eng
Содержание
Содержание
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Благодарности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
ЧАСТЬ 1
Глава 1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
1.1.
Процесс стандартизации систем 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.
Введение в архитектуру сетей 3G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.1.
Концептуальная сетевая модель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.2.
Структурированная сетевая архитектура . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.3.
Архитектура управления ресурсами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.2.4.
Архитектура каналов UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Глава 2. Эволюция от GSM к многостанционному доступу UMTS . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.
От аналоговой передачи к цифровой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.
От цифровой передачи к изобилию услуг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.
Прыжок в мир пакетов и высоких скоростей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.
3GPP версии 99 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
2.5.
3GPP версии 4 (3GPP R4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.6.
Пятая версия 3GPP (3GPP R5) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.7.
Тенденции развития после 3GPP версии R5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
ЧАСТЬ 2
Глава 3. Основные структурные проблемы мобильныхсетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.
Ограничения радиосвязи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.2.
Принципы сотовой системы радиосвязи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.3.
Методы многостанционного доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.4.
Мобильность устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.5.
Сетевой транспорт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.6.
Транспортные возможности сети UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.1.
Асинхронный режим передачи — АТМ в UMTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.2.
Транспортные функции на основе IP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.7.
Управление сетью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.7.1.
Высокоуровневая архитектура системы управления сетью . . . . . . . . . . . 68
3.8.
Частотный диапазон и регулирование радиочастот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.8.1.
Распределение спектра в UMTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74Глава 4. Обзор технологий радиодоступа UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.
Суть метода WCDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.1.
Основные принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.1.2.
Радиоканалы WCDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.3.
Структура цикла WCDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.2.
HSDPA — улучшенная версия WCDMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.2.1.
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .96
4.2.2.
Преимущества и недостатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.3.
Основная идея . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.2.4.
Адаптивная модуляция и кодирование — AMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
4.2.5.
Гибридная система автоматического запроса повторной
передачи HARQ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.6.
Быстрое планирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2.7.
Незаметная смена соты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2.8.
Обсуждение архитектуры и принципов работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.
GSM/EDGE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105
4.3.1.
Основные принципы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.2.
Радиоканалы и структуры циклов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.3.
Общая система пакетной передачи GPRS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.4.
Повышенная скорость передачи данных в GSM.
Эволюция GSM–EDGE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
4.4.
Технология беспроводной ЛВС–БЛВС (WLAN) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.1.
Физические методы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.4.2.
Управление доступом к среде передачи — MAC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.3.
Строение сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Глава 5. Сети радиодоступа UMTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.
Структура UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.
Базовая станция БС (узел В). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.1.
Структура базовой станции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.2.
Метод модуляции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.2.3.
Методы приема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.2.4.
Емкость соты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.2.5.
Функции управления БС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.3.
Контроллер радиосети — RNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.3.1.
Управление радиоресурсами RRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.2.
Функции управления сетью доступа UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Глава 6. Базовая сеть UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.1.
Архитектура базовой сети UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.1.1.
Элементы базовой сети, общие для всех областей и подсистем . . . . . . . 179
6.1.2.
Домен коммутации каналов КК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.1.3.
Домен коммутации пакетов КП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.2.
Задачи и функции управления в базовой сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2.1.
Управление мобильностью ММ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2.2.
Управление средствами связи СМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.3.
Тарификация, выставление счетов и учет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.3.1.
Тарификация и учет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.3.2.
Выставление счетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.4.
Подсистема мультимедиа IP (IMS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
6.5.
Основы построения мультимедийной подсистемы IP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
4
Содержание6.6. Объекты и функции IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6.6.1.
Функции управления сеансом CSCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6.6.2.
База данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
6.6.3.
Функции взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.6.4.
Функции предоставления услуг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
6.6.5.
Функции поддержки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.6.6.
Функции тарификации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Глава 7. Оконечные устройства системы UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.1.
Структура мобильного телефона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
7.2.
Отличия терминалов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.3.
Возможности оконечных устройств. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.4.
Подписка в системе UMTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.5.
Интерфейс пользователя (человеко-машинный интерфейс) . . . . . . . . . . . . . . 248
Глава 8. Услуги в среде UMTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.1.
Общие сведения об услугах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
8.1.1.
Чего в действительности хотят пользователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
8.1.2.
Как мы можем на этом заработать . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.1.3.
Какие принципы проектирования комплексной системы наиболее
адекватны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
8.1.4.
Отличаются ли услуги в мобильных сетях от уже существующих
услуг фиксированных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
8.2.
Качество обслуживания (QoS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.2.1.
Классы трафика и показатели качества QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.2.2.
Механизмы качества QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.2.3.
Протокол резервирования ресурсов (RSVP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
8.2.4.
Дифференцированные услуги (DiffServ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
8.2.5.
Многопротокольная коммутация с использованием меток —
технология MPLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
8.3.
Подсистемы услуг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
8.3.1.
Услуги, унаследованные от GSM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
8.3.2.
Прикладные инструментальные средства модуля идентификации
абонента USAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
8.3.3.
Средства просмотра (браузеры) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
8.3.4.
Услуги по передаче информации о месте нахождения
пользователя LCS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
8.3.5.
Обмен сообщениями при предоставлении услуг IMS . . . . . . . . . . . . . . 299
8.3.6.
Услуга IMS — присутствие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8.4.
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .302
Глава 9. Безопасность в среде UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9.1.
Безопасность доступа в UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
9.1.1.
Наследие систем 2-го поколения (2G) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
9.1.2.
Взаимная аутентификация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
9.1.3.
Криптография для аутентификации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.1.4.
Временные идентификаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
9.1.5.
Шифрование в сети UTRAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
9.1.6.
Защита целостности сигнализации при управлении радиоресурсами
RRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .316
9.1.7.
Краткая информация о безопасности доступа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Содержание 59.2. Дополнительные средства обеспечения безопасности в системах 3GPP R99 318
9.2.1.
Индикатор шифрования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
9.2.2.
Идентификация оборудования пользователя UE . . . . . . . . . . . . . . . . 320
9.2.3.
Безопасность услуг по определению местоположения LCS . . . . . . . . . 320
9.2.4.
Аутентификация в направлении от абонента к модулю
идентификации абонента USIM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
9.2.5.
Безопасность в прикладных инструментальных средствах
универсального модуля идентификации абонента USIM . . . . . . . . . . . 320
9.3.
Аспекты безопасности на уровне системы и сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
9.3.1.
Типичные атаки на безопасность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
9.3.2.
Обзор безопасности сетевого домена 3GPP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
9.3.3.
Набор протоколов IP-безопасности — IPSec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
9.3.4.
Механизм защиты протокола мобильных приложений — МАРSec . . . . 327
9.4.
Защита приложений и услуг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
9.4.1.
Безопасность мультимедийной IP-подсистемы IMS . . . . . . . . . . . . . . 329
9.4.2.
Примеры механизмов безопасности на прикладном уровне . . . . . . . . . 333
9.4.3.
Безопасность сеансового уровня . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
9.4.4.
Механизмы ААА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
9.5.
Правомерное прослушивание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
ЧАСТЬ 3
Глава 10. Протоколы UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10.1.
Эталонные архитектуры протоколов 3GPP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10.1.1.
Эталонная модель протокола радиоинтерфейса . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
10.1.2.
Эталонная модель протокола UTRAN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
10.1.3.
Эталонная модель протокола базовой сети CN . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
10.2.
Архитектура взаимодействия протоколов UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
10.3.
Протоколы транспортной сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
10.3.1.
Архитектура протокола транспортной сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
10.3.2.
Физический уровень WCDMA на интерфейсе Uu . . . . . . . . . . . . . . . 353
10.3.3.
Интерфейсы и организация магистральной сети . . . . . . . . . . . . . . . . 355
10.3.4.
Протоколы транспортной сети UMTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
10.4.
Протоколы радиосети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
10.4.1.
Плоскость управления радиосети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
10.4.2.
Пользовательская плоскость радиосети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
10.5.
Системные сетевые протоколы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
10.5.1.
Протоколы вне уровня доступа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
10.5.2.
Плоскость управления между узлами базовой сети CN . . . . . . . . . . . 400
10.5.3.
Плоскость пользователя в сетевой системе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
10.6.
Итоговый обзор сетевых протоколов UMTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
10.7.
Обзор протоколов IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Глава 11. Примеры процедур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
11.1.
Элементарные процедуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
11.1.1.
Поиск (пейджинг) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
11.1.2.
Установление соединений RRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
11.1.3.
Обоснование операции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
11.1.4.
Аутентификация и управление безопасностью. . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
11.1.5.
Операция установления с распределением радиоканала доступа RAB 419
11.1.6.
Работа (элементарные рабочие операции) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
6
Содержание11.1.7. Операции разъединения и освобождения радиоканалов RAB . . . . . . . 422
11.1.8.
Освобождение соединения RRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
11.2.
Примеры процедур RRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
11.2.1.
Режим мягкой передачи обслуживания — добавление
и удаление канала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427
11.2.2.
Перераспределение SRNS — при коммутации каналов . . . . . . . . . . . 430
11.2.3.
Межсистемная передача обслуживания от UMTS к GSM —
коммутация каналов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
11.3.
Примеры процедур управления мобильностью MM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
11.3.1.
Обновление соты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
11.3.2.
Обновление зоны URA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
11.3.3.
Обновление местоположения в домене КК базовой сети CN . . . . . . . 436
11.3.4.
Обновление области маршрутизации в домене КП базовой сети . . . . 438
11.4.
Пример процедуры управления вызовом СС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
11.5.
Пример передачи пакетов данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
11.6.
Примеры мультимедийных услуг IP — IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
11.6.1.
Пример регистрации IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 444
11.6.2.
Пример сеанса IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Список сокращений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
Библиография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .459
Содержание 7
ПРЕДИСЛОВИЕ
Первый в мире звонок в системе GSM, глобальной системе мобильной свя-
зи, публично был сделан 1 июля 1991 года в городском парке г. Хельсинки,
Финляндия. Сейчас это событие провозглашено днем рождения мобильной
телефонной связи второго поколения. Система GSM стала огромным успе-
хом, который трудно было прогнозировать на таком раннем этапе. За по-
следние 10 лет система GSM стала действительно глобальной системой мо-
бильной связи. Сегодня во многих странах темпы распространения сотовых
телефонов превышают 70% и приближаются к 90% в северных странах, в то
время как в глобальном масштабе количество мобильных телефонов уже
превзошло количество фиксированных телефонов и в ближайшем будущем
превысит ожидаемую цифру 1,5 миллиона.
Десятилетием позже GSM привела нас к ранним стадиям систем мобиль-
ной связи третьего поколения — Универсальной системе мобильной связи
(UMTS). Начали работать первые сети, и появилось новое поколение фанта-
стических мобильных телефонов.
К концу октября 2004 года в мире было введено в эксплуатацию около
50 коммерческих сетей UMTS.
Сети UMTS представили совершенно новую радиотехнологию, обеспечи-
вающую высокую скорость передачи данных для всеобщего применения, а
именно широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением
каналов WCDMA. Тем не менее часть базовой сети системы UMTS надежно
базируется на успешной сети GSM, которая эволюционировала из телефон-
ной сети с коммутацией каналов в глобальную платформу для мобильных
услуг с пакетной передачей, таких как передача коротких сообщений, про-
смотр ресурсов Интернета и мобильный доступ к электронной почте.
Последние оценки показывают, что в ближайшем будущем трафик с
коммутацией пакетов в мобильной базовой сети превысит трафик с комму-
тацией каналов. Этот переход обеспечивается системой UMTS, которая по-
зволяет сетевым операторам предоставлять одинаково полные услуги с ком-
мутацией каналов и коммутацией пакетов и удовлетворять спрос на передачу
данных и пропускную способность. Большинство услуг по передаче речи
чувствительны к задержке во времени и могут все еще эксплуатировать ком-
мутацию каналов, в то время как данные, менее чувствительные к задерж-
кам, передаются по мобильной базовой сети UMTS с коммутацией пакетов.
Одно из ключевых преимуществ мобильной связи состоит в ее способно-
сти предоставлять информацию пользователям почти в любое место и в лю-
бое время. Мобильный телефон в сети UMTS рассматривается как персо-
нальное доверенное устройство, инструмент, поддерживающий жизненные
БЛАГОДАРНОСТИ
При написании первого издания книги «Сети UMTS» авторы и их помощ-
ники имели возможность наблюдать завершение процесса стандартизации
системы UMTS. При подготовке второго издания мы наблюдали еще более
впечатляющее событие — начало внедрения сетей UMTS во всем мире.
Много наших коллег, работающих как в компании Nokia, так и вне ее, пре-
доставили ценную информацию и комментарии относительно различных
аспектов книги. В частности, мы хотим поблагодарить следующих коллег:
Сеппо Аланара (Seppo Alanara), Мика Форссели (Mika Forsseli), Харри Холма
(Harri Holma), Кайцу Иисаккила (Kaisu Iisakkila), Татьяну Исаеву (Tatjana
Issayeva), Сами Кекки (Sami Kekki), Пекка Кориа (Pekka Korja), Яна Калла
(Jan Kall), Джухо Лаату (Juho Laatu), Джона Лавней (John Loughney), Атте
Лансисалми (Atte Lansisalmi), Анну Маркканен (Anna Markkanen), Томи
Микконена (Tomi Mikkonen), Юха Микола (Juha Mikola), Ахти Мухонен
(Ahti Muhonen), Аки Ниеми (Aki Niemi), Микко Пуускари (Mikko Puuskari),
Микко Дж. Ринне (Mikko J. Rinne), Вилле Руути (Ville Ruutu), Юха Сипила
(Juha Sipila), Жанне Тервонен (Janne Tervonen), Микко Тирронен (Mikko
Tirronen), Ари Турунен (Ari Tourunen), Юкка Виален (Jukka Vialen), Андрея
Зименкова (Andrei Zimenkov).
Работа выполнялась в прекрасной обстановке и в тесном контакте с про-
граммами исследований, разработки и стандартизации компании Nokia. Мы
хотим выразить благодарность руководителям этих программ: Кари Аалтонен
(Kari Aaltonen), Хайкки Ахава (Heikki Ahava), Тапио Харила (Tapio Harila),
Рейджзо Ювонен (Reijo Juvonen), Яри Лехмусвуори (Jari Lehmusvuori), Юхани
Кууси (Juhani Kuusi), Яро Неуво (Yrjo Neuvo), Теро Ойанпера (Tero Ojanpera),
Лаури Оксанен (Lauri Oksanen), Пертти Паски (Pertti Paski), Туула-Мари Рау-
тала (Tuula-Mari Rautala), Туомо Сипила (Tuomo Sipila), Юкка Сойккели (Jukka
Soikkeli), Яри Вайникка (Jari Vainikka), Аско Вилаваара (Asko Vilavaara).
Издательская группа во главе с Марком Хаммондом (Mark Hammond) и Сарой
Хинтон (Sarah Hinton) из компании John Wiley & Sons, Ltd., оказала нам
неоценимую помощь при подготовке второго издания книги. Их трудолюбие
позволило выдержать строгий график подготовки публикации. Неоценимая
редакторская работа Брюса Шаттлевуда (Bruce Shuttlewood) и группы из Originator
Publishing Service помогла сделать наш текст более читабельным.
Мы не должны забывать, что эта книга описывает сети UMTS и что эти
сети основаны на общем проекте и инженерных разработках многих наших
коллег; именно их знания и опыт позволили сделать это. Не имея возможно-
сти привести список всех специалистов, которые с начала 1990-х годов зани-
мались проектом 3GPP, и тех, кто был причастен к разработке UMTS, мы
хотели бы поблагодарить их всех за самоотверженную работу по созданию
новой эры в мобильной связи.
И наконец, мы хотим с любовью поблагодарить всех членов наших семей
за их терпение и поддержку, оказанные на протяжении долгих дней и ночей
написания этой книги. Среди них особой благодарности заслуживает госпо-
жа Satu Kangasjarvela-Kaaranen; ее помощь в наборе текста и графическом
исполнении многих рисунков была неоценима при подготовке рукописи.
Принимая на себя ответственность за последующее совершенствование
книги, авторы еще раз просят предоставить комментарии и предложения
по улучшению или изменению материала, которые будут учтены в последую-
щих изданиях. Их можно направлять по следующему электронному адресу:
umtsnetworks@pcuf.fi.
Авторы книги «Сети UMTS»,
Хельсинки, Финляндия
Благодарности 13
ЧАСТЬ 1
ÃËÀÂÀ 1
ВВЕДЕНИЕ
Ари Ахтианен, Хейки Кааранен и Симек Найян
(Ari Ahtianen, Heikki Kaaranen and Siamдk Naghian)
В настоящее время общепринято, говоря о мобильной связи, выделять три
различных поколения реализованных (внедренных на практике) систем
(см. рис. 1.1). К первому поколению (1G1) относятся аналоговые или напо-
ловину аналоговые (аналоговый радиотракт, но цифровая коммутация) сети
мобильной связи, созданные в середине 1980-х годов, как, например, систе-
ма Северной мобильной телефонии (NMT2) и Американская система мо-
бильной связи (AMPS3). Такие сети предоставляли пользователю основные
(базовые) услуги, при этом акцент делался на услуги, ориентированные на
передачу речи. Сети поколения 1G создавались только в масштабах од-
ной страны, и очень часто их основные технические характеристики уста-
навливались по соглашению между национальным оператором связи и
местной промышленностью без открытой публикации технических данных.
Из-за наличия особенностей национальных технических требоваинй, сети
1G были несовместимы друг с другом, а сама мобильная связь воспринима-
лась в то время лишь как диковинка и дополнение к традиционным сетям
стационарной связи.
С ростом спроса на мобильную связь появилась необходимость создания
всеобщей системы мобильной связи. Международные органы стандартиза-
ции начали выяснять, что же должна представлять собой система мобильной
связи второго поколения — 2G. При этом акцент делался на совместимость
и международную прозрачность; система 2G должна была стать региональ-
ной (например, охватывать всю Европу) или почти глобальной, чтобы або-
ненты могли иметь доступ к ней практически везде в рамках данного регио-
на. С точки зрения конечного пользователя (абонента), сети 2G смогли
предложить более привлекательный «пакет услуг»: помимо традиционных ре-
чевых услуг, такие сети предоставляли и некоторые услуги передачи данных,
а также более разнообразные дополнительные услуги. Региональный подход
к стандартизации не позволил в полной мере реализовать концепцию гло-
1G (от англ. generation) — поколение.
2NMT — Nordic Mobile Telephone.
3AMPS — American Mobile Phone System.
бальной мобильной сети, и в результате на рынке появилось несколько сис-
тем 2G. Среди них как пример коммерческого успеха следует выделить гло-
бальную систему мобильной связи (GSM) и ее разновидности: эта система,
несомненно, превзошла все ожидания — как в техническом, так и в коммер-
ческом плане.
Процесс глобализации мобильной связи призваны завершить системы
третьего поколения — 3G. Но и здесь ожидаются трудности, обусловленные
несовпадением национальных и региональных интересов. Так или иначе, об-
щая тенденция такова, что системы 3G в основном будут базироваться на
технических решениях GSM по двум причинам — технология GSM доми-
нирует на рынке, и огромные инвестиции, вложенные в нее, должны макси-
мально окупиться. Исходя из этого, органы стандартизации сформировали
концепцию развития мобильной связи в течение следующих десяти лет. Эта
концепция содержит следующие требования к системе 3G:
1. Все технические характеристики системы должны быть точно опреде-
лены (как в системе GSM), а основные интерфейсы должны быть
стандартизованными и открытыми. При этом разработанные техниче-
ские требования должны выполнятся во всем мире.
2. По сравнению с GSM система 3G должна выйти на совершенно новый
уровень, причем во всех аспектах. Однако на начальном этапе такая
система должна быть совместимой, по крайней мере, с GSM и ЦСИО1
(цифровой сетью с интеграцией обслуживания).
3. Система 3G должна поддерживать мультимедийную среду со всеми ее
компонентами.
Введение 17
Рис. 1.1. Поколения систем сотовой связи
1G
— Базовая мобильная связь
— Основные услуги
— Несовместимость
2G
— Развитая мобильная связь (роуминг)
— Больше услуг (появление данных)
— Стремление к глобализации
3G
— Прямой («бесшовный») роуминг
— Концепции и модели услуг
— Глобальный радиодоступ
— Глобализация
4G
— Мобильная связь на базе
интернет-протокола IP
— Очень высокие скорости
передачи данных
— Полное слияние телефонной
связи и передачи данных
1В англоязычной литературе используется термин ISDN — Integrated Services Digital
Network. — Прим. ред.
4. Система 3G должна обеспечивать широкополосный радиодоступ, с тем
чтобы стать пригодной во всем мире. Термин «широкополосный» ис-
пользуется, с тем чтобы отразить промежуточные требования к про-
пускной способности систем 3G, между узкополосными системами 2G
и средствами фиксированной, проводной, связи.
5. Услуги, предоставляемые конечному пользователю, не должны зави-
сеть от особенностей используемых технологий радиодоступа, а сетевая
инфраструктура не должна ограничивать появление новых услуг. Дру-
гими словами, речь идет о полном разделении технологической базы и
услуг, использующих эту базу.
В то время как еще продолжается стандартизация систем 3G, наблюда-
ется и изменение основных тенденций развития отрасли связи в целом.
Традиционная электросвязь и передача данных (Интернет), которые до сих
пор развивались отдельно друг от друга, начали стремительно сближаться.
Появился целый ряд разработок, которые объединяют технологии традици-
онной электросвязи и интернет-протокола (IP1) «в одном флаконе». Эту
общую тенденцию называют по-разному, в зависимости от точки зрения
говорящего: некоторые люди обозначают цель происходящих процессов
терминами «мобильное информационное общество» или «мобильный IP»,
другие определяют это как «3G полностью на базе IP», а в коммерческом
контексте применяют обозначение «E2E IP», что переводится с английско-
го как «сквозной IP2». С точки зрения концепции 3G полномасштабное
внедрение протокола IP рассматривается как одна из целей на пути разви-
тия систем 3G.
Сейчас системы 3G проходят новые этапы развития, и фактически уже
начался процесс формирования технических требований к системам поколе-
ния 4G. Сейчас еще слишком рано прогнозировать, когда закончится эволю-
ция систем 3G и начнется фактическое внедрение 4G. Этот процесс будуще-
го развития можно представить себе как непрерывный ряд разработок, бла-
годаря которым системы 3G будут предлагать все новые способы поддержки
и комбинирования различных видов услуг мобильной связи и передачи дан-
ных. В то же время системы 4G будут представлять более сложную концеп-
цию, которая позволит предоставить конечному пользователю еще больше
пропускной способности и дополнительных услуг.
1.1. Процесс стандартизации систем 3G
Наличие в европейских странах унифицированного стандарта GSM позво-
лило говорить о глобализации мобильной связи. Это стало очевидным, ког-
да попытка распространить японскую систему 2G PDC3 (в переводе с анг-
лийского «тихоокеанская цифровая связь») на весь дальневосточный регион
не удалась и большинством азиатских рынков мобильной связи был принят
18 Глава 1. Введение
1IP — Internet Protocol.
2E2E IP — End-to-End IP.
3PDC — Pacific Digital Communications. — Прим. ред.
открытый стандарт GSM, а его разновидность была стандартизована в США
как один из альтернативных вариантов рынка систем персональной связи
(PCS1).
Единая глобальная система мобильной связи, естественно, порождает
множество пожеланий политического характера. В случае 3G это можно за-
метить уже на этапе выбора названия системы. Термин «система третьего по-
коления» (3G) — это наиболее нейтральный вариант. Но в разных частях
мира делаются разные акценты, и общий термин 3G имеет региональные си-
нонимы. В Европе для систем 3G применяют термин UMTS2 (универсальная
мобильная телекоммуникационная система), следуя терминологии Европей-
ского института стандартизации в электросвязи (ETSI3). В Японии и США
системы 3G часто обозначают термином IMT-20004 (Международная система
мобильной телефонии-2000). Это название предложено проектной группой
Международного союза электросвязи (МСЭ). В США как один из вариантов
систем сотовой связи 3G рассматривается система многостанционного до-
ступа с кодовым разделением CDMA20005, которая представляет собой даль-
нейшее развитие систем стандарта IS-95. В настоящей книге описывается
система UMTS — так, как она определена в рамках объединения по разра-
ботке стандартов мобильной связи 3-го поколения — 3GPP6. Чтобы внести
какой-то порядок в несколько запутанную ситуацию с выбором названия,
группа 3GPP приняла решение о том, чтобы считать официальным названи-
ем систем 3G термин «система 3GPP». Это название должно сопровождаться
номером версии, указывающим на определенный набор технических требо-
ваний. Следуя этой логике, самой первой версии европейской сети UMTS
дали официальное название «система 3GPP версии 99». Однако, несмотря на
наличие официального названия, в мире до сих пор широко применяются
термины UMTS и IMT-2000.
В начале своего развития система UMTS заимствовала множество эле-
ментов и функциональных принципов у системы GSM, а новые и наиболее
значимые решения были предложены в области радиодоступа. Концепция
UMTS предусматривает усовершенствованную технологию доступа, а имен-
но широкополосный радиодоступ. Для его реализации используется техноло-
гия широкополосного многостанционного доступа с кодовым разделением
(WCDMA7). Технология WCDMA появилась в развитие метода CDMA, кото-
рый, будучи признанной и проверенной технологией, продолжает использо-
ваться в военных целях, а также в узкополосных сетях сотовой связи, осо-
бенно в США.
Стандартизации UMTS предшествовал ряд подготовительных исследова-
тельских проектов, которые инициировались и финансировались Европей-
ским союзом. В 1992–1995 годах проектная группа MoNet, работавшая в
рамках программы по созданию усовершенствованной системы связи для
1.1. Процесс стандартизации систем 3G 19
1PCS — Personal Communication System. — Прим. ред.
2UMTS — Universal Mobile Telecommunication System. — Прим. ред.
3ETSI — European Telecommunications Standards Institute. — Прим. ред.
4IMT — International Mobile Telephony 2000. — Прим. ред.
5CDMA — Code Division Multiple Access. — Прим. ред.
63GPP — 3G Partnership Project. — Прим. ред.
7WCDMA — Wideband CDMA.
Европы (RACE1), предложила метод моделирования, описывающий распре-
деление функций радиодоступа и базовой части сети. Такой метод моделиро-
вания был необходим, например, для сравнения протокола интеллектуаль-
ной сети (IN2) и протокола GSM в части мобильных приложений (MAP3)
как возможных вариантов управления мобильной связью. Это наряду с дис-
куссией о широкополосной или узкополосной ЦСИО было одним из основ-
ных спорных вопросов в проектной группе MoNet. На последнем этапе ра-
боты группы MoNet возникли также споры об использовании асинхронного
режима передачи (технологии АТМ4) и широкополосной ЦСИО (Ш-ЦСИО)
для организации фиксированной (немобильной) передачи информации.
В 1995–1998 годах исследовательскую работу в области систем 3G про-
должила проектная группа FRAMES5 (расшифровывается как «система ши-
рокополосного многостанционного радиодоступа будущего») в рамках про-
граммы по созданию усовершенствованных средств связи и услуг (ACTS6).
Первые годы работы этой группы были посвящены выбору и отработке под-
ходящей технологии многостанционного доступа, при этом в основном рас-
сматривались варианты многостанционного доступа с временным разделени-
ем (TDMA7) и с кодовым разделением (CDMA). Крупные европейские про-
изводители оборудования отдавали предпочтение методу TDMA, поскольку
он использовался в системах GSM. Технологию на основе CDMA «продвига-
ли» в основном американские производители, которые имели опыт работы с
этой технологией благодаря ее раннему использованию в военных приложе-
ниях.
МСЭ стремился стандартизировать хотя бы одну общую для всех гло-
бальную технологию радиоинтерфейса. Для решения задачи гармонизации
были созданы проектные группы: FPLMTS8 (расшифровывается как «систе-
ма мобильной телефонии общего пользования будущего», а позднее —
IMT-2000. Из-за параллельной работы множества региональных органов по
стандартизации усилия МСЭ по гармонизации вылились в реализацию об-
щих архитектурных принципов в семействе систем IMT-2000.
Европа и Япония при разработке систем 3G также решали различные
краткосрочные задачи. В Европе благодаря раннему опыту передачи данных
в узкополосных системах GSM сформировалась значительная потребность в
коммерческих услугах мобильной передачи данных с гарантированным каче-
ством (например, мобильных видеоуслугах). Однако густонаселенному Даль-
невосточному региону срочно требовались дополнительные радиочастоты
для удовлетворения спроса на речевые услуги. Полосы частот, выделенные
МСЭ в 1992 году для будущих систем 3G, названных «IMT-2000», больше
всего подходили для решения данной проблемы. В начале 1998 года был сде-
лан значительный шаг вперед: технический комитет ETSI TC-SMG принял
20 Глава 1. Введение
1RACE — Research in Advanced Communications in Europe.
2IN — Intelligent Network.
3MAP — Mobile Application Part.
4ATM — Asynchronous Transfer Mode.
5FRAMES — Future Radio Wideband Multiple Access System.
6ACTS — Advanced Communications Technology and Services.
7TDMA — Time Division Multiple Access.
8FPLMTS — Future Public Land Mobile Telephony System.
решение использовать технологию WCDMA в качестве технологии радио-
доступа для систем UMTS. Это решение было поддержано и крупнейшим
японским оператором NTT DoCoMo. Одновременно было принято решение
развивать базовую сеть на основе технологии базовой сети систем GSM.
В течение 1998 года ETSI и японские органы по стандартизации (TTC и
ARIB) договорились о создании общего стандарта UMTS. После этого была
создана организация 3GPP и начался процесс глобальной стандартизации
системы UMTS.
Организация 3GPP служит своего рода «крышей» системы UMTS, обес-
печивая разработку компромиссных стандартов с учетом политических, про-
мышленных и коммерческих влияний, исходящих от местных органов стан-
дартизации:
• ETSI (Европейский институт стандартизации в электросвязи), Европа;
• ARIB1 (Ассоциация радиопромышленности и предпринимательства),
Япония;
• CWTS2 (Группа стандартизации беспроводной связи), Китай;
• Т13 (Комитет по стандартизации в электросвязи — Т1), США;
• TTA4 (Ассоциация телекоммуникационных технологий), Корея;
• TTC5 (Комитет телекоммуникационных технологий), Япония.
Учитывая сложность данной задачи, сразу же после появления 3GPP
была создана независимая организация, получившая название «группы гар-
монизации деятельности операторов» (OHG6). Основная задача 3GPP —
определение и поддержка технических требований системы UMTS, а группа
OHG призвана искать компромиссные решения тех вопросов, которые не
удается решить внутри 3GPP. Такая система дает гарантию того, что работа
3GPP будет продолжаться по намеченному плану.
Чтобы гарантировать учет американских интересов, была основана от-
дельная организация — «3GPP номер 2» (3GPP2), которая формирует техни-
ческие требования на основе радиотехнологии стандарта IS-95. Общая задача
организаций 3GPP, OHG и 3GPP2 состоит в создании таких технических
требований, которые позволят построить глобальную систему сотовой связи
с широкополосным радиодоступом. Подытоживая сказанное, можно выде-
лить три различных подхода к созданию глобальной сотовой системы 3G.
Эти подходы и их основные характеристики укрупненно представлены в таб-
лице 1.1.
По мере того как глобальная сеть становится реальностью, технические
требования к системам 3G позволяют использовать любую из перечисленных
в таблице систем коммутации в комбинациях с различными технологиями
радиодоступа, и в результате мы получаем действующую сотовую сеть 3G.
Второй ряд таблицы представляет европейский вариант, известный как сис-
тема UMTS, обзору первой версии которой и посвящена настоящая книга.
1.1. Процесс стандартизации систем 3G 21
1ARIB — Association of Radio Industries and Business.
2CWTS — China Wireless Telecommunication Standard group.
3T — Telecommunications.
4TTA — Telecommunication Technology Association.
5TTC — Telecommunications Technology Committee.
6OHG — Operator Harmonization Group.
Таблица 1.1. Варианты систем 3G и их основные характеристики
Вариант Радиодоступ Коммутация Базовая система 2G
3G (США) WCDMA, EDGE,
CDMA2000
IS-41 IS-95, GSM1900,
TDMA
3G (Европа) WCDMA, GSM,
EDGE
Усовершенствованная узловая
коммутационная система
(NSS1) GSM и пакетное ядро
GSM900/1800
3G (Япония) WCDMA Усовершенствованная узловая
коммутационная система
(NSS) GSM и пакетное ядро
PDC
Изначально организация 3GPP приняла решение обозначать издавае-
мые технические требования номером года их выпуска, поэтому первый из-
данный документ известен как Версия 99. Для этого первого набора техни-
ческих требований характерно довольно ощутимое «присутствие GSM».
С точки зрения UMTS это очень важный момент: во-первых, сети UMTS
должны были быть совместимыми с существующими сетями GSM и,
во-вторых, сети GSM и UMTS должны иметь возможность взаимодействия
между собой. Следующая версия технических требований изначально полу-
чила название «3GPP R002», но из-за большого количества предложенных
изменений процесс подготовки новой версии происходил в два этапа, в ре-
зультате чего появилось два документа — 3GPP R4 и 3GPP R5. 3GPP R4
определяет некоторые изменения в базовой сети UMTS с коммутацией ка-
налов, что связано с разделением потоков данных пользователя и механиз-
мов их контроля. 3GPP R5 представляет механизмы и средства, позволяю-
щие сети UMTS работать в среде мультимедиа. Эти средства известны как
«подсистема мультимедиа на основе протокола IP» (IMS3), архитектура ко-
торой представлена в главе 6. IP и протоколы более высокого уровня будут
использоваться и для управления сетью; кроме того, ожидается, что потоки
данных пользователя также будут передаваться в основном по протоко-
лу IP. Другими словами, мобильная сеть, реализованная в соответствии с
техническими требованиями 3GPP R5, будет представлять собой полностью
пакетную сеть, использующую в качестве транспортного протокола IP вме-
сто системы сигнализации № 7, которая удерживает лидирующее поло-
жение в существующих сетях с коммутацией каналов. Естественно, сеть на
основе IP должна поддерживать и услуги с коммутацией каналов. Техниче-
ские требования 3GPP R4/R5 также дают возможность использовать новые
методы радиодоступа. В документе 3GPP R99 в качестве основы наземной
сети доступа UMTS (UTRAN4) предлагался метод радиодоступа WCDMA.
Документ 3GPP R5 интегрирует в систему UMTS другой метод радиодосту-
22 Глава 1. Введение
1NSS — Nodal Switching System.
2Здесь и далее буква R в обозначениях стандартов означает номер версии (от Release
(англ.) — версия, выпуск). — Прим. ред.
3IMS — IP Multimedia Subsystem.
4UTRAN — UMTS Terrestrial Access Network.
па, заимствованный у систем GSM и известный как EDGE1 (усовершенст-
вованная передача данных как эволюция GSM). Это позволяет создавать
сети радиодоступа GSM/EDGE (GERAN2) в качестве альтернативы созда-
нию мобильной сети UMTS.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G
Основной идеей создания систем 3G была подготовка универсальной инфра-
структуры, способной поддерживать существующие и будущие услуги. Эта
инфраструктура должна быть разработана так, чтобы сеть могла адаптиро-
ваться к смене и эволюции технологий, не препятствуя предоставлению тра-
диционных услуг, использующих существующую сетевую структуру. Решить
эту довольно сложную задачу позволяет разделение методов доступа, транс-
портных технологий, технологий услуг (контроля соединений) и пользова-
тельских приложений. Структуру сети 3G можно описывать различными
способами. Ниже будут представлены некоторые методы представления ба-
зовой структуры сети. В данном разделе обсуждаются следующие подходы к
архитектуре сети:
• концептуальная сетевая модель;
• структурированная сетевая архитектура;
• архитектура управления ресурсами;
• архитектура каналов UMTS.
1.2.1. Концептуальная сетевая модель
С позиций вышеупомянутой концептуальной сетевой модели вся сетевая ар-
хитектура в зависимости от природы трафика, структур протоколов и физи-
ческих элементов может быть разделена на подсистемы. С точки зрения при-
роды трафика сеть 3G включает две основные области — область коммута-
ции пакетов (КП) и область коммутации каналов (КК). Документ 3GPP TR
21.905 определяет область как группу физических объектов высшего иерар-
хического уровня и установленные интерфейсы (опорные точки) между та-
кими областями. Параметры интерфейсов точно определяют, как происходит
взаимодействие областей друг с другом.
С точки зрения структур и функций протоколов сеть 3G можно разде-
лить на два уровня — уровень доступа и уровень без доступа. Под уровнем
понимают способ группирования протоколов, которые относятся к одному
виду услуг, поддерживаемых одной или несколькими областями (см. доку-
мент 3GPP TR 21.905). Таким образом, уровень доступа объединяет протоко-
лы, которые поддерживают взаимодействие между оборудованием пользова-
теля и сетью доступа. Уровень без доступа включает протоколы, обеспечива-
ющие взаимодействие между оборудованием пользователя и базовой сетью
(областями коммутации каналов и коммутации пакетов). Более подробную
информацию об уровнях и протоколах можно найти в главе 10.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G 23
1EDGE — Enhanced Data for GSM Evolution.
2GERAN — GSM/EDGE Radio Access Network.
Часть сети, обозначенная на рис. 1.2 как «домашняя сеть», обеспечивает
статистический учет и безопасность информации. Обслуживающая сеть —
это часть базовой сети плюс область, отвечающая за предоставление пользо-
вателю функций базовой сети на месте. Транзитной сетью называют часть
базовой сети, образующую канал связи между обслуживающей сетью и уда-
ленным абонентом. В случаях, когда вызываемый абонент находится в той
же сети, что и оборудование вызывающего абонента, транзитная сеть не ис-
пользуется.
1.2.2. Структурированная сетевая архитектура
В данной книге большинство вопросов рассматривается с позиций структу-
рированной архитектуры сети. Структурный подход представлен на рис. 1.3.
В сети UMTS важную роль играет технология GSM, являющаяся ее основой
(«фоном»), и, естественно, UMTS стремится повторно использовать все под-
ходящие ресурсы и возможности GSM. Например, некоторые процедуры,
используемые на уровне базовой сети, в принципе заимствованы у GSM, ес-
тественно, с необходимыми модификациями.
В системе 3G оконечное оборудование, которое называют оборудованием
пользователя (UE1), состоит из двух отдельных частей — мобильного обору-
дования (МE2) и модуля идентификации услуг (USIM3).
Новая подсистема, управляющая широкополосным радиодоступом, может
называться по-разному в зависимости от типа используемой радиотехнологии,
но существует и общий термин «сеть радиодоступа — RAN4». Когда говорят
конкретно о системе UMTS с технологией радиодоступа WCDMA, использу-
ются названия «UTRAN» или «UTRA». Еще один возможный вариант радио-
доступа в системе UMTS — GERAN. Документ 3GPP R99 не содержит опре-
24 Глава 1. Введение
Рис. 1.2. Концептуальная модель архитектуры UMTS
Область сети
доступа Область базовой сети
Область оборудования
пользователя Область инфраструктуры
1UE — User Equipment.
2ME — Mobile Equipment.
3USIM — UMTS Service Identity Module.
4RAN — Radio Access Network.
деления системы GERAN, однако она упоминается как возможный альтерна-
тивный вариант радиодоступа, который может использоваться в будущем.
Определение технических требований к системе GERAN и ее гармонизация с
системой UTRAN выполнены в документах 3GPP R4 и 3GPP R5.
Система UTRAN подразделяется на подсистемы радиосети (RNS1). Одна
такая подсистема представляет набор радиоэлементов и соответствующих им
элементов управления. В системе UTRAN радиоэлемент обозначается как
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G 25
Рис. 1.3. Сетевая архитектура UMTS — сетевые элементы и их соединения
при передаче данных пользователя
Область КК
Регистры
Область КП
Базовая сеть
1RNS — Radio Network Subsystems.
узел B (далее в этой книге используется термин «базовая станция — BS1»), а
элемент управления — как контроллер радиосети (RNC2). Контроллеры ра-
диосети соединяются друг с другом через внутренние интерфейсы сети до-
ступа — Iur. Более детальный анализ такой структуры и ее преимуществ при-
веден в главе 5.
Другая сеть доступа, показанная на рис. 1.3, — GERAN — не описывает-
ся в данной книге подробно. Читателям, интересующимся GERAN, следует
обратиться, например, к книге Halonen и др. (2002).
Термин «базовая сеть» охватывает все сетевые элементы, необходимые
для коммутации и управления абонентами. На ранних этапах внедрения
UMTS часть этих элементов заимствовалась непосредственно из сетей GSM
и модифицировалась для целей UMTS. Позднее, с изменением транспорт-
ных технологий, внутренняя структура базовой сети также существенно из-
менится. Как видно из рис. 1.3, базовая сеть включает области коммутации
каналов (КК) и коммутации пакетов (КП). Варианты конфигурации и эле-
ментов базовой сети UMTS рассматриваются в главе 6.
Часть сети, обозначенная на рис. 1.3 как «регистры», соответствует «до-
машней сети» в рассмотренной ранее концептуальной сетевой модели 3G.
Она обеспечивает статистический учет и безопасность информации. Более
подробно регистры рассматриваются в главе 6.
На рис. 1.3 представлены также основные открытые интерфейсы систе-
мы UMTS. Открытый интерфейс между оборудованием пользователя и сис-
темой UTRAN обозначается как Uu, а физически реализуется с помощью
технологии WCDMA. Некоторую информацию обзорного характера о тех-
нологии WCDMA можно получить в главах 3 и 4. В сети доступа GERAN
используется эквивалентный открытый интерфейс — Um. Еще один откры-
тый интерфейс — Iu — соединяет сети доступа UTRAN/ GERAN с базовой
сетью.
Подсистемы радиосети (RNS) соединены друг с другом открытым интер-
фейсом Iur. Этот интерфейс существенно отличается от аналогичных интер-
фейсов GSM: он позволяет системе реализовать абсолютно новые возможно-
сти — так называемое «макроразнесение», а также механизмы эффективного
управления радиоресурсами и мобильностью. Если в сети реализован интер-
фейс Iur, то оборудование пользователя может получать доступ к сети через
несколько подсистем RNC, каждая из которых в процессе установления ра-
диоканала выполняет определенные логические функции. В соответствии с
этими функциями различают обслуживающие RNC (SRNC3), дрейфующие
RNC (DRNC4) и управляющие RNC (CRNC5). Подсистема CNRC осуществ-
ляет общее управление логическими ресурсами в относящихся к ней точках
доступа UTRAN и, как правило, сосредоточена в базовых станциях. Функ-
ции SNRC используются при создании конкретного радиоканала между обо-
рудованием пользователя и системой UTRAN. Каждому оборудованию поль-
зователя UE, подключенному к системе UTRAN, соответствует своя подсис-
26 Глава 1. Введение
1BS — Base Station.
2RNC — Radio Network Controller.
3SRNC — Serving RNC.
4DRNC — Drifting RNC.
5CRNC — Controlling RNC.
тема SNRC, которая отвечает за установление радиосоединения между UE и
UTRAN. Кроме того, подсистема SNRC поддерживает интерфейс с базовой
сетью — Iu, который служит основной характеристикой данной SNRC. Под-
система DRNC выполняет свои логические функции в тех случаях, когда для
установления соединения системы UTRAN с оборудованием пользователя
необходимо задействовать соту (или соты), управляемую другой подсистемой
RNC, а не самой SRNC. Общий обзор вопросов, связанных с системой
UTRAN, можно найти в главе 5.
Сети доступа соединяются между собой также с помощью интерфейса
Iur-g, используемого для передачи информации управления радиоресурсами.
Отличие между интерфейсами Iur и Iur-g заключается в том, что Iur предна-
значен как для сигнальной информации, так и для данных пользователя, а
Iur-g — только для сигнализации.
Кроме областей КК и КП, показанных на рис. 1.3, сеть может включать
и другие области. Примером может служить область вещания, которая отве-
чает за управление передачей сообщений широкого вещания. Однако пред-
метом рассмотрения данной книги будет в основном сеть UMTS, представ-
ленная на рис. 1.4. Хотя были упомянуты различные сети радиодоступа,
основное внимание мы уделим системе UTRAN, затронув также ряд специ-
альных вопросов, связанных с сосуществованием и взаимодействием систем
UTRAN и GERAN.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G 27
Рис. 1.4. Сетевая архитектура UMTS — задачи управления и механизмы
контроля
Контроль мобильности (MOBC)
Контроль средств связи (COMC)
Контроль средств связи (COMC)
Контроль мобильности
(MOBC)
Контроль радиоресурсов
(RRC)
Радиоресурсы
Контроль мобильности
(MOBC)
1.2.3. Архитектура управления ресурсами
Описанная выше сетевая архитектура стала результатом разбиения по функ-
циям и разделения ответственности между основными областями и в конеч-
ном итоге между элементами сети. Рисунок 1.4 иллюстрирует это разделение
по основным функциям, среди которых:
• управление средствами связи (СМ1);
• управление мобильностью (ММ2);
• управление радиоресурсами (RRM3).
Область управления средствами связи (СМ) охватывает все функции и
процедуры, связанные с управлением соединениями пользователя. Область
СМ подразделяется на несколько подзон: обработки вызовов для соединений
с КК, управления сеансами для соединений с КП, а также поддержки допол-
нительных услуг и служб коротких сообщений. Область управления мобиль-
ностью ММ охватывает функции и процедуры, необходимые для поддержа-
ния мобильности и безопасности (например, процедуры обеспечения конфи-
денциальности соединений и корректировки местоположения). Большинство
процедур управления мобильностью ММ производятся в пределах области
управления средствами связи СМ и ее элементов, однако для пакетных со-
единений система 3G предполагает также выполнение функций ММ в систе-
ме UTRAN. Принципы, лежащие в основе определения областей СМ и ММ,
обсуждаются в главе 6.
Руководство радиоресурсами (RRM) представляет набор алгоритмов, ис-
пользуемых системой UTRAN для управления радиоресурсами. Эти алгорит-
мы поддерживают, например, контроль мощности в радиосоединениях, раз-
личные виды передачи обслуживания, контроль загрузки и входа в систему.
Управление радиоресурсами (RRM) является неотъемлемой частью системы
UTRAN; основные принципы RRM более подробно рассматриваются в гла-
ве 6. Некоторые примеры выполнения процедур СМ, ММ и RRM в масшта-
бе всей системы приведены в главе 11.
Хотя перечисленные задачи управления могут быть реализованы в опре-
деленных областях и элементах сети, для их выполнения необходимо взаи-
модействие соответствующих областей и элементов. Такое взаимодействие
предполагает сбор информации, формирование отчетности о статусе удален-
ных объектов и передачу этим объектам команд управления. Таким образом,
каждой задаче управления соответствует определенный набор механизмов
контроля, среди которых:
• контроль связи (COMC4);
• контроль мобильности (MOBC5);
• контроль радиоресурсов (RRC6).
28 Глава 1. Введение
1CM — Communication Management.
2MM — Mobility Management.
3RRM — Radio Resource Management.
4COMC — Communication Control.
5MOBC — Mobility Control.
6RRC — Radio Resource Control.
Система контроля связи COMC обслуживает механизмы, подобные
управлению установлением соединения и управлению сеансами пакетной
передачи. Механизмы контроля мобильности (МОВС) включают, например,
контроль выполнения операций обеспечения конфиденциальности и коррек-
тировки местоположения. Радиоресурсы полностью контролируются систе-
мой UTRAN и оборудованием пользователя UE. Механизм контроля радио-
ресурсов RRC отвечает за установление и поддержание радиоканала между
UTRAN и UE. Перечисленные механизмы контроля реализованы в виде на-
бора хорошо разработанных управляющих протоколов. Более подробную ин-
формацию о протоколах можно найти в главе 10.
При сравнении с традиционными системами GSM становится ясно, что
данная функциональная архитектура должна быть несколько переосмыслена.
Наиболее очевидное изменение касается области управления мобильностью,
где ответственность разделена между сетью доступа UTRAN и базовой сетью.
Что касается управления радиоресурсами, то в этом случае система UMTS
более строго следует принципу передачи сети доступа UTRAN полной ответ-
ственности за управление всеми радиоресурсами сети. При этом сделан ак-
цент на внедрении общего унифицированного протокола управления интер-
фейсом Iu.
1.2.4. Архитектура каналов UMTS
Как уже говорилось выше, система 3G в основном рассматривается как ин-
фраструктура, предоставляющая оконечным пользователям и пользователь-
ским приложениям оборудование, соответствующую полосу частот и необхо-
димое качество. Обеспечение техническими средствами, распределение час-
тот и качество соединения вместе образуют понятие «качество обслужива-
ния» (QoS1). В случае сквозного режима обслуживания (соединения) между
пользователями для данной конкретной услуги устанавливается свой набор
требований к качеству обслуживания, которые должны выполняться по всей
сети. В различных частях сети UMTS выполнение требований QoS к услугам
обеспечивается по-разному.
Чтобы смоделировать эту ситуацию, требования к сквозному режиму об-
служивания разделили на три категории: обслуживание местного канала, об-
служивание канала UMTS и обслуживание внешнего канала. Обслуживание
местного канала включает механизмы реализации сквозного режима на участ-
ке между оконечным оборудованием и мобильным окончанием (MT2). МТ
представляет собой часть оборудования пользователя (UE), которая устанав-
ливает радиосоединение с сетью и адаптирует возможности оконечного обору-
дования к условиям радиопередачи. Обслуживание канала UMTS, в свою оче-
редь, предусматривает механизмы выполнения требований качества обслужи-
вания (QoS) в сети UMTS/3G, включающей сеть доступа UTRAN и базовую
сеть. Когда сеть UMTS соединяется с другой сетью (или сетями), то требова-
ния QoS для сквозного режима должны поддерживаться и в направлении этих
внешних сетей. Это область ответственности внешнего канала.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G 29
1QoS — Quality of Service.
2MT — Mobile Termination.
Внутри сети UMTS сеть доступа UTRAN и базовая сеть по-разному
поддерживают требования QoS. С точки зрения базовой сети UTRAN со-
здает «иллюзию» фиксированного канала, предоставляя оконечному поль-
зователю необходимое качество обслуживания (QoS). Этот воображаемый
канал называют услугой по предоставлению канала радиодоступа. Базовая
сеть CN использует собственный метод передачи, который называется
«службой канала базовой сети». Такое разделение обусловлено необходимо-
стью гарантировать определенное качество обслуживания в очень разных
транспортных средах, для каждой из которых требуются свои механизмы
передачи и протоколы. Так, канал базовой сети по своей природе достаточ-
но постоянен, поскольку базовая транспортная сеть обеспечивает стабиль-
ные (устойчивые) физические соединения. В системе UTRAN канал радио-
доступа претерпевает множество изменений с течением времени и при пе-
ремещениях оборудования пользователя, что создает различные условия с
точки зрения выполнения требований QoS. Кроме того, при разделении ка-
налов сети доступа и базовой сети (CN) выполняется основной принцип
архитектуры сети UMTS — независимость инфраструктуры всей сети от
технологии радиодоступа.
На рис. 1.5 приведена модель сетевой архитектуры, в основе которой ле-
жат понятия каналов и качества обслуживания (QoS). В настоящей книге
этим понятиям уделяется большое внимание, поскольку обеспечение QoS —
одна из важнейших задач UMTS.
Представленные здесь архитектурные подходы мы будем использовать
далее по тексту книги как краеугольные камни при анализе сетей UMTS и
их реализаций.
Первый в мире звонок в системе GSM, глобальной системе мобильной свя-
зи, публично был сделан 1 июля 1991 года в городском парке г. Хельсинки,
Финляндия. Сейчас это событие провозглашено днем рождения мобильной
телефонной связи второго поколения. Система GSM стала огромным успе-
хом, который трудно было прогнозировать на таком раннем этапе. За по-
следние 10 лет система GSM стала действительно глобальной системой мо-
бильной связи. Сегодня во многих странах темпы распространения сотовых
телефонов превышают 70% и приближаются к 90% в северных странах, в то
время как в глобальном масштабе количество мобильных телефонов уже
превзошло количество фиксированных телефонов и в ближайшем будущем
превысит ожидаемую цифру 1,5 миллиона.
Десятилетием позже GSM привела нас к ранним стадиям систем мобиль-
ной связи третьего поколения — Универсальной системе мобильной связи
(UMTS). Начали работать первые сети, и появилось новое поколение фанта-
стических мобильных телефонов.
К концу октября 2004 года в мире было введено в эксплуатацию около
50 коммерческих сетей UMTS.
Сети UMTS представили совершенно новую радиотехнологию, обеспечи-
вающую высокую скорость передачи данных для всеобщего применения, а
именно широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением
каналов WCDMA. Тем не менее часть базовой сети системы UMTS надежно
базируется на успешной сети GSM, которая эволюционировала из телефон-
ной сети с коммутацией каналов в глобальную платформу для мобильных
услуг с пакетной передачей, таких как передача коротких сообщений, про-
смотр ресурсов Интернета и мобильный доступ к электронной почте.
Последние оценки показывают, что в ближайшем будущем трафик с
коммутацией пакетов в мобильной базовой сети превысит трафик с комму-
тацией каналов. Этот переход обеспечивается системой UMTS, которая по-
зволяет сетевым операторам предоставлять одинаково полные услуги с ком-
мутацией каналов и коммутацией пакетов и удовлетворять спрос на передачу
данных и пропускную способность. Большинство услуг по передаче речи
чувствительны к задержке во времени и могут все еще эксплуатировать ком-
мутацию каналов, в то время как данные, менее чувствительные к задерж-
кам, передаются по мобильной базовой сети UMTS с коммутацией пакетов.
Одно из ключевых преимуществ мобильной связи состоит в ее способно-
сти предоставлять информацию пользователям почти в любое место и в лю-
бое время. Мобильный телефон в сети UMTS рассматривается как персо-
нальное доверенное устройство, инструмент, поддерживающий жизненные
БЛАГОДАРНОСТИ
При написании первого издания книги «Сети UMTS» авторы и их помощ-
ники имели возможность наблюдать завершение процесса стандартизации
системы UMTS. При подготовке второго издания мы наблюдали еще более
впечатляющее событие — начало внедрения сетей UMTS во всем мире.
Много наших коллег, работающих как в компании Nokia, так и вне ее, пре-
доставили ценную информацию и комментарии относительно различных
аспектов книги. В частности, мы хотим поблагодарить следующих коллег:
Сеппо Аланара (Seppo Alanara), Мика Форссели (Mika Forsseli), Харри Холма
(Harri Holma), Кайцу Иисаккила (Kaisu Iisakkila), Татьяну Исаеву (Tatjana
Issayeva), Сами Кекки (Sami Kekki), Пекка Кориа (Pekka Korja), Яна Калла
(Jan Kall), Джухо Лаату (Juho Laatu), Джона Лавней (John Loughney), Атте
Лансисалми (Atte Lansisalmi), Анну Маркканен (Anna Markkanen), Томи
Микконена (Tomi Mikkonen), Юха Микола (Juha Mikola), Ахти Мухонен
(Ahti Muhonen), Аки Ниеми (Aki Niemi), Микко Пуускари (Mikko Puuskari),
Микко Дж. Ринне (Mikko J. Rinne), Вилле Руути (Ville Ruutu), Юха Сипила
(Juha Sipila), Жанне Тервонен (Janne Tervonen), Микко Тирронен (Mikko
Tirronen), Ари Турунен (Ari Tourunen), Юкка Виален (Jukka Vialen), Андрея
Зименкова (Andrei Zimenkov).
Работа выполнялась в прекрасной обстановке и в тесном контакте с про-
граммами исследований, разработки и стандартизации компании Nokia. Мы
хотим выразить благодарность руководителям этих программ: Кари Аалтонен
(Kari Aaltonen), Хайкки Ахава (Heikki Ahava), Тапио Харила (Tapio Harila),
Рейджзо Ювонен (Reijo Juvonen), Яри Лехмусвуори (Jari Lehmusvuori), Юхани
Кууси (Juhani Kuusi), Яро Неуво (Yrjo Neuvo), Теро Ойанпера (Tero Ojanpera),
Лаури Оксанен (Lauri Oksanen), Пертти Паски (Pertti Paski), Туула-Мари Рау-
тала (Tuula-Mari Rautala), Туомо Сипила (Tuomo Sipila), Юкка Сойккели (Jukka
Soikkeli), Яри Вайникка (Jari Vainikka), Аско Вилаваара (Asko Vilavaara).
Издательская группа во главе с Марком Хаммондом (Mark Hammond) и Сарой
Хинтон (Sarah Hinton) из компании John Wiley & Sons, Ltd., оказала нам
неоценимую помощь при подготовке второго издания книги. Их трудолюбие
позволило выдержать строгий график подготовки публикации. Неоценимая
редакторская работа Брюса Шаттлевуда (Bruce Shuttlewood) и группы из Originator
Publishing Service помогла сделать наш текст более читабельным.
Мы не должны забывать, что эта книга описывает сети UMTS и что эти
сети основаны на общем проекте и инженерных разработках многих наших
коллег; именно их знания и опыт позволили сделать это. Не имея возможно-
сти привести список всех специалистов, которые с начала 1990-х годов зани-
мались проектом 3GPP, и тех, кто был причастен к разработке UMTS, мы
хотели бы поблагодарить их всех за самоотверженную работу по созданию
новой эры в мобильной связи.
И наконец, мы хотим с любовью поблагодарить всех членов наших семей
за их терпение и поддержку, оказанные на протяжении долгих дней и ночей
написания этой книги. Среди них особой благодарности заслуживает госпо-
жа Satu Kangasjarvela-Kaaranen; ее помощь в наборе текста и графическом
исполнении многих рисунков была неоценима при подготовке рукописи.
Принимая на себя ответственность за последующее совершенствование
книги, авторы еще раз просят предоставить комментарии и предложения
по улучшению или изменению материала, которые будут учтены в последую-
щих изданиях. Их можно направлять по следующему электронному адресу:
umtsnetworks@pcuf.fi.
Авторы книги «Сети UMTS»,
Хельсинки, Финляндия
Благодарности 13
ЧАСТЬ 1
ÃËÀÂÀ 1
ВВЕДЕНИЕ
Ари Ахтианен, Хейки Кааранен и Симек Найян
(Ari Ahtianen, Heikki Kaaranen and Siamдk Naghian)
В настоящее время общепринято, говоря о мобильной связи, выделять три
различных поколения реализованных (внедренных на практике) систем
(см. рис. 1.1). К первому поколению (1G1) относятся аналоговые или напо-
ловину аналоговые (аналоговый радиотракт, но цифровая коммутация) сети
мобильной связи, созданные в середине 1980-х годов, как, например, систе-
ма Северной мобильной телефонии (NMT2) и Американская система мо-
бильной связи (AMPS3). Такие сети предоставляли пользователю основные
(базовые) услуги, при этом акцент делался на услуги, ориентированные на
передачу речи. Сети поколения 1G создавались только в масштабах од-
ной страны, и очень часто их основные технические характеристики уста-
навливались по соглашению между национальным оператором связи и
местной промышленностью без открытой публикации технических данных.
Из-за наличия особенностей национальных технических требоваинй, сети
1G были несовместимы друг с другом, а сама мобильная связь воспринима-
лась в то время лишь как диковинка и дополнение к традиционным сетям
стационарной связи.
С ростом спроса на мобильную связь появилась необходимость создания
всеобщей системы мобильной связи. Международные органы стандартиза-
ции начали выяснять, что же должна представлять собой система мобильной
связи второго поколения — 2G. При этом акцент делался на совместимость
и международную прозрачность; система 2G должна была стать региональ-
ной (например, охватывать всю Европу) или почти глобальной, чтобы або-
ненты могли иметь доступ к ней практически везде в рамках данного регио-
на. С точки зрения конечного пользователя (абонента), сети 2G смогли
предложить более привлекательный «пакет услуг»: помимо традиционных ре-
чевых услуг, такие сети предоставляли и некоторые услуги передачи данных,
а также более разнообразные дополнительные услуги. Региональный подход
к стандартизации не позволил в полной мере реализовать концепцию гло-
1G (от англ. generation) — поколение.
2NMT — Nordic Mobile Telephone.
3AMPS — American Mobile Phone System.
бальной мобильной сети, и в результате на рынке появилось несколько сис-
тем 2G. Среди них как пример коммерческого успеха следует выделить гло-
бальную систему мобильной связи (GSM) и ее разновидности: эта система,
несомненно, превзошла все ожидания — как в техническом, так и в коммер-
ческом плане.
Процесс глобализации мобильной связи призваны завершить системы
третьего поколения — 3G. Но и здесь ожидаются трудности, обусловленные
несовпадением национальных и региональных интересов. Так или иначе, об-
щая тенденция такова, что системы 3G в основном будут базироваться на
технических решениях GSM по двум причинам — технология GSM доми-
нирует на рынке, и огромные инвестиции, вложенные в нее, должны макси-
мально окупиться. Исходя из этого, органы стандартизации сформировали
концепцию развития мобильной связи в течение следующих десяти лет. Эта
концепция содержит следующие требования к системе 3G:
1. Все технические характеристики системы должны быть точно опреде-
лены (как в системе GSM), а основные интерфейсы должны быть
стандартизованными и открытыми. При этом разработанные техниче-
ские требования должны выполнятся во всем мире.
2. По сравнению с GSM система 3G должна выйти на совершенно новый
уровень, причем во всех аспектах. Однако на начальном этапе такая
система должна быть совместимой, по крайней мере, с GSM и ЦСИО1
(цифровой сетью с интеграцией обслуживания).
3. Система 3G должна поддерживать мультимедийную среду со всеми ее
компонентами.
Введение 17
Рис. 1.1. Поколения систем сотовой связи
1G
— Базовая мобильная связь
— Основные услуги
— Несовместимость
2G
— Развитая мобильная связь (роуминг)
— Больше услуг (появление данных)
— Стремление к глобализации
3G
— Прямой («бесшовный») роуминг
— Концепции и модели услуг
— Глобальный радиодоступ
— Глобализация
4G
— Мобильная связь на базе
интернет-протокола IP
— Очень высокие скорости
передачи данных
— Полное слияние телефонной
связи и передачи данных
1В англоязычной литературе используется термин ISDN — Integrated Services Digital
Network. — Прим. ред.
4. Система 3G должна обеспечивать широкополосный радиодоступ, с тем
чтобы стать пригодной во всем мире. Термин «широкополосный» ис-
пользуется, с тем чтобы отразить промежуточные требования к про-
пускной способности систем 3G, между узкополосными системами 2G
и средствами фиксированной, проводной, связи.
5. Услуги, предоставляемые конечному пользователю, не должны зави-
сеть от особенностей используемых технологий радиодоступа, а сетевая
инфраструктура не должна ограничивать появление новых услуг. Дру-
гими словами, речь идет о полном разделении технологической базы и
услуг, использующих эту базу.
В то время как еще продолжается стандартизация систем 3G, наблюда-
ется и изменение основных тенденций развития отрасли связи в целом.
Традиционная электросвязь и передача данных (Интернет), которые до сих
пор развивались отдельно друг от друга, начали стремительно сближаться.
Появился целый ряд разработок, которые объединяют технологии традици-
онной электросвязи и интернет-протокола (IP1) «в одном флаконе». Эту
общую тенденцию называют по-разному, в зависимости от точки зрения
говорящего: некоторые люди обозначают цель происходящих процессов
терминами «мобильное информационное общество» или «мобильный IP»,
другие определяют это как «3G полностью на базе IP», а в коммерческом
контексте применяют обозначение «E2E IP», что переводится с английско-
го как «сквозной IP2». С точки зрения концепции 3G полномасштабное
внедрение протокола IP рассматривается как одна из целей на пути разви-
тия систем 3G.
Сейчас системы 3G проходят новые этапы развития, и фактически уже
начался процесс формирования технических требований к системам поколе-
ния 4G. Сейчас еще слишком рано прогнозировать, когда закончится эволю-
ция систем 3G и начнется фактическое внедрение 4G. Этот процесс будуще-
го развития можно представить себе как непрерывный ряд разработок, бла-
годаря которым системы 3G будут предлагать все новые способы поддержки
и комбинирования различных видов услуг мобильной связи и передачи дан-
ных. В то же время системы 4G будут представлять более сложную концеп-
цию, которая позволит предоставить конечному пользователю еще больше
пропускной способности и дополнительных услуг.
1.1. Процесс стандартизации систем 3G
Наличие в европейских странах унифицированного стандарта GSM позво-
лило говорить о глобализации мобильной связи. Это стало очевидным, ког-
да попытка распространить японскую систему 2G PDC3 (в переводе с анг-
лийского «тихоокеанская цифровая связь») на весь дальневосточный регион
не удалась и большинством азиатских рынков мобильной связи был принят
18 Глава 1. Введение
1IP — Internet Protocol.
2E2E IP — End-to-End IP.
3PDC — Pacific Digital Communications. — Прим. ред.
открытый стандарт GSM, а его разновидность была стандартизована в США
как один из альтернативных вариантов рынка систем персональной связи
(PCS1).
Единая глобальная система мобильной связи, естественно, порождает
множество пожеланий политического характера. В случае 3G это можно за-
метить уже на этапе выбора названия системы. Термин «система третьего по-
коления» (3G) — это наиболее нейтральный вариант. Но в разных частях
мира делаются разные акценты, и общий термин 3G имеет региональные си-
нонимы. В Европе для систем 3G применяют термин UMTS2 (универсальная
мобильная телекоммуникационная система), следуя терминологии Европей-
ского института стандартизации в электросвязи (ETSI3). В Японии и США
системы 3G часто обозначают термином IMT-20004 (Международная система
мобильной телефонии-2000). Это название предложено проектной группой
Международного союза электросвязи (МСЭ). В США как один из вариантов
систем сотовой связи 3G рассматривается система многостанционного до-
ступа с кодовым разделением CDMA20005, которая представляет собой даль-
нейшее развитие систем стандарта IS-95. В настоящей книге описывается
система UMTS — так, как она определена в рамках объединения по разра-
ботке стандартов мобильной связи 3-го поколения — 3GPP6. Чтобы внести
какой-то порядок в несколько запутанную ситуацию с выбором названия,
группа 3GPP приняла решение о том, чтобы считать официальным названи-
ем систем 3G термин «система 3GPP». Это название должно сопровождаться
номером версии, указывающим на определенный набор технических требо-
ваний. Следуя этой логике, самой первой версии европейской сети UMTS
дали официальное название «система 3GPP версии 99». Однако, несмотря на
наличие официального названия, в мире до сих пор широко применяются
термины UMTS и IMT-2000.
В начале своего развития система UMTS заимствовала множество эле-
ментов и функциональных принципов у системы GSM, а новые и наиболее
значимые решения были предложены в области радиодоступа. Концепция
UMTS предусматривает усовершенствованную технологию доступа, а имен-
но широкополосный радиодоступ. Для его реализации используется техноло-
гия широкополосного многостанционного доступа с кодовым разделением
(WCDMA7). Технология WCDMA появилась в развитие метода CDMA, кото-
рый, будучи признанной и проверенной технологией, продолжает использо-
ваться в военных целях, а также в узкополосных сетях сотовой связи, осо-
бенно в США.
Стандартизации UMTS предшествовал ряд подготовительных исследова-
тельских проектов, которые инициировались и финансировались Европей-
ским союзом. В 1992–1995 годах проектная группа MoNet, работавшая в
рамках программы по созданию усовершенствованной системы связи для
1.1. Процесс стандартизации систем 3G 19
1PCS — Personal Communication System. — Прим. ред.
2UMTS — Universal Mobile Telecommunication System. — Прим. ред.
3ETSI — European Telecommunications Standards Institute. — Прим. ред.
4IMT — International Mobile Telephony 2000. — Прим. ред.
5CDMA — Code Division Multiple Access. — Прим. ред.
63GPP — 3G Partnership Project. — Прим. ред.
7WCDMA — Wideband CDMA.
Европы (RACE1), предложила метод моделирования, описывающий распре-
деление функций радиодоступа и базовой части сети. Такой метод моделиро-
вания был необходим, например, для сравнения протокола интеллектуаль-
ной сети (IN2) и протокола GSM в части мобильных приложений (MAP3)
как возможных вариантов управления мобильной связью. Это наряду с дис-
куссией о широкополосной или узкополосной ЦСИО было одним из основ-
ных спорных вопросов в проектной группе MoNet. На последнем этапе ра-
боты группы MoNet возникли также споры об использовании асинхронного
режима передачи (технологии АТМ4) и широкополосной ЦСИО (Ш-ЦСИО)
для организации фиксированной (немобильной) передачи информации.
В 1995–1998 годах исследовательскую работу в области систем 3G про-
должила проектная группа FRAMES5 (расшифровывается как «система ши-
рокополосного многостанционного радиодоступа будущего») в рамках про-
граммы по созданию усовершенствованных средств связи и услуг (ACTS6).
Первые годы работы этой группы были посвящены выбору и отработке под-
ходящей технологии многостанционного доступа, при этом в основном рас-
сматривались варианты многостанционного доступа с временным разделени-
ем (TDMA7) и с кодовым разделением (CDMA). Крупные европейские про-
изводители оборудования отдавали предпочтение методу TDMA, поскольку
он использовался в системах GSM. Технологию на основе CDMA «продвига-
ли» в основном американские производители, которые имели опыт работы с
этой технологией благодаря ее раннему использованию в военных приложе-
ниях.
МСЭ стремился стандартизировать хотя бы одну общую для всех гло-
бальную технологию радиоинтерфейса. Для решения задачи гармонизации
были созданы проектные группы: FPLMTS8 (расшифровывается как «систе-
ма мобильной телефонии общего пользования будущего», а позднее —
IMT-2000. Из-за параллельной работы множества региональных органов по
стандартизации усилия МСЭ по гармонизации вылились в реализацию об-
щих архитектурных принципов в семействе систем IMT-2000.
Европа и Япония при разработке систем 3G также решали различные
краткосрочные задачи. В Европе благодаря раннему опыту передачи данных
в узкополосных системах GSM сформировалась значительная потребность в
коммерческих услугах мобильной передачи данных с гарантированным каче-
ством (например, мобильных видеоуслугах). Однако густонаселенному Даль-
невосточному региону срочно требовались дополнительные радиочастоты
для удовлетворения спроса на речевые услуги. Полосы частот, выделенные
МСЭ в 1992 году для будущих систем 3G, названных «IMT-2000», больше
всего подходили для решения данной проблемы. В начале 1998 года был сде-
лан значительный шаг вперед: технический комитет ETSI TC-SMG принял
20 Глава 1. Введение
1RACE — Research in Advanced Communications in Europe.
2IN — Intelligent Network.
3MAP — Mobile Application Part.
4ATM — Asynchronous Transfer Mode.
5FRAMES — Future Radio Wideband Multiple Access System.
6ACTS — Advanced Communications Technology and Services.
7TDMA — Time Division Multiple Access.
8FPLMTS — Future Public Land Mobile Telephony System.
решение использовать технологию WCDMA в качестве технологии радио-
доступа для систем UMTS. Это решение было поддержано и крупнейшим
японским оператором NTT DoCoMo. Одновременно было принято решение
развивать базовую сеть на основе технологии базовой сети систем GSM.
В течение 1998 года ETSI и японские органы по стандартизации (TTC и
ARIB) договорились о создании общего стандарта UMTS. После этого была
создана организация 3GPP и начался процесс глобальной стандартизации
системы UMTS.
Организация 3GPP служит своего рода «крышей» системы UMTS, обес-
печивая разработку компромиссных стандартов с учетом политических, про-
мышленных и коммерческих влияний, исходящих от местных органов стан-
дартизации:
• ETSI (Европейский институт стандартизации в электросвязи), Европа;
• ARIB1 (Ассоциация радиопромышленности и предпринимательства),
Япония;
• CWTS2 (Группа стандартизации беспроводной связи), Китай;
• Т13 (Комитет по стандартизации в электросвязи — Т1), США;
• TTA4 (Ассоциация телекоммуникационных технологий), Корея;
• TTC5 (Комитет телекоммуникационных технологий), Япония.
Учитывая сложность данной задачи, сразу же после появления 3GPP
была создана независимая организация, получившая название «группы гар-
монизации деятельности операторов» (OHG6). Основная задача 3GPP —
определение и поддержка технических требований системы UMTS, а группа
OHG призвана искать компромиссные решения тех вопросов, которые не
удается решить внутри 3GPP. Такая система дает гарантию того, что работа
3GPP будет продолжаться по намеченному плану.
Чтобы гарантировать учет американских интересов, была основана от-
дельная организация — «3GPP номер 2» (3GPP2), которая формирует техни-
ческие требования на основе радиотехнологии стандарта IS-95. Общая задача
организаций 3GPP, OHG и 3GPP2 состоит в создании таких технических
требований, которые позволят построить глобальную систему сотовой связи
с широкополосным радиодоступом. Подытоживая сказанное, можно выде-
лить три различных подхода к созданию глобальной сотовой системы 3G.
Эти подходы и их основные характеристики укрупненно представлены в таб-
лице 1.1.
По мере того как глобальная сеть становится реальностью, технические
требования к системам 3G позволяют использовать любую из перечисленных
в таблице систем коммутации в комбинациях с различными технологиями
радиодоступа, и в результате мы получаем действующую сотовую сеть 3G.
Второй ряд таблицы представляет европейский вариант, известный как сис-
тема UMTS, обзору первой версии которой и посвящена настоящая книга.
1.1. Процесс стандартизации систем 3G 21
1ARIB — Association of Radio Industries and Business.
2CWTS — China Wireless Telecommunication Standard group.
3T — Telecommunications.
4TTA — Telecommunication Technology Association.
5TTC — Telecommunications Technology Committee.
6OHG — Operator Harmonization Group.
Таблица 1.1. Варианты систем 3G и их основные характеристики
Вариант Радиодоступ Коммутация Базовая система 2G
3G (США) WCDMA, EDGE,
CDMA2000
IS-41 IS-95, GSM1900,
TDMA
3G (Европа) WCDMA, GSM,
EDGE
Усовершенствованная узловая
коммутационная система
(NSS1) GSM и пакетное ядро
GSM900/1800
3G (Япония) WCDMA Усовершенствованная узловая
коммутационная система
(NSS) GSM и пакетное ядро
PDC
Изначально организация 3GPP приняла решение обозначать издавае-
мые технические требования номером года их выпуска, поэтому первый из-
данный документ известен как Версия 99. Для этого первого набора техни-
ческих требований характерно довольно ощутимое «присутствие GSM».
С точки зрения UMTS это очень важный момент: во-первых, сети UMTS
должны были быть совместимыми с существующими сетями GSM и,
во-вторых, сети GSM и UMTS должны иметь возможность взаимодействия
между собой. Следующая версия технических требований изначально полу-
чила название «3GPP R002», но из-за большого количества предложенных
изменений процесс подготовки новой версии происходил в два этапа, в ре-
зультате чего появилось два документа — 3GPP R4 и 3GPP R5. 3GPP R4
определяет некоторые изменения в базовой сети UMTS с коммутацией ка-
налов, что связано с разделением потоков данных пользователя и механиз-
мов их контроля. 3GPP R5 представляет механизмы и средства, позволяю-
щие сети UMTS работать в среде мультимедиа. Эти средства известны как
«подсистема мультимедиа на основе протокола IP» (IMS3), архитектура ко-
торой представлена в главе 6. IP и протоколы более высокого уровня будут
использоваться и для управления сетью; кроме того, ожидается, что потоки
данных пользователя также будут передаваться в основном по протоко-
лу IP. Другими словами, мобильная сеть, реализованная в соответствии с
техническими требованиями 3GPP R5, будет представлять собой полностью
пакетную сеть, использующую в качестве транспортного протокола IP вме-
сто системы сигнализации № 7, которая удерживает лидирующее поло-
жение в существующих сетях с коммутацией каналов. Естественно, сеть на
основе IP должна поддерживать и услуги с коммутацией каналов. Техниче-
ские требования 3GPP R4/R5 также дают возможность использовать новые
методы радиодоступа. В документе 3GPP R99 в качестве основы наземной
сети доступа UMTS (UTRAN4) предлагался метод радиодоступа WCDMA.
Документ 3GPP R5 интегрирует в систему UMTS другой метод радиодосту-
22 Глава 1. Введение
1NSS — Nodal Switching System.
2Здесь и далее буква R в обозначениях стандартов означает номер версии (от Release
(англ.) — версия, выпуск). — Прим. ред.
3IMS — IP Multimedia Subsystem.
4UTRAN — UMTS Terrestrial Access Network.
па, заимствованный у систем GSM и известный как EDGE1 (усовершенст-
вованная передача данных как эволюция GSM). Это позволяет создавать
сети радиодоступа GSM/EDGE (GERAN2) в качестве альтернативы созда-
нию мобильной сети UMTS.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G
Основной идеей создания систем 3G была подготовка универсальной инфра-
структуры, способной поддерживать существующие и будущие услуги. Эта
инфраструктура должна быть разработана так, чтобы сеть могла адаптиро-
ваться к смене и эволюции технологий, не препятствуя предоставлению тра-
диционных услуг, использующих существующую сетевую структуру. Решить
эту довольно сложную задачу позволяет разделение методов доступа, транс-
портных технологий, технологий услуг (контроля соединений) и пользова-
тельских приложений. Структуру сети 3G можно описывать различными
способами. Ниже будут представлены некоторые методы представления ба-
зовой структуры сети. В данном разделе обсуждаются следующие подходы к
архитектуре сети:
• концептуальная сетевая модель;
• структурированная сетевая архитектура;
• архитектура управления ресурсами;
• архитектура каналов UMTS.
1.2.1. Концептуальная сетевая модель
С позиций вышеупомянутой концептуальной сетевой модели вся сетевая ар-
хитектура в зависимости от природы трафика, структур протоколов и физи-
ческих элементов может быть разделена на подсистемы. С точки зрения при-
роды трафика сеть 3G включает две основные области — область коммута-
ции пакетов (КП) и область коммутации каналов (КК). Документ 3GPP TR
21.905 определяет область как группу физических объектов высшего иерар-
хического уровня и установленные интерфейсы (опорные точки) между та-
кими областями. Параметры интерфейсов точно определяют, как происходит
взаимодействие областей друг с другом.
С точки зрения структур и функций протоколов сеть 3G можно разде-
лить на два уровня — уровень доступа и уровень без доступа. Под уровнем
понимают способ группирования протоколов, которые относятся к одному
виду услуг, поддерживаемых одной или несколькими областями (см. доку-
мент 3GPP TR 21.905). Таким образом, уровень доступа объединяет протоко-
лы, которые поддерживают взаимодействие между оборудованием пользова-
теля и сетью доступа. Уровень без доступа включает протоколы, обеспечива-
ющие взаимодействие между оборудованием пользователя и базовой сетью
(областями коммутации каналов и коммутации пакетов). Более подробную
информацию об уровнях и протоколах можно найти в главе 10.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G 23
1EDGE — Enhanced Data for GSM Evolution.
2GERAN — GSM/EDGE Radio Access Network.
Часть сети, обозначенная на рис. 1.2 как «домашняя сеть», обеспечивает
статистический учет и безопасность информации. Обслуживающая сеть —
это часть базовой сети плюс область, отвечающая за предоставление пользо-
вателю функций базовой сети на месте. Транзитной сетью называют часть
базовой сети, образующую канал связи между обслуживающей сетью и уда-
ленным абонентом. В случаях, когда вызываемый абонент находится в той
же сети, что и оборудование вызывающего абонента, транзитная сеть не ис-
пользуется.
1.2.2. Структурированная сетевая архитектура
В данной книге большинство вопросов рассматривается с позиций структу-
рированной архитектуры сети. Структурный подход представлен на рис. 1.3.
В сети UMTS важную роль играет технология GSM, являющаяся ее основой
(«фоном»), и, естественно, UMTS стремится повторно использовать все под-
ходящие ресурсы и возможности GSM. Например, некоторые процедуры,
используемые на уровне базовой сети, в принципе заимствованы у GSM, ес-
тественно, с необходимыми модификациями.
В системе 3G оконечное оборудование, которое называют оборудованием
пользователя (UE1), состоит из двух отдельных частей — мобильного обору-
дования (МE2) и модуля идентификации услуг (USIM3).
Новая подсистема, управляющая широкополосным радиодоступом, может
называться по-разному в зависимости от типа используемой радиотехнологии,
но существует и общий термин «сеть радиодоступа — RAN4». Когда говорят
конкретно о системе UMTS с технологией радиодоступа WCDMA, использу-
ются названия «UTRAN» или «UTRA». Еще один возможный вариант радио-
доступа в системе UMTS — GERAN. Документ 3GPP R99 не содержит опре-
24 Глава 1. Введение
Рис. 1.2. Концептуальная модель архитектуры UMTS
Область сети
доступа Область базовой сети
Область оборудования
пользователя Область инфраструктуры
1UE — User Equipment.
2ME — Mobile Equipment.
3USIM — UMTS Service Identity Module.
4RAN — Radio Access Network.
деления системы GERAN, однако она упоминается как возможный альтерна-
тивный вариант радиодоступа, который может использоваться в будущем.
Определение технических требований к системе GERAN и ее гармонизация с
системой UTRAN выполнены в документах 3GPP R4 и 3GPP R5.
Система UTRAN подразделяется на подсистемы радиосети (RNS1). Одна
такая подсистема представляет набор радиоэлементов и соответствующих им
элементов управления. В системе UTRAN радиоэлемент обозначается как
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G 25
Рис. 1.3. Сетевая архитектура UMTS — сетевые элементы и их соединения
при передаче данных пользователя
Область КК
Регистры
Область КП
Базовая сеть
1RNS — Radio Network Subsystems.
узел B (далее в этой книге используется термин «базовая станция — BS1»), а
элемент управления — как контроллер радиосети (RNC2). Контроллеры ра-
диосети соединяются друг с другом через внутренние интерфейсы сети до-
ступа — Iur. Более детальный анализ такой структуры и ее преимуществ при-
веден в главе 5.
Другая сеть доступа, показанная на рис. 1.3, — GERAN — не описывает-
ся в данной книге подробно. Читателям, интересующимся GERAN, следует
обратиться, например, к книге Halonen и др. (2002).
Термин «базовая сеть» охватывает все сетевые элементы, необходимые
для коммутации и управления абонентами. На ранних этапах внедрения
UMTS часть этих элементов заимствовалась непосредственно из сетей GSM
и модифицировалась для целей UMTS. Позднее, с изменением транспорт-
ных технологий, внутренняя структура базовой сети также существенно из-
менится. Как видно из рис. 1.3, базовая сеть включает области коммутации
каналов (КК) и коммутации пакетов (КП). Варианты конфигурации и эле-
ментов базовой сети UMTS рассматриваются в главе 6.
Часть сети, обозначенная на рис. 1.3 как «регистры», соответствует «до-
машней сети» в рассмотренной ранее концептуальной сетевой модели 3G.
Она обеспечивает статистический учет и безопасность информации. Более
подробно регистры рассматриваются в главе 6.
На рис. 1.3 представлены также основные открытые интерфейсы систе-
мы UMTS. Открытый интерфейс между оборудованием пользователя и сис-
темой UTRAN обозначается как Uu, а физически реализуется с помощью
технологии WCDMA. Некоторую информацию обзорного характера о тех-
нологии WCDMA можно получить в главах 3 и 4. В сети доступа GERAN
используется эквивалентный открытый интерфейс — Um. Еще один откры-
тый интерфейс — Iu — соединяет сети доступа UTRAN/ GERAN с базовой
сетью.
Подсистемы радиосети (RNS) соединены друг с другом открытым интер-
фейсом Iur. Этот интерфейс существенно отличается от аналогичных интер-
фейсов GSM: он позволяет системе реализовать абсолютно новые возможно-
сти — так называемое «макроразнесение», а также механизмы эффективного
управления радиоресурсами и мобильностью. Если в сети реализован интер-
фейс Iur, то оборудование пользователя может получать доступ к сети через
несколько подсистем RNC, каждая из которых в процессе установления ра-
диоканала выполняет определенные логические функции. В соответствии с
этими функциями различают обслуживающие RNC (SRNC3), дрейфующие
RNC (DRNC4) и управляющие RNC (CRNC5). Подсистема CNRC осуществ-
ляет общее управление логическими ресурсами в относящихся к ней точках
доступа UTRAN и, как правило, сосредоточена в базовых станциях. Функ-
ции SNRC используются при создании конкретного радиоканала между обо-
рудованием пользователя и системой UTRAN. Каждому оборудованию поль-
зователя UE, подключенному к системе UTRAN, соответствует своя подсис-
26 Глава 1. Введение
1BS — Base Station.
2RNC — Radio Network Controller.
3SRNC — Serving RNC.
4DRNC — Drifting RNC.
5CRNC — Controlling RNC.
тема SNRC, которая отвечает за установление радиосоединения между UE и
UTRAN. Кроме того, подсистема SNRC поддерживает интерфейс с базовой
сетью — Iu, который служит основной характеристикой данной SNRC. Под-
система DRNC выполняет свои логические функции в тех случаях, когда для
установления соединения системы UTRAN с оборудованием пользователя
необходимо задействовать соту (или соты), управляемую другой подсистемой
RNC, а не самой SRNC. Общий обзор вопросов, связанных с системой
UTRAN, можно найти в главе 5.
Сети доступа соединяются между собой также с помощью интерфейса
Iur-g, используемого для передачи информации управления радиоресурсами.
Отличие между интерфейсами Iur и Iur-g заключается в том, что Iur предна-
значен как для сигнальной информации, так и для данных пользователя, а
Iur-g — только для сигнализации.
Кроме областей КК и КП, показанных на рис. 1.3, сеть может включать
и другие области. Примером может служить область вещания, которая отве-
чает за управление передачей сообщений широкого вещания. Однако пред-
метом рассмотрения данной книги будет в основном сеть UMTS, представ-
ленная на рис. 1.4. Хотя были упомянуты различные сети радиодоступа,
основное внимание мы уделим системе UTRAN, затронув также ряд специ-
альных вопросов, связанных с сосуществованием и взаимодействием систем
UTRAN и GERAN.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G 27
Рис. 1.4. Сетевая архитектура UMTS — задачи управления и механизмы
контроля
Контроль мобильности (MOBC)
Контроль средств связи (COMC)
Контроль средств связи (COMC)
Контроль мобильности
(MOBC)
Контроль радиоресурсов
(RRC)
Радиоресурсы
Контроль мобильности
(MOBC)
1.2.3. Архитектура управления ресурсами
Описанная выше сетевая архитектура стала результатом разбиения по функ-
циям и разделения ответственности между основными областями и в конеч-
ном итоге между элементами сети. Рисунок 1.4 иллюстрирует это разделение
по основным функциям, среди которых:
• управление средствами связи (СМ1);
• управление мобильностью (ММ2);
• управление радиоресурсами (RRM3).
Область управления средствами связи (СМ) охватывает все функции и
процедуры, связанные с управлением соединениями пользователя. Область
СМ подразделяется на несколько подзон: обработки вызовов для соединений
с КК, управления сеансами для соединений с КП, а также поддержки допол-
нительных услуг и служб коротких сообщений. Область управления мобиль-
ностью ММ охватывает функции и процедуры, необходимые для поддержа-
ния мобильности и безопасности (например, процедуры обеспечения конфи-
денциальности соединений и корректировки местоположения). Большинство
процедур управления мобильностью ММ производятся в пределах области
управления средствами связи СМ и ее элементов, однако для пакетных со-
единений система 3G предполагает также выполнение функций ММ в систе-
ме UTRAN. Принципы, лежащие в основе определения областей СМ и ММ,
обсуждаются в главе 6.
Руководство радиоресурсами (RRM) представляет набор алгоритмов, ис-
пользуемых системой UTRAN для управления радиоресурсами. Эти алгорит-
мы поддерживают, например, контроль мощности в радиосоединениях, раз-
личные виды передачи обслуживания, контроль загрузки и входа в систему.
Управление радиоресурсами (RRM) является неотъемлемой частью системы
UTRAN; основные принципы RRM более подробно рассматриваются в гла-
ве 6. Некоторые примеры выполнения процедур СМ, ММ и RRM в масшта-
бе всей системы приведены в главе 11.
Хотя перечисленные задачи управления могут быть реализованы в опре-
деленных областях и элементах сети, для их выполнения необходимо взаи-
модействие соответствующих областей и элементов. Такое взаимодействие
предполагает сбор информации, формирование отчетности о статусе удален-
ных объектов и передачу этим объектам команд управления. Таким образом,
каждой задаче управления соответствует определенный набор механизмов
контроля, среди которых:
• контроль связи (COMC4);
• контроль мобильности (MOBC5);
• контроль радиоресурсов (RRC6).
28 Глава 1. Введение
1CM — Communication Management.
2MM — Mobility Management.
3RRM — Radio Resource Management.
4COMC — Communication Control.
5MOBC — Mobility Control.
6RRC — Radio Resource Control.
Система контроля связи COMC обслуживает механизмы, подобные
управлению установлением соединения и управлению сеансами пакетной
передачи. Механизмы контроля мобильности (МОВС) включают, например,
контроль выполнения операций обеспечения конфиденциальности и коррек-
тировки местоположения. Радиоресурсы полностью контролируются систе-
мой UTRAN и оборудованием пользователя UE. Механизм контроля радио-
ресурсов RRC отвечает за установление и поддержание радиоканала между
UTRAN и UE. Перечисленные механизмы контроля реализованы в виде на-
бора хорошо разработанных управляющих протоколов. Более подробную ин-
формацию о протоколах можно найти в главе 10.
При сравнении с традиционными системами GSM становится ясно, что
данная функциональная архитектура должна быть несколько переосмыслена.
Наиболее очевидное изменение касается области управления мобильностью,
где ответственность разделена между сетью доступа UTRAN и базовой сетью.
Что касается управления радиоресурсами, то в этом случае система UMTS
более строго следует принципу передачи сети доступа UTRAN полной ответ-
ственности за управление всеми радиоресурсами сети. При этом сделан ак-
цент на внедрении общего унифицированного протокола управления интер-
фейсом Iu.
1.2.4. Архитектура каналов UMTS
Как уже говорилось выше, система 3G в основном рассматривается как ин-
фраструктура, предоставляющая оконечным пользователям и пользователь-
ским приложениям оборудование, соответствующую полосу частот и необхо-
димое качество. Обеспечение техническими средствами, распределение час-
тот и качество соединения вместе образуют понятие «качество обслужива-
ния» (QoS1). В случае сквозного режима обслуживания (соединения) между
пользователями для данной конкретной услуги устанавливается свой набор
требований к качеству обслуживания, которые должны выполняться по всей
сети. В различных частях сети UMTS выполнение требований QoS к услугам
обеспечивается по-разному.
Чтобы смоделировать эту ситуацию, требования к сквозному режиму об-
служивания разделили на три категории: обслуживание местного канала, об-
служивание канала UMTS и обслуживание внешнего канала. Обслуживание
местного канала включает механизмы реализации сквозного режима на участ-
ке между оконечным оборудованием и мобильным окончанием (MT2). МТ
представляет собой часть оборудования пользователя (UE), которая устанав-
ливает радиосоединение с сетью и адаптирует возможности оконечного обору-
дования к условиям радиопередачи. Обслуживание канала UMTS, в свою оче-
редь, предусматривает механизмы выполнения требований качества обслужи-
вания (QoS) в сети UMTS/3G, включающей сеть доступа UTRAN и базовую
сеть. Когда сеть UMTS соединяется с другой сетью (или сетями), то требова-
ния QoS для сквозного режима должны поддерживаться и в направлении этих
внешних сетей. Это область ответственности внешнего канала.
1.2. Введение в архитектуру сетей 3G 29
1QoS — Quality of Service.
2MT — Mobile Termination.
Внутри сети UMTS сеть доступа UTRAN и базовая сеть по-разному
поддерживают требования QoS. С точки зрения базовой сети UTRAN со-
здает «иллюзию» фиксированного канала, предоставляя оконечному поль-
зователю необходимое качество обслуживания (QoS). Этот воображаемый
канал называют услугой по предоставлению канала радиодоступа. Базовая
сеть CN использует собственный метод передачи, который называется
«службой канала базовой сети». Такое разделение обусловлено необходимо-
стью гарантировать определенное качество обслуживания в очень разных
транспортных средах, для каждой из которых требуются свои механизмы
передачи и протоколы. Так, канал базовой сети по своей природе достаточ-
но постоянен, поскольку базовая транспортная сеть обеспечивает стабиль-
ные (устойчивые) физические соединения. В системе UTRAN канал радио-
доступа претерпевает множество изменений с течением времени и при пе-
ремещениях оборудования пользователя, что создает различные условия с
точки зрения выполнения требований QoS. Кроме того, при разделении ка-
налов сети доступа и базовой сети (CN) выполняется основной принцип
архитектуры сети UMTS — независимость инфраструктуры всей сети от
технологии радиодоступа.
На рис. 1.5 приведена модель сетевой архитектуры, в основе которой ле-
жат понятия каналов и качества обслуживания (QoS). В настоящей книге
этим понятиям уделяется большое внимание, поскольку обеспечение QoS —
одна из важнейших задач UMTS.
Представленные здесь архитектурные подходы мы будем использовать
далее по тексту книги как краеугольные камни при анализе сетей UMTS и
их реализаций.