003 и в США.

В чем же отличие сети 3G и старого доброго GSM?

Надо сразу пояснить, что термин 3G является скорее всего маркетинговым, нежели техническим, вследствие чего он немного расплывчатый. Существуют как минимум два стандарта сетей третьего поколения. Один принят в США и некоторых странах на Юго-Востока Азии – CDMA2000, другой — принятый в Европе стандарт UMTS/WCDMA. Так как оба стандарта базируются на технологии Code Division Multiple Access, т.е. пользуются множественным доступом с кодовым разделением (сокращенно CDMA), они имеют и схожие принципы формата.

Кодирование в сетях 3G:

Помехозащищенность и высокая степень утилизации доступных каналов связи обеспечивается в CDMA тем, что в ней используют «шумоподобные» сигналы с расширенным спектром.

Технология «мультидоступа», когда каналы разделялись с помощью кодирования, была известна ужее достаточно давно. Работа «Основы теории линейной селекции», написанная Дмитрием Васильевичем Агеевым, была опубликована в СССР еще в далеком 1935 году. В послевоенное время в СССР и в США технология CDMA использовалась военными в своих системах связи, так как преимущества у нее были весьма ценными.

Ортогональные кодовые разделения сигналов, которые использует эта технология, делает возможным очень эффективно пользоваться доступной полосой частот, чем достигаются весьма высокие характеристики спектральной эффективности. Пользуясь той же полосой частот, что и GSM, сети 3G передают данные со значительно большей скоростью. Этим же обеспечивается и их более надежная передача, так как достигается помехоустойчивость кодирования с большей избыточностью.

То, что называется Универсальной мобильной телекоммуникационной системой — Universal Mobile Telecommunications System – UMTS – является, по сути, технологией сотовой связи, которая была разработана в Европейском институте стандартов.

Более полная утилизация канала связи, обеспечивающаяся технологией CDMA и его широкополосной реализацией WCDMA, позволяет выделять каждому абоненту более широкий канал. Технологией UMTS каждому телефону выделяются в сети каналы шириной по 5 MGz, благодаря чему теоретическая скорость обмена достигает величины в 21 Mbps. Максимальная скорость в 7.2 Mbps, достигаемая на практике, выглядит тоже очень хорошо, особенно в сравнении с GPRS и EDGE.

Схема структуры сети 3G (UMTS):

Разделяют сеть радиодоступа и базовую сеть, которые группируются по своим функциям.

Сети радиодоступа – RAN и UTRAN (UMTS территориального уровня) – оперируют теми функциями, которые относятся к радиосвязи, а базовая сеть Core Network или CN занимается обеспечиванием коммутации и маршрутизации вызовов и каналов, которые передают данные во внешние сети.

Для завершения системы определяют взаимодействующее с ней оборудование пользователя — User Equipment (UE) и его радиоинтерфейс — UMTS air interface или Uu.

Интересной архитектурной особенностью UMTS является то, что внутри элементов сети подробно определяются не функции, а интерфейсы между раздельными логическими элементами.

Так как в конечных точках оборудование поставляется разными изготовителями, существует требование, согласно которому интерфейс должен быть «открытым» для определения на уровне соответствующей детализации.

Такими открытыми интерфейсами в 3G являются:

• Интерфейс Cu — электрический интерфейс, связывающий интеллектуальную плату (смарт-карточка) USIM (модуль идентификации абонента в сети UMTS) и ME, и удовлетворяющий формат по стандарту для смарт-карточек.
• Интерфейс Uu – является радиоинтерфейсом WCDMA. Через него UE имеет возможность доступа к стационарной части системы. Предполагается, что изготовлять UE будут гораздо больше производителей, нежели тех, кто будет производить элементы стационарной сети.
• Интерфейс Iu соединяет UTRAN с CN. Как и аналогичные интерфейсы в GSM — A, выполняющий коммутацию каналов и Gb, коммутирующий пакеты, интерфейс Iu благодаря своей открытости позволит операторам UMTS приобретать UTRAN и CN у разных фирм-производителей, так как именно созданная конкуренции обусловила успех GSM.
• Открытым интерфейсом Iur осуществляется мягкий режим передачи телефона «из рук в руки» — от одной базовой станции к другой, в тех случаях, когда он покидает зону действия одной из баз между RNCs разных призводителей, дополняя таким образом интерфейс Iu.
• Интерфейс Iub обеспечивает соединение узлов B и RNC.

Таким образом, UMTS – это первая коммерческая система мобильной телефонной связи, в которой интерфейс контроллер-базовой станции имеет полностью открытый стандарт. Благодаря своей открытости, Iub-интерфейс, как и другие открытые интерфейсы, способствует конкуренции производителей, выпускающих сетевое оборудование. А это также вызывает появление и новых производителей, выпускающих в основном узлы В.

Стандарт сотовой связи третьего поколения 3G (UMTS)

На смену сотовым сетям второго поколения 2G пришли стандарты третьего поколения 3G, появление которых было вызвано, в первую очередь, возросшими потребностями абонентов в более высокой скорости передачи данных. К сетям третьего поколения относится универсальный стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), получивший наибольшее распространение на территории Европы. К разработке стандарта UMTS изначально приступила организация по стандартизации IMT-2000 в 1992 году. Дальнейшей разработкой этого стандарта занималась организация 3GPP, которая была специально создана для стандартизации сетей третьего поколения и объединила известные профильные организации (ARIB, ATIS, ETSI,TTA, CCSA, TTC). Первая коммерческая сеть UMTS была введена в эксплуатацию в Норвегии c декабря 2001 года.

Сети UMTS характеризуются скоростью передачи данных до 2 Мбит/сек. В 2006 году была внедрена новая технология HSPA (High Speed Packet Access) поколения 3.5G. В свою очередь HSPA состоит из таких технологий, как HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) и HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), которые собственно обеспечивают скорость передачи данных в направлении от базовой станции к мобильному телефону до 14 Мбит/сек (downlink) и от мобильного телефона к базовой станции до 5,7 Мбит/сек (uplink). Использование данной технологии позволяет пользователям смотреть высококачественное видео, играть в игры высокого разрешения, загружать файлы больших объемов. Высокая скорость и другие преимущества сети UMTS позволяют предложить абонентам качественно новые услуги:

• видеоконференции;
• голосовые звонки высокого качества;
• высокоскоростная загрузка файлов;
• сетевые игры;
• мобильная коммерция и др.

Структура мобильных сетей UMTS состоит из подсистемы коммутации и подсистемы базовых станций. В первых исполнениях сетей UMTS (R99, R4) подсистема коммутации по своей структуре соответствовала аналогичной подсистеме сетей второго поколения, которая включает центр коммутации мобильной связи MSC (Mobile Switching Centre), выполняющий функции коммутации, тарификации и т.п., а также регистры HLR, VLR, AUC, хранящие абонентские данные. В последующих версиях сетей UMTS (R5, R6, R7, R8) функции центра MSC поделили между собой MSC-Server, отвечающий за установление соединений, тарификацию и некоторые функции идентификации, и MGW (Media gateway), представляющее собой подчиненное серверу MSC коммутационное поле.

По сравнению со стандартом GSM подсистема базовых станций сети UMTS претерпела существенные изменения. Вышеупомянутые преимущества мобильных сетей третьего поколения достигаются в основном за счет использования новой технологии обмена данными между телефоном абонента и базовой станцией.

Подсистема базовых станций стандарта UMTS состоит из следующих основных элементов:

• контроллер сети радиодоступа RNC (Radio Network Controller);
• базовая станция NodeB;
• оборудование абонента UE (User Equipment).

Центральным элементом подсистемы базовых станций является контроллер сети радиодоступа RNC, который выполняет намного больше функций, чем в системах сотовой связи 2G, в частности: шифрования, установления соединений, распределения ресурсов между абонентами и т.п.

Базовая станция NodeB преобразует сигнал, полученный от контроллера RNC в широкополосный радиосигнал, передаваемый к мобильному терминалу. NodeB служит коммуникатором между контроллером и аппаратом абонента, полностью подчиняется RNC и не принимает самостоятельных решений о выделении ресурсов или изменении скорости соединения с абонентом. В отличие от сетей 2G в качестве оборудования абонента стандарта UMTS может использоваться не только телефон, но и смартфон, ноутбук или стационарный компьютер.

В сетях стандарта UMTS пакетные данные передаются от MGW к элементу SGSN, а от него далее к другим внешним сетям, например Internet. Элементы SGSN (Serving GPRS Support Node) и GGSN (Gateway GPRS Support Node) в сети UMTS имеют тоже назначение, что и в сети GSM, а отличаются только используемым программным обеспечением. То есть, первый представляет собой маршрутизатор с расширенными функциями, а второй является шлюзом сети.

Что такое 2G, 3G: UMTS, HSDPA, HSPA+, DC-HSPA+ и 4G (LTE)

Идея беспроводной мобильной связи зародилась в головах ученых еще в начале 20-го века. Работы по созданию системы радиотелефонной связи активно велись и в западных странах и в Советском Союзе, однако первая рабочая модель сотового телефона появилась в лишь в 1973 году, когда американская компания Motorola представила миру DynaTac — первый прототип портативного сотового телефона.
Сегодня жизнь человека практически невозможно представить без мобильных устройств, использующих технологии беспроводной связи. За последние 35 лет сменилось 4 поколения сотовой связи, и на смену четвертому приходит пятое поколение, внедрение которого ожидается к 2020 году. Об истории развития сотовой связи, поколениях и применяемых технологиях пойдет речь в данной статье.

Первое поколение — 1G

Все стандарты первого поколения были аналоговыми и имели массу недостатков. Проблемы были как с качеством сигнала, так и с совместимостью технологий.
Среди стандартов мобильной связи первого поколения, наибольшее распространение получили следующие:
• AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная подвижная телефонная служба). Использовался в США, Канаде, Австралии и странах Южной Америки;
• TACS (Total Access Communications System — тотальная система доступа к связи) Использовался в европейских странах, таких как Англия, Италия, Испания, Австрия и ещё ряд стран;
• NMT (Nordic Mobile Telephone – северный мобильный телефон). Применялся в скандинавских странах.
• TZ-801 (TZ-802,TZ-803), разработанные в Японии.
Не смотря на имеющиеся проблемы с качеством и совместимостью стандартов, аналоговым сетям мобильной связи все же нашли коммерческое применение. Первыми это сделали японцы в 1979 году, затем в 1981 году аналоговая сеть была запущена в Дании, Финляндии, Норвегии и Швеции, и в 1983 году в США.

Второе поколение — 2G

В 1982 году Европейской конференцией почтовых и телекоммуникационных ведомств была сформирована рабочая группа, названная GSM (франц. Groupe Spécial Mobile — специальная группа по подвижной связи). Целью создания группы, является изучение и разработка пан-Европейской наземной системы подвижной связи общего применения.
В 1989 году изучение и разработку второго поколения мобильной связи продолжил Европейский институт стандартов в телекоммуникации. Аббревиатура GSM тогда приобрела иное значение — Global System for Mobile Communications (глобальная система для подвижной связи).
В 1991 году появились первые коммерческие мобильные сети второго поколения. Главным отличием сетей второго поколения от первого является цифровой метод передачи данных. Технологии передачи данных в цифровом виде позволили внедрить сервис обмена текстовыми сообщениями (SMS), а позднее, с помощью протокола WAP (Wireless Application Protocol — беспроводной протокол передачи данных) стал возможен выход в Интернет с мобильных устройств. Скорость передачи данных в сетях второго поколения составляла не более 19,5 кбит/с.
Дальнейший рост потребности пользователей в мобильном интернете послужил толчком для разработки сетей следующих поколений. Промежуточными этапами между сетями 2G и 3G стали поколения, условно называемые 2,5G и 2,7G.
Поколением 2,5G обозначили технологию GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования), которая позволила увеличить скорость передачи данных до 172 кбит/с в теории, и до 80 кбит/с в реальности.
Поколением 2,7G назвали технологию EDGE (EGPRS) (Enhanced Data rates for GSM Evolution), которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G. Скорость передачи данных в таких сетях теоретически может достигать 474 кбит/с, однако на практике редко доходит до 150 кБит/с.

Третье поколение — 3G

Работы по созданию технологий третьего поколения начались в 1990-х годах, а внедрение состоялось только в начале 2000-х (в 2002 году в России). Разработанные к тому времени стандарты основывались на технологии CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением).
Третье поколение мобильной связи включает 5 стандартов: UMTS/WCDMA, CDMA2000/IMT-MC, TD-CDMA/TD-SCDMA, DECT и UWC-136. Наиболее распространенными из них являются стандарты UMTS/WCDMA и CDMA2000/IMT-MC. В России популярность получил стандарт UMTS/WCDMA. Далее предлагаем остановиться на основных технологиях 3G:

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – универсальная сисема мобильной электросвязи) – технология сотовой связи разработанная для внедрения 3G в Европе. Используемый диапазон частот 2110-2200 МГц. (зачастую ширина канала 5 МГц). Скорость передачи данных в режиме UMTS составляет не более 2 Мбит/с (для неподвижного абонента), а при движении абонента, в зависимости от скорости движения, может опуститься до 144 Кбит/с.

HSDPA

HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) – первый из семейства протоколов сотовой связи HSPA (High Speed Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных), основанный на UMTS технологии. Данный протокол и последующие его версии позволили значительно увеличить скорость передачи данных в сетях 3G. В первой своей реализации протокол HSDPA имел максимальную скорость передачи данных 1,2 Мбит/с. Скорость передачи данных в следующей реализации протокола HSDPA составляла уже 3,6 Мбит/с. На этот момент 3G модемы получили большую популярность и у большинства пользователей были модемы поддерживающие именно этот стандарт, наиболее популярные модель Huawei E1550, ZTE mf180 (такие экземпляры встречаются до сих пор). В результате дальнейшего развития протокола HSDPA удалось увеличить скорость сначала до 7,2 Мбит/с (наиболее популяные модемы Huawei E173, ZTE MF112), а затем до 14,4 Мбит/с. (Huawei E1820, ZTE MF658) Вершиной технологии HSDPA стала технология DC-HSDPA скорость которой могла достигать 28.8 Мбит/с. DC-HSDPA по сути двухканальный вариант HSDPA.

HSPA+ – технология, базирующаяся на HSDPA, в которой реализованы более сложные методы модуляции сигнала (16QAM, 64QAM) и технология MIMO (Multiple Input Multiple Output – множественный вход множественный выход). Максимальная скорость 3G может достигать 21 Мбит/с. Подобную технологию уже относят к 3,5G.

DC-HSPA+

DC-HSPA+ технология с самым быстрым 3G Интернетом 42,2 Мбит/с. По сути это двухканальный HSPA+ с шириной канала 10 МГц. Часто это технологию называют 3.75G.

Все устройства, поддерживающие режим работы в сетях третьего поколения, поддерживают также стандарты предыдущих поколений. К примеру, уже устаревший на сегодняшний день USB-модем Huawei E173 для сетей 2G/3G поддерживает стандарты GSM, GPRS, EDGE (до 236,8 Кбит/c), UMTS (до 384 Кбит/c), HSDPA (до 7,2 Мбит/с), т.е. стандарты сетей как второго так и третьего поколений. Максимальная скорость с которой может работать данное устройство равна 7,2 Мбит/с. Более «продвинутая» модель Huawei E3131 для сетей 2G/3G поддерживает набор стандартов, включающий кроме вышеперечисленных еще и HSPA+. Максимальная достижимая скорость загрузки данных на этом устройстве значительно больше и составляет 21 Мбит/сек. Но следует учесть, что максимальная теоретическая и реальная скорости отличаются довольно сильно.Например на модемах huawei E1550, zte mf180, где максимальная скорость 3.6 Мбит/с, на практике можно добиться скорости 1-2 Мит/с, на модемах Huawei E173, ZTE MF112 (максимальная скорость 7,2 Мбит/с) на практике 2-3,5 Мбит/с, это при условии хорошего уровня сигнала и низкой загруженности вышки мобильного оператора. Одним из факторов повышения скорости 3G Интернета является использования модема поддерживающего максимальную скорость 3G. Мы рекомендуем модем Huawei E3372, он не только поддерживает максимальную скорость 3G Интернета (до 42,2 Мбит/с), но и 4G (до 150 Мбит/с). Кто то может возразить и сказать что в его «дыре» 4G не будет никогда, однако не забывайте, что несколько лет назад вы и о 3G не мечтали. Технологии не стоят на месте!

Четвертое поколение — 4G

На смену еще не исчерпавшему свои возможности 3G приходят новые технологии, технологии четвертого поколения (4G), в большей степени отвечающие запросам времени. Технологии поколения 4G обозначили совершенно новые требования к качеству сигнала связи и его стабильности.
Детищем совместных исследований компаний Hewlett-Packard и NTT DoCoMo в области разработки технологий передачи данных в беспроводных сетях четвертого поколения стали стандарты LTE и WiMax.
• Стандарт WiMAX был разработан в 2001 году организацией WiMAX Forum, в состав которой входят такие производители, как Samsung, Huawei Technologies, Intel и другие известные компании. Концептуально WiMAX является продолжением беспроводного стандарта Wi-Fi. Версии стандарта WiMAX подразделяются на фиксированные, предназначенные для неподвижных абонентов, и мобильные, для движущихся абонентов со скоростью, не превышающей 115 км/час. Первая коммерческая WiMAX-сеть была запущена в эксплуатацию в Канаде в 2005 году.
• Стандарт LTE (Long-Term Evolution — долговременное развитие) по сути является продолжением развития стандартов GSM/UMTS и первоначально не относился к четвёртому поколению мобильной связи. На сегодняшний день именно LTE является основным стандартом сетей четвертого поколения (4G). Впервые представленный вышеупомянутой компанией NTT DoCoMo, крупнейшим в мире японским оператором сотовой связи, стандарт LTE, в десятом его релизе LTE Advanced, был избран Международным союзом электросвязи в качестве стандарта, отвечающего требованиям беспроводной связи четвертого поколения. Первая коммерческая реализация LTE-сети была осуществлена в 2009 году в Швеции и Норвегии.
Максимальная теоретическая скорость передачи данных в LTE-сетях составляет 326.4 Мбит/с. На практике скорость передачи данных существенно зависит от используемой оператором ширины диапазона частот. Наибольшую ширину диапазона частот на сегодняшний день имеет сотовый оператор Мегафон (40 МГц), что является серьезным преимуществом перед другими отечественными операторами сотовой связи, которые используют ширину 10 МГц. Максимальная скорость передачи данных в LTE-сети при ширине диапазона 10 МГЦ равна 75 Мбит/с. Ну а предельная скорость передачи данных при использовании ширины диапазона 40 МГц может достигать 300 Мбит/с.

Пятое поколение — 5G

Работы по разработке новых стандартов беспроводной передачи данных идут не останавливаясь. В основном при спонсорской поддержке одного из крупнейших производителей сетевого оборудования китайской компании Huawei. Повсеместное внедрение технологий пятого поколения прогнозируется в 2020 году. Однозначных сведений относительно максимальных скоростей передачи данных в сетях 5G пока нет, однако известно, что в опытных испытаниях сетей 5G удавалось достичь скорости 25 Гбит/с. Это в десятки раз превышает максимальные значения скорости передачи данных в сетях четвертого поколения.