6.1. Архитектура системы UMTS
Архитектура системы UMTS [. Она использует ту же хорошо известную архитектуру, которая применяется во всех основных системах второго поколения. Она подобна уже рассмотренной архитектуре системы GSM (рис 1.1).
(рис 6.1) Архитектура сети и интерфейсы UMTSСеть 3G строится на базе тех же компонентов, что и и рассмотренные выше подвижные сети [28]. Это: мобильная телефонная станция, в системе UMTS она называется UE (User Equipment); базовая телефонная станция (по терминологии UMTS — узел B); контроллер базовой станции (BSC) и центр коммутации мобильной связи (MSC).
В системе WCDMA вместо термина "контроллер базовой станции" применяется термин "контроллер управления радиосетью" (RNC — Radio Network Controller).
UE и UTRAN (сеть наземного доступа UMTS) работают в соответствии с полностью новыми протоколами, построение которых основано на потребностях новой технологии радиосвязи WCDMA. И наоборот, построение основной сети CN — Core Network — повторяет GSM [102, 106]. Это дает системе с новой технологией радиосвязи глобальную базу из известной и испытанной технологии CN, что способствует ускорению ее внедрения и позволяет использовать такое замечательное преимущество, как глобальный роуминг. Но в перспективе UMTS ориентируется на быстродействующую сеть на базе ATM-технологии
По своим функциям сеть состоит из сети наземного радиодоступа (UTRAN — UMTS Terrestrial RAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и базовой сети (CN — Core Network) [102, 106]. Они обеспечивают коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналы передачи данных во внешние сети. В системе UMTS применяется оборудование пользователя (UE — User Equipment), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс (Uu).
Другим способом группирования элементов сети UMTS служит деление их на подсети. Система UMTS является модульной в том смысле, что она может иметь несколько элементов сети одного и того же типа. В принципе, минимальным требованием для того, чтобы сеть работала и обеспечивала все свои функциональные возможности, является наличие по крайней мере одного логического элемента сети каждого типа (отметим, что некоторые функции и, следовательно, некоторые элементы сети являются необязательными). Возможность иметь несколько объектов одного и того же типа позволяет делить систему UMTS на подсети, которые работают либо самостоятельно, либо вместе с другими подсетями и являются тождественными друг другу. Такая сеть называется UMTS PLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). Обычно одна PLMN [108] эксплуатируется одним оператором и может соединяться с другими PLMN так же,
как и с другими типами сетей, например, ISDN, PSTN, Интернет (TCP/IP) и т. д. На рис 6.1 показаны элементы PLMN, а также для того, чтобы проиллюстрировать внутренние соединения, – внешние сети.
Краткие сведения обо всех элементах архитектуры UTRAN приводятся ниже.
6.1.1. Пользовательское оборудование (UE)
Пользовательское оборудование (UE) включает две части:
подвижное оборудование (UE) — радиотерминал, используемый для радиосвязи через интерфейс Uu;
модуль идентификации абонента UMTS-SIM (USIM- UMTS - Subscriber Identification Module), представляющий собой интеллектуальную плату, которая аналогично SIM-карте служит идентификатором абонента, выполняет алгоритм аутентификации и шифрования и содержит некоторые данные об услугах, которыми имеет право пользоваться абонент, необходимые при работе с терминалом.
Мобильная станция должна быть рассчитана на поддержку всех видов услуг сети третьего поколения. Она должна обеспечивать:
передачу речи с принятым для системы набором скоростей (табл. 5.4 в лекции 5);
услуги службы видео — видеоконференции и приложения видеотелефонии, как основанные на коммутации каналов (от установок ISDN), так и использующие передачу пакетов (TCP/IP);
услуги сети Интернет со скоростями до 473,6 Кбит/с при работе в обычном режиме и в режиме best effort (с максимально возможной скоростью);
удаленный доступ к корпоративным локальным сетям с передачей для работы с файловыми серверами, базами данных приложений, для совместной работы;
приложения электронной почты.
UTRAN состоит из двух элементов:
Базовая станция (по терминологии 3GPP — узел B) преобразует поток данных между интерфейсами Iub и Uu. Она также участвует в управлении радиоресурсами. Базовая телефонная станция должна обеспечить пропускную способность базовых и управляющих каналов для поддержания этих служб;
Контроллер базовой станции (по терминологии 3GPP — контроллер радиосети — RNC) обеспечивает интерфейсы со станциями с коммутацией каналов — I-CS или пакетной коммутацией I-PS.
Каждая из этих станций имеет традиционную архитектуру, но с учетом новых сервисов и технологий. Рассмотрим кратко архитектуру RNC. Поскольку она зависит от места станции в сети и связи с другими станциями этой и другой систем, архитектура может быть различной. Поэтому приведем конкретный пример. В этом примере дан некоторый типовой состав устройств, обеспечивающий набор услуг [16]. Архитектура ориентирована на работу в быстродействующей сети ATM. Эта система демонстрирует возможности станций 3-го поколения.
6.1.2. Архитектура контроллера радиосети (RNC)
Контроллер управления радиосетью (RNC), архитектура которого показана на рис 6.1, обеспечивает функции:
управления радиоресурсом, обработки принятых сигналов и мягкого хэндовера;
кодирования и декодирования сигналов (если кодеры и декодеры установлены в контроллере);
приема и передачи информации каналов, которая поступает от мобильных станций по интерфейсу, обеспечивающему взаимодействие с ATM-системой со скоростью 1,5-2 Мбит/с (по интерфейсу Iub [106]);
передачи информации к центру коммутации мобильной связи по ATM-каналам со скоростью 155 Мбит/с по Iu-интерфейсу;
отсчета времени и синхронизации.
К одному контроллеру радиосети могут быть подключены как минимум три базовые станции. При этом каждая из них может использовать до двух 1,5 или 2 Мбит/с Iub-каналов. Транспортная емкость конфигурации, представленной на рис 6.2, составляет около 160 мобильных станций, которые могут установить соединения друг к другу или к сети фиксированной связи. Каждое подключение коммутируется в MSC через ATM-коммутатор.
(рис 6.2) Архитектура контроллера радио сетиВ последнее время проводятся работы по замене ATM-коммутаторов на коммутаторы soft switch [18].
UMTS во время мягкого хэндовера с одним UE могут работать два контроллера RNC. Тогда один из них (завершающий соединение) называется обслуживающим (SRNS — Service RNC), а другой — дрейфующим (Drift RNC). Принцип работы и задачи станций при мягком хэндовере были изложены при описании работы сети CDMA и будут рассмотрены для UMTS далее.
6.1.3. Центр коммутации мобильной связи
Центр коммутации мобильной связи (MSC), архитектура которого представлена на рис 6.3, содержит все типовые элементы станции того же типа для GSM и выполняет те же функции (см. лекцию 1). MSC обеспечивает:
подключение к фиксированным сетям (таким как общедоступная телефонная сеть PSTN или цифровая сеть интегрального обслуживания ISDN);
передачу сигналов между функциональными объектами в подсистеме сети (используется ОКС № 7 — отдельный канал сигнализации);
обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны;
обслуживание группы сот и обеспечение всех видов соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и реализует интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, Интернет, ISDN и т. д.);
взаимодействие с RNC через интерфейс Iub, а с сетями ISDN и локальными компьютерными АТМ-сетями — через интерфейсы фиксированных сетей;
маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами, выполнение процедур управления и все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местоположения, передачи соединения (хэндовер);
формирование данных, необходимых для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи;
поддержание процедур безопасности, применяемых для управления доступами к радиоканалам.
(рис 6.3) Архитектура Центра коммутации мобильной связиОсновным отличием MSC UMTS от аналогичного узла MSC системы GSM является то, что коммутатор MSC должен быть рассчитан на высокие скорости, поэтому он обычно выполняется на базе ATM-коммутатора.
Основными элементами базовой сети являются:
домашний регистр местоположения (HLR — Home Location Register), который содержит всю административную информацию каждого абонента, зарегистрированного в соответствующей сети GSM, наряду с текущим местоположением мобильных станций;
визитный регистр местоположения (VLR — Visit Location Register). С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR.
Подобно RNC, центр коммутации мобильной связи (MSC) также разработан на основе базовой АТМ-инфраструктуры и обладает такой же гибкостью, что и RNC. В действительности некоторые функции могут даже перераспределяться между RNC.
Основной задачей MSC является установление и разъединение соединений от мобильных станций. Так как MSC может в одном и том же узле обрабатывать речь, осуществлять передачу пакетных данных и данных с коммутацией каналов, становится возможным обслуживание мультимедийных приложений. MSC выполняет функции:
адаптивной обработки как пакетных данных, так и данных для передачи с коммутацией каналов;
взаимодействия с сетями ISDN;
взаимодействия с локальными компьютерными АТМ-сетями;
кодирования/декодирования речи в соответствии с рекомендациями ITU-T G.729 (при условии реализации кодеков в MSC);
эхоподавления (echo supervision);
IP-маршрутизации.
Для адаптивной обработки абонентских данных для передачи по аналоговым голосовым сетям, а также сетям с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов, используется внешнее оборудование, например, конвертор ISDN и АТМ-маршрутизатор.
Внешний интерфейс основной скорости (ET BRI) соответствует стандартам. Кроме того, при подключении внешнего конвертора ISDN также могут быть реализованы европейские ISDN-интерфейсы (PRI и BRI), соответствующие рекомендациям ITU-T, Q.931 (Уровень 3), Q.921 (Уровень 2) и I.430/I.431 (Уровень 1). Внешняя локальная компьютерная АТМ-сеть использует постоянный виртуальный канал для осуществления всех подключений IP-поверх-ATM в соответствии со спецификацией IETF RFC 1483.
Возможности совместимости центра коммутации мобильной связи испытательной системы (блок IWF) позволяют подключаться к центрам коммутации сетей GSM.
Встроенный IP-маршрутизатор обеспечивает обработку потоков со скоростью до 10 Мбит/с. Распределение ресурсов между речью, канальными данными и пакетными данными регулируется различными вариантами конфигурации эхоподавителя, блоков адаптации услуг UDI (UADP) и адаптации пакетных услуг (PADP), IP-маршрутизатора (IPR) и интерфейса PRI.
Внешние сети можно разделить на две группы:
сети c коммутацией каналов (CS — Channel Switching). Они обеспечивают соединения с коммутацией каналов, как это делается в существующей в настоящее время телефонной связи;
сети с коммутацией пакетов (PS — Packet Switching) (рис 6.4). Они обеспечивают соединения с коммутацией пакетов данных. Одним из примеров сети PS служит Интернет.
(рис 6.4) Схема подключения GPRS к мобильной сети.Для целей пакетной коммутации на мобильной сети устанавливаются следующие виды коммутаторов:
SGSN (Serving GPRS Support Node — узел по обеспечению услуг GPRS) — подобны функциям MSC/VLR (управление мобильностью, аутентификация и шифрование), но используются для услуг с коммутацией пакетов (PS);
GGSN (Gate GPRS Support Node) — узел по обеспечению межсетевого перехода GPRS к другим сетям с коммутацией пакетов.
Иногда при начальном пуске станции или небольшой нагрузке передача пакетной информации осуществляется дополнительным оборудованием, устанавливаемым на MSC.
6.1.4. Каналы
Данные, передаваемые по каналам UMTS/WCDMA, организуются в виде кадров, временных положений (слотов) и каналов. Это касается всей полезной нагрузки и управляющих сигналов.
UMTS использует технологию CDMA, как и технологию доступа, но дополнительно применяет технологию временного разделения и соответственно структуру кадра и временного положения (слота) для того, чтобы обеспечить соответствующую структуру каналов [60].
Каналы разделяются на 10-миллисекундые кадры, каждый из которых содержит 16 слотов длительностью по 625,0 мкс. В направлении от станции к UE время разделяется так, чтобы временные слоты содержали поля с пользовательскими данными и управляющими сообщениями.
В направлении от UE при образовании каналов используется передача в одном формате данных и управляющих сообщений.
Все каналы классифицируются по трем категориям: логические, транспортные и физические. Логические и транспортные каналы определяют методы и пути передачи данных, физические переносят полезную нагрузку и обеспечивают физические характеристики сигналов. Каналы организованы так, чтобы логические каналы зависели только от передаваемой информации, а физический уровень обеспечивает, как и с какими характеристиками передается эта информация. Протокол управления доступом к среде (MAC) обеспечивает обслуживание логических каналов. Набор типов логических каналов определен для различных видов услуг передачи данных.
Логические каналы
Широковещательный канал управления (BCCH — Broadcast Control Channel) — канал от станции к UE (DL — downlink). Этот канал широковещательно передает информацию к группе UE, а также информацию о пилот-сигналах соседних сот и т. д.
Широковещательный управляющий канал оповещения (PCCH — Paging Control Channel) (от станции к абоненту). Этот канал связан с PICH (Paging Indication Channel), о котором будет сказано немного позднее, и используется для уведомления и широковещательных передач вызова.
Выделенный канал управления (DCCH — Dedicated Control Channel) (от станции к UE и обратно). Этот канал используется, чтобы доставлять специализированную информацию управления в обоих направлениях.
Общий канал управления (CCCH — Common Control Channel), (от станции UE и обратно). Этот двунаправленный канал используется, чтобы передать управляющую информацию.
Общедоступный канал управления канала (SHCCH — Shared Channel Control Channel). Этот канал двунаправленный и применяется только в режиме временного дуплексного разделения (TDD — Time Duplex Division) WCDMA/UMTS, где он используется, чтобы транспортировать общедоступную управляющую информацию канала.
Специализированный канал трафика (DTCH — Dedicated Traffic Channel). Это двунаправленный канал, используется для доставки пользовательских данных или трафика.
Общий канал трафика (CTCH — Common Traffic Channel) (от станции к абоненту) — однонаправленный канал, используется для передачи специализированной пользовательской информации группе UEs.
Транспортные каналы
Транспортные каналы передают информацию, обеспечивающую надежное и достоверное прохождение данных по сети.
Специализированный (выделенный) транспортный канал (DCH — Dedicated transport Channel) представляет собой двунаправленный канал. Он используется, чтобы передать данные конкретному UE. Каждый UE имеет собственный DCH в каждом направлении.
Широковещательный канал (BCH — Broadcast Channel) (от станции к UE). Этот канал широковещательно передает информацию к UE в соте, чтобы дать возможность им идентифицировать сеть и соту.
Канал прямого доступа (FACH — Forward Access Channel) (от станции к UE). Этот канал передает данные или информацию к UE, которая зарегистрирована в системе. В соте может быть более одного FACH. Они могут также доставлять пакеты данных.
Широковещательный канал вызова (PCH — Paging Channel) (от станции к UE). Этот канал может передавать аварийные сообщения UE, не входящие в данные вызова, SMS-сообщения, данные о сеансах связи или о типе требуемого обслуживания, например, запрос на перерегистрацию.
Канал произвольного доступа (RACH — Random Control Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал передает запросы на обслуживание от UE, обращающегося к системе.
Общий канал передачи пакетов (CPCH — Common Packet Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал обеспечивает возможности, дополняющие RACH, а также передает сигналы быстрого регулирования мощности.
Канал совместного использования (DSCH — Downlink Shared Channel) (от станции к UE). Этот канал может быть разделен между несколькими пользователями и используется для данных, которые являются "взрывными" по природе, такие как служба просмотра веб-браузеров, заявки в которую могут "взорваться" от события или по времени (например, во время чемпионата мира по футболу).
Физические каналы
Первичный общий физический канал управления (PCCPCH — Primary Common Control Physical Channel) (от станции к UE). Этот широковещательный канал непрерывно передает системную идентификацию и информацию управления доступом.
Вторичный общий физический канал управления (SCCPCH — Secondary Common Control Physical Channel) (от станции к UE). Этот канал доставляет информацию канала прямого доступа (FACH — Forward Access Channel) и широковещательного канала вызова (PCH) с сообщениями для Ues, которые зарегистрированы на сети.
Физический канал произвольного доступа (PRACH — Physical Random Access Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал дает возможность UE передать сообщения произвольного доступа при попытке обращения к сети.
Специализированный физический канал данных (DPDCH — Dedicated Physical Data Channel) (двусторонний). Этот канал используется, чтобы передать пользовательские данные.
Специализированный физический канал управления (DPCCH — Dedicated Physical Control Channel) (двусторонний). Этот канал доставляет управляющую информацию к и от UE. В обоих направлениях канал доставляет биты пилотного канала и идентификатор объединенного транспортного формата (TFCI — Transport Format Combination Identifier). Канал связи от станции к UE содержит также информацию управления мощностью передатчика и информацию обратной связи (FBI — FeedBack Information).
Общий пилот-канал (CPICH — Common Pilot Channel). Информация по этому каналу передается каждым узлом B, чтобы UE были способны поддерживать синхронизацию. Дополнительно эта информация должна быть использована для того, чтобы UE могли определить лучшую соту при перемещении.
Канал индикации вхождения в синхронизм (AICH — Acquisition Indicator Channel). AICH используется, чтобы сообщить UE сведения о канале данных (DCH). Может применяться для связи с узлом B — такое назначение канала возникает в результате успешного запроса службы произвольного доступа от UE.
Физический совместно используемый канал (PDSCH — Physical Downlink Shared Channel) (от станции к UE). Этот канал совместно используется для пересылки управляющей информации к UE в пределах области охвата узла B.
Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel), канал синхронизации используется UE с общим каналом пилот-сигнала (CPICH —Common Pilot Channel). Информация по этому каналу передается каждым узлом B, чтобы UEs могли поддерживать синхронизацию для демодуляции сигналов. Дополнительно они могут применяться как средство определения UE лучшей соты при перемещении.
Канал индикации вызова (PICH — Paging Indication Channel). Этот канал обеспечивает информацией UE в неактивном состоянии и обеспечивает сохранность ресурсов батареи при слежении в этом режиме за широковещательным каналом вызова (Paging Channel). PICH обеспечивает UE в момент дезактивации UE.
Канал индикации состояния (CSICH — CPCH Status Indication Channel). Этот канал, который применяется только по направлению от станции к UE для передачи состояния CPCH и может также использоваться для передачи излишней нагрузки при ее всплеске или прерывистом характере.
Обнаружение конфликтов / Канал индикации назначения канала (CD/CA-ICH — Collision Detection / Channel Assignment Indication Channel). Этот канал используется в направлении от станции к UE, чтобы указать, можно ли использовать этот канал сразу или требуется активация канала.
6.2. Общая модель протоколов UMTS
Общая модель протоколов UMTS показана на рис 6.5. Она построена по принципу модели протоколов B-ISDN на основе взаимодействующих уровней и плоскостей.
Потоки информации, проходящие через UTRAN, логически делятся на две части:
слой доступа (access stratum, AS) — информация, необходимая для взаимодействия UE и UTRAN;
слой без доступа (non-access stratum, NAS) — информация, переносимая между CN и UE через UTRAN.
В состав слоя без доступа входят протоколы верхнего (пользовательского) уровня, которые не занимаются проблемами доступа, а связаны только с услугами [113].
6.2.1. Плоскость управления
Протоколы плоскости управления (C-plane) определяют все функции сигнализации, установления, контроля и разъединения соединений.
Кроме этого, он включают в себя несколько прикладных протоколов, которые позволяют поддерживать сигнализацию на различных участках сети (см. рис 6.5).
(рис 6.5) Модель протоколов UMTSЭто протоколы:
RANAP (RAN Application) — для управления задачами сигнализации на участке радиодоступа (RNC — MSC), как часть интерфейса Iub;
RNSAP (Radio Network System Application) — для управления задачами сигнализации на участке радиосети (на участке между RNC — RNC), как часть интерфейса Iur;
NBAP (Network Base Station Application) — для управления задачами сигнализации на участке между базовыми станциями и RNC.
6.2.2. Плоскость пользователя
Плоскость пользователя (U-plane) обеспечивает транспортировку всех видов информации в совокупности с соответствующими механизмами защиты от ошибок, контроля и управления потоком. Вся информация, передаваемая и принимаемая пользователем, например, кодированная речь при речевом вызове или пакеты при соединении с Интернетом, передаются через плоскость пользователя. Каждый поток данных характеризуется одним или несколькими протоколами фреймов, указанных для этого интерфейса.
6.2.3. Плоскость управления транспортной сетью
Поскольку сеть UTRAN рассчитывается на передачу высокоскоростной информации, в наземной части она базируется на сети ATM. Для этой сети характерно, что для сигнализации используется сеть отдельных виртуальных каналов (SVC — Signaling Virtual Channel), предназначенных только для передачи сигналов управления, взаимодействия и технического обслуживания. Некоторые приложения могут требовать создания нескольких (постоянных или временных) виртуальных каналов. Например, услуги мультимедиа могут потребовать установления отдельных каналов сигнализации для услуг передачи речи, видеоизображения и данных. Каналы сигнализации могут быть односторонними или двухсторонними, симметричными (одинаковая скорость в обоих направлениях) и асимметричными (различные скорости в противоположных направлениях).
Виртуальные каналы могут быть:
виртуальным каналом метасигнализации;
общим широковещательным каналом;
селективным широковещательным виртуальным каналом сигнализации;
виртуальным каналом "точка — точка".
Плоскость управления транспортной сетью используется для управления и организации указанных выше каналов сигнализации на транспортном уровне. Она не охватывает уровня радиосети. Для сети UMTS в нее включается протокол управления звеном доступа ALCAP (Access Link Control Application), который необходим для установления транспортных B-каналов для плоскости пользователя — например, для установления каналов сигнализации "точка — точка" и для установления канала сигнализации в соответствии с услугами, предоставляемыми данному пользователю.
Когда используется плоскость управления транспортной сетью, каналы сигнализации пользователя устанавливаются по входному сообщению (транзакция) от прикладного протокола на плоскости управления, которое запускает установление этих каналов с помощью одной из частей протокола ALCAP, специально предназначенного для технологии плоскости пользователя.
Следует отметить, что протокол ALCAP может и не потребоваться, например, когда используются сети с заранее заданной конфигурацией каналов сигнализации. Тогда протокол ALCAP не запускается.
Спецификации UMTS предполагают, что запуск системы по протоколам ALCAP всегда осуществляется с помощью действий персонала по эксплуатации и обслуживанию (OM).
6.3. Интерфейсы отдельных участков
На рис 6.6 дано сквозное представление протоколов плоскости управления сети UMTS. Этот рисунок показывает набор протоколов, которыми пользуется каждый элемент сети для передачи сообщений сигнализации.
(рис 6.6) Сквозное представление протоколов плоскости управления сети UMTSУстройство UE (User Equipment) применяет две группы протоколов:
прикладные (управление мобильностью — MM, управление соединением — CC);
управления радиоресурсами (RRC) — транспортные протоколы для организации передачи информации (управление радиоканалом (звеном) — RLC, управление доступом к среде — MAC).
Для сообщений этих протоколов узел B (BTS) "прозрачен" [87]. Он передает их в RNC, преобразуя радиосигналы в сигналы сети ATM. Уровень AAL2 предназначен для обеспечения эффективной пропускной способности для передачи трафика коротких пакетов с низкой битовой скоростью, требующего малой временной задержки.
6.3.1. Уровень управления радиоресурсами (RRC)
RRC (Radio Resource Control) — протокол верхнего уровня [57], который является частью интерфейса Iub. Процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами приведены в табл. 6.2.
В RRC входят следующие протоколы:
прикладные протоколы RRC;
протоколы управления каналом связи (RLC);
протоколы управления доступом к среде (MAC — Media Access Control).
RRC выполняет следующие функции:
распределяет заявки по уровням на стороне пользовательского оборудования или на стороне сети UTRAN;
выполняет широковещательные функции — широковещательное управление, доставку широковещательных сообщений;
оповещает пользовательские терминалы (UE) о состоянии сети и радиоресурсов;
рассылает информацию по радиосети;
рассылает информацию всем уровням сети;
осуществляет установление, реконфигурацию и освобождение RRC-соединения между UE и UTRAN;
осуществляет установление, реконфигурацию и освобождение радионосителей;
осуществляет назначение, реконфигурацию и освобождение радиоресурсов для RRC-соединения;
обеспечивает функции мобильности соединения;
формирует UE-сообщение о результатах измерения;
осуществляет управление мощностью;
управляет шифрованием;
осуществляет выбор и перевыбор первичной соты;
обеспечивает сохранение достоверности информации.
Уровень RRC обеспечивает соединения сигнализации к верхним уровням с целью поддержания обмена информационными потоками между процессами верхнего уровня. Сигнальное соединение используется для передачи сообщений между пользовательским оборудованием и основной сетью, чтобы передать информацию верхнего уровня. Для каждой локальной области сети сигнальное соединение может обслуживать в каждый момент только один вызов для одного UE.
В таблице 6.1 приведены процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами.
Процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами (RRC)
| Сообщение (англ.) |
Сообщение (рус.) |
UTRAN-процедура |
Направление |
Тип канала |
|---|
| UE Capability Information |
Информация о возможностях UE |
Установление сигнального соединения NAS |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| Direct Transfer |
Прямой обмен |
Установление сигнального соединения NAS |
UE $$\Leftrightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| RRC Connection Request |
Запрос RRC-соединения |
Установление RRC-соединения |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
CCCH |
| RRC Connection Setup |
Установление RRC-соединения |
Установление RRC-соединения |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
CCCH |
| RAB Setup |
Установление RAB-соединения |
Установление RAB-соединения |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
| RAB Setup Complete |
Установление RAB-соединения закончено |
Установление RAB-соединения закончено |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| RAB Release |
Разъединение RAB-соединения |
Разъединение RAB-соединения |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
| RAB Release Complete |
Разъединение RAB-соединения закончено |
Разъединение RAB-соединения UE |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| Handover Command |
Команда хэндовера |
Жесткий хэндовер |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
| Active Set Update |
Обновление активного набора |
Мягкий хэндовер |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
| Active Set Update Complete |
Обновление активного набора закончено |
Мягкий хэндовер |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| Paging |
Оповещение |
Оповещение для UE в RRC в режиме соединения |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
RAB — Radio Access Bearer — носители радиодоступа
SRNC — Serving — Serving RNC – Обслуживающий RNC
NAS – Non-Access Stratum – слой без доступа
Протокол управления радиоканалом связи (RLC)
Радиопротокол управления каналом связи (RLC) [117, 124] обеспечивает 3 режима работы.
Передача информации в режиме "прозрачного" обслуживания TrD (Transparent Mode Data).
Передача информации в режиме без подтверждения правильного приема данных (UMD — Unacknowledged Mode Data).
Передача и получение информации в режиме с подтверждением правильного приема данных (AMD — Acknowledged Mode Data).
RLC выполняет следующие функции:
сегментация и сборка сервисных блоков данных;
последовательное соединение (конкатенация);
дополнение информации для согласования форматов (например, нулей);
передача пользовательских данных;
коррекция ошибок;
доставка протокольных блоков высокого уровня в исходном порядке следования;
управление потоком;
проверка порядкового номера;
обнаружение ошибок протокола и восстановление;
шифрование;
приостановка/возобновление функций.
Передаваемые блоки данных. Они могут содержать данные или сообщения управления протоколов сигнализации.
В соответствии с режимами протокол использует различные форматы.
Формат TrD (блок, передаваемый в "прозрачном" режиме).
Формат TrD используется для того, чтобы передать с помощью RLC данные, поступившие от обслуживаемого уровня, не добавляя никаких заголовков.
Формат UMD (блок передачи объекта в режиме без подтверждения о приеме данных).
Формат UMD используется для того, чтобы передать последовательно пронумерованные PDU, содержащие RLC-данные исходного блока SDU. При этом исходные данные сегментируются для включения в протокольные блоки. В таком режиме сегменты передаются без подтверждения правильности приема сегментов и их сборки.
Заголовок UMD PDU в первом октете содержит порядковый номер первого сегмента блока данных (для этого используются 7 старших разрядов).
Далее заголовок RLC содержит индикаторы, указывающие длину каждого сегмента, начиная с первого.
Формат AMD (блок приема и передачи в режиме обслуживания с подтверждением о приеме данных).
Как и в предыдущем случае, формат AMD используется, чтобы передать последовательно пронумерованные PDU, содержащие RLC-данные исходного блока SDU. Однако формат AMD передает помимо пользовательских данных и другую информацию, которая дает возможность подтвердить правильный прием сегментов и поддержать процессы повторения информации. Эта информация позволяет:
сообщить передатчику о непринятых протокольных блоках, содержащих часть сегментов исходной информации;
сообщить передатчику данные о согласовании скоростей передачи;
сообщить приемнику данные о согласовании скоростей передачи.
Формат с вложением состояния PDU (Piggybacked Status PDU) наряду с пользовательскими данными содержит дополнительно вложенные данные для управления (например, данные о состоянии оборудования, сброса оборудования или таймеров в исходное состояние и др.).
Подробные описания этих форматов приведены в [117, 124].
Протокол управления доступом к среде (MAC)
Протокол управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) обеспечивает услуги передачи данных по логическим каналам [126]. Набор логических типов канала определяется различными видами услуг передачи данных. Каждый логический тип канала определен типом передаваемой информации.
Уровень MAC имеет несколько групп протоколов:
MAC b — протоколы работы с широковещательными каналами (BCH — Broadcast Channel);
MAC c — протоколы работы с общими каналами управления (CCCH — Common Control Channels);
MAC d — протоколы работы с выделенными каналами управления (DCCH — Dedicated Control Channel).
Каждый протокольный блок данных (PDU) содержит заголовок опции MAC и заголовок сервисного блока данных (MAC SDU). Оба этих заголовка имеют переменный размер.
Содержание и размер заголовка MAC зависят от типа логического канала, и в некоторых случаях не указывается ни один из параметров этих заголовков. Размер MAC SDU зависит от размера протокольного блока данных предыдущих уровней, которые определяются при процедуре установки протоколов.
Структура заголовка протокола MAC представлена на рис 6.7.
(рис 6.7) Структура заголовка MACTCTF (Target Channel Type Field) — поле назначения канала
Поле TCTF обеспечивает идентификацию логического класса канала. Они подразделяются на каналы случайного доступа (RACH) и каналы прямого доступа (FACH).
Размер поля TCTF и FACH для FDD — любой из 2 или 8 битов, зависящих от значения двух самых старших битов, для TDD — либо 3 либо 5 битов в зависимости от значения трех старших разрядов.
Поле UE-Id type поле длиной 2 бита необходимо, чтобы гарантировать правильную расшифровку поля UE-Id в заголовках MAC.
Значения этого поля:
00 — U-RNTI (UTRAN Radio Network Temporary Identity — временный идентификатор UTRAN радиосети);
01 — C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identity — временный идентификатор соты радиосети);
10 — зарезервированный (PDU с этим кодированием будет отклонен этой версией протокола);
11 — зарезервированный (PDU с этим кодированием будет отклонен этой версией протокола).
Поле UE-Id обеспечивает идентификацию UE при передаче по транспортным каналам определены следующие типы UE-Id, используемые в MAC:
U-RNTI может применяться в заголовке MAC в выделенном канале управления (DCCH), когда он размещен в обычном транспортном канале;
C-RNTI используется на DTCH (Date Transmission Channel), DSCH (Date Synchronizer Channel) в режиме FDD и может применяться на DCCH, размещается в обычных транспортных каналах.
Длины поля UE-Id заголовка MAC следующая.
U-RNTI 32 бита;
C-RNTI 16 битов.
Поле C/T обеспечивает идентификацию логического канала, когда имеется много логических каналов в одном и том же транспортном канале. Поле C/T используется также, чтобы обеспечить идентификацию логического типа канала на выделенных транспортных каналах и на FACH и RACCH, когда их передачи идут на пользовательских каналах передачи данных. Размер поля C/T установлен 4 бита и для обычных транспортных каналов, и для выделенных транспортных каналов.
Поле C/T имеет следующие значения:
0000 логический канал 1;
0001 логический канал 2;
......
1110 логический канал 15;
1111 — зарезервирован (PDU с таким кодом будут отклонены этой версией протокола).
6.3.2. Прикладные протоколы
Управление соединением (CM — Connection Management)
Управление соединением обрабатывает общий процесс управления установлением соединения и разъединения, а также управляет дополнительными услугами и службой передачи коротких сообщений. Он участвует в обслуживании следующих процедур:
установление вызова;
прекращение вызова (разъединение, освобождение обрудования);
процедуры в фазе обмена информацией (хэндовер, переадресация соединения) и другие процедуры.
Формат сообщения этого протокола представлен на рис 6.8:
Значения поля "тип сообщения" формата CM приведены в табл. 6.2.
(рис 6.8) Формат протокола CMЗначения поля "тип сообщения" в формате протокола CM
| Шестнадцатеричный код |
Содержательное значение |
|---|
| 0x01 |
Alerting |
Оповещение (вызывной сигнал) |
| 0x02 |
Call Proceeding |
Установление вызова |
| 0x03 |
Progress |
Продвижение соединения |
| 0x04 |
CC-ESTABLISHMENT |
Установка CC |
| 0x05 |
Setup |
Вызов |
| 0x06 |
CC-ESTABLISHMENT CONFIRMED |
Подтверждение установления CC |
| 0x07 |
Connect |
Соединение |
| 0x08 |
Call Confirmed |
Подтверждение вызова |
| 0x09 |
START CC |
Старт CC |
| 0x0B |
RECALL |
Повторный вызов |
| 0x0E |
Emergency Setup |
Аварийный вызов |
| 0x0F |
Connect Acknowledge |
Подтверждение вызова |
| 0x10 |
User Information |
Пользовательская информация |
| 0x13 |
Modify Reject |
Остановка модификации |
| 0x17 |
Modify |
Модификация |
| 0x18 |
Hold |
Удержание |
| 0x19 |
Hold Acknowledge |
Подтверждение удержания |
| 0x1A |
Hold Reject |
Остановка удержания |
| 0x1C |
Retrieve |
Извлечь |
Управление мобильностью (MM — Mobility Management)
Управление мобильностью выполняет функции управления обновлением местоположения и процедурами регистрации, а также защитой и аутентификацией.
Заголовок формата MM показан на рис 6.9.
(рис 6.9) Формат протокола MMПоля формата имеют следующие значения:
Дискриминатор протокола — 0101;
Индикатор шага — обычно 0000.
Значения поля "тип сообщения" в формате MM указаны в табл. 6.3.
Значения поля "тип сообщения" формата протокола MM
| 0x00 |
xxxx |
Сообщение регистрации |
|
0001 |
IMSI Detach Indication |
Выделение IMSI |
|
0010 |
Location Updating Accept |
Принят запрос на обновление местоположения |
|
0100 |
Location Updating Reject |
Приостановка обновления местоположения |
|
1000 |
Location Updating Request |
Требование на обновление местоположения |
| 0x01 |
xxxx |
Сообщения безопасности |
|
0001 |
Authentication Reject |
Приостановка аутентификации |
|
0010 |
Authentication Request |
Требование на аутентификацию |
|
0100 |
Authentication Response |
Ответ на аутентификацию |
|
1000 |
Identity Request |
Запрос идентификации |
|
1001 |
Identity Response |
Ответ на идентификацию |
|
1010 |
TMSI Relocation Command |
Команда на перемещение TSMI |
|
1011 |
TMSI Relocation Complete |
Перемещение TSMI закончено |
| 0x10 |
xxxx |
Сообщения управления соединением |
|
0001 |
CM Service Accept |
Принятие запроса на обслуживание CM |
|
0010 |
CM Service Reject |
Обслуживание CM приостановлено |
|
0011 |
CM Service Abort |
Обслуживание CM прервано |
|
0100 |
CM Service Request |
Запрос на обслуживание CM |
|
1000 |
CM Reestablishment Request |
Перезапрос CM |
|
1001 |
Abort |
Остановка |
| 0x11 |
xxxx |
Прочие сообщения |
|
0001 |
MM Status |
Состояние MM |
6.3.3. Протоколы различных уровней в системе UMTS
Три плоскости в интерфейсе Iub используют общие средства передачи в режиме ATM для всех плоскостей. Физический уровень представляет собой интерфейс с физической средой: волоконно-оптическими кабелями, радиоканалом или медным проводом. Реализация на физическом уровне может выбираться из большого ряда таких стандартных имеющихся на сегодняшний день технологий передачи, как, например, SONET, SDH или E1.
Принцип уровня адаптации протоколов сигнализации (плоскость управления) в режиме ATM детально разобран в [19]. Мы рассмотрим два случая.
Основная сеть (CN) применяет технологию коммутации каналов (CS).
В этом случае задачу выполняет уровень адаптации для сигнализации (SAAL — Signaling ATM Adaptation Layer). Протоколы этого уровня содержат следующие подуровни (рис 6.10):
(рис 6.10) Структура уровня адаптации ATM для сигнализации протоколов сигнализации UMTS (плоскость управления) для сети с коммутацией каналов (CS)сервисно-ориентированные функции координации (SSCF — Service Specific Coordination Function), которые разделяются на функции для интерфейса "пользователь — сеть" (SSCF UNI — User-Network Interface) и "сеть — сеть" (SSCF NNI — Network- Network Interface);
сервисно-ориентированный протокол с установлением соединения (SSCOP — Service Specific Connection Oriented Protocol);
общие протоколы уровня адаптации (для UMTS обычно используется пятый уровень адаптации AAL5, предназначенный для высокоскоростной передачи данных).
Для управления сигнализацией применяются также некоторые из уровней систем сигнализации по отдельному каналу сигнализации (ОКС).
Все эти уровни подробно изучены в [1, 10, 11, 17, 35]. Это уровни:
SCCP (Signaling Connection Control Part — подсистема управления соединениями сигнализации). Кратко этот уровень был рассмотрен при описании протоколов GSM. Он предназначен для обеспечения логических соединений при передаче блоков данных сигнализации;
MTP-3 — подсистема передачи сообщений третьего уровня, который обеспечивает сетевые функции, например, маршрутизацию сигнальных сообщений, управление потоками сигнализации, переход на резерв и т. д.
При выполнении отдельных функций могут быть некоторые варианты применения.Например, пакет протоколов для плоскости управления транспортной сетью состоит из протокола сигнализации для установления соединений без уровня SCCP (AAL2).
Основная сеть (CN) применяет технологию пакетной коммутации (PS).
Тогда задействуются средства, используемые в сети Интернет (рис 6.11).
MUA (Mail User Agent) — протокол агента пользователя (почты). Этот протокол позволяет подключаться к хосту Интернета.
SCTP (Stream Control Transmission Protocol) — транспортный протокол управления потоком. Это протокол был введен в стек протоколов TCP/IP-2000 [112] как новый транспортный протокол, который определяется на транспортном уровне наряду с существующими протоколами IP и UDP. Он обеспечивает достоверность передачи информации по сети, без ошибок и нарушения последовательности. Подобно TCP, он ориентирован на систему с установлением соединения. В отличие от TCP, он обеспечивает транспортировку сообщений сигнализации с учетом особенностей этой информации. Подробно это протокол приводится в [112].
В плоскости управления транспортным уровнем сети с коммутацией пакетов (PS) для адаптации к сети ATM применяется протокол GTP (GPRS Tunnelling Protocol) — протокол туннельной проводки GPRS (General Packet Radio Service).
Туннельная проводка позволяет прозрачную передачу информации между различными узлами, т. е. без обработки преобразования.
(рис 6.11) Структура уровня адаптации ATM для сигнализации протоколов сигнализации UMTS (плоскость управления) для сети с коммутацией пакетов (PCS)
6.4. Краткие итоги лекции 6
Система UMTS использует хорошо известную архитектуру, которая применяется во всех основных системах второго поколения. Архитектура системы UMTS включает в себя мобильную телефонную станцию в системе UMTS – UE, базовую телефонную станцию — узел B, контроллер базовой станции (BSC) и центр коммутации мобильной связи (MSC).
UE состоит из двух частей: подвижное оборудование (UE) и модуль идентификации абонента UMTS-SIM.
UTRAN — сеть наземного радиодоступа UMTS, состоит из двух элементов: первый элемент — узел B и второй элемент — контроллер управления радиосетью (RNC).
В сети UMTS во время мягкого хэндовера с одним UE могут работать два контроллера RNC. Тогда один из них (завершающий соединение) называется обслуживающим (SRNS — Service RNC), а другой — дрейфующим (Drift RNC).
Центр коммутации мобильной связи (MSC) содержит все типовые элементы станции того же типа для GSM и выполняет те же функции. Центр коммутации мобильной связи (MSC) также разработан на основе базовой АТМ-инфраструктуры.
Внешние сети для MSC можно разделить на две группы: сети c коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов. Для целей пакетной коммутации на мобильной сети устанавливаются коммутаторы: SGSN (узел по обеспечению услуг GPRS) и GGSN (узел по обеспечению межсетевого перехода GPRS к другим сетям с коммутацией пакетов).
Все каналы разбиты на три категории: логические, транспортные и физические.
Логические каналы — это широковещательный канал управления (BCCH), широковещательный управляющий канал оповещения (PCCH), выделенный канал управления (DCCH), общий канал управления (CCCH), общедоступный канал управления канала (SHCCH), специализированный канал трафика (DTCH), общий канал трафика (CTCH).
Транспортные каналы — это специализированный транспортный канал (DCH), широковещательный канал (BCH), канал прямого доступа (FACH), широковещательный канал вызова (PCH), канал произвольного доступа (RACH), общий канал передачи пакетов (CPCH), канал совместного использования (DSCH).
Физические Каналы — это первичный общий физический канал управления (PCCPCH), вторичный общий физический канал управления (SCCPCH), физический канал произвольного доступа (PRACH), специализированный физический канал данных (DPDCH), специализированный физический канал управления (DPCCH), общий пилот-канал (CPICH), канал индикации вхождения в синхронизм (AICH), физический совместно используемый канал (PDSCH), канал синхронизации (SCH), канал индикации вызова (PICH), канал индикации состояния (CSICH), обнаружение конфликтов/канал индикации назначения (CD/CA-ICH).
Потоки информации, проходящие через UTRAN, логически делятся на две части: слой доступа (access stratum) и слой без доступа (non-access stratum, NAC).
Протоколы плоскости управления (C-plane) определяют все функции сигнализации, установления, контроля и разъединения соединений. Это протоколы RANAP, RNSAP и NBAP.
Плоскость пользователя (U-plane) обеспечивает транспортировку всех видов информации в совокупности с соответствующими механизмами защиты от ошибок, контроля и управления потоком.
Плоскость управления транспортной сетью используется для всего управления организации виртуальных каналов сигнализации на транспортном уровне. В сети UMTS в нее включается протокол управления звеном доступа ALCAP (Access Link Control Application), который необходим для установления транспортных B-каналов для плоскости пользователя.
Устройство UE (User Equipment) использует группы протоколов: прикладные протоколы (управление мобильностью — MM, управление соединением — CC); управления радиоресурсами (RRC) и транспортные протоколы для организации передачи информации (управление радиоканалом (звеном) — RLC, управление доступом к среде — MAC).
Для сообщений этих протоколов узел B (BTS) "прозрачен". Он передает их в RNC, преобразуя радиосигналы в сигналы сети ATM с помощью протоколов уровня адаптации ATM 2 (AAL2).
RRC имеет следующие интерфейсы: прикладные протоколы RRC, протоколы управления каналом связи (RLC), протоколы управления доступом к среде (MAC).
Управление соединением (CM — Connection Management) обрабатывает общий процесс управления установлением соединения, разъединения и управляет дополнительными услугами, а также службой передачи коротких сообщений.
Управление мобильностью (MM — Mobility Management) управляет обновлением местоположения и процедурами регистрации, а также защитой и аутентификацией.
Радиопротокол управления каналом связи (RLC) обеспечивает 3 режима работы: передачи информации в режиме прозрачного обслуживания, передачи информации в режиме без подтверждения правильного приема данных (UMD); передачи и получения информации в режиме с подтверждением правильного приема данных (AMD).
Протокол управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) обеспечивает услуги передачи данных по логическим каналам. Набор логических типов канала определяется различными видами услуг передачи данных. Каждый логический тип канала определен типом передаваемой информации.
Если базовая сеть (CN) применяет технологию коммутации каналов (CS), то задачу адаптирование протоколов сигнализации выполняет уровень адаптации для сигнализации (S-AAL).
Протоколы S-AAL содержат следующие подуровни: сервисно-ориентированные функции координации (SSCF), сервисно-ориентированный протокол с установлением соединения (SSCOP), общие протоколы уровня адаптации (AAL-2 или AAL5).
Для управления сигнализацией применяются также некоторые из уровней систем сигнализации по отдельному каналу сигнализации (ОКС): SCCP — подсистема управления соединениями сигнализации, MAP-3 — подсистема передачи сообщений третьего уровня.
Если базовая сеть (CN) работает с технологией пакетной коммутации (PS), то применяются средства, используемые в сети Интернет: MUA (Mail User Agent) — протокол агента пользователя (почты), SCTP (Stream Control Transmission Protocol) — транспортный протокол управления потоком.
Для плоскости управления транспортным уровнем сети с коммутацией пакетов (PS) для адаптации к сети ATM применяется протокол GTP-U (Group Termination Point User Data Tunnelling) — протокол туннельной проводки.
6.1. Архитектура системы UMTS
Архитектура системы UMTS [. Она использует ту же хорошо известную архитектуру, которая применяется во всех основных системах второго поколения. Она подобна уже рассмотренной архитектуре системы GSM (рис 1.1).
(рис 6.1) Архитектура сети и интерфейсы UMTSСеть 3G строится на базе тех же компонентов, что и и рассмотренные выше подвижные сети [28]. Это: мобильная телефонная станция, в системе UMTS она называется UE (User Equipment); базовая телефонная станция (по терминологии UMTS — узел B); контроллер базовой станции (BSC) и центр коммутации мобильной связи (MSC).
В системе WCDMA вместо термина "контроллер базовой станции" применяется термин "контроллер управления радиосетью" (RNC — Radio Network Controller).
UE и UTRAN (сеть наземного доступа UMTS) работают в соответствии с полностью новыми протоколами, построение которых основано на потребностях новой технологии радиосвязи WCDMA. И наоборот, построение основной сети CN — Core Network — повторяет GSM [102, 106]. Это дает системе с новой технологией радиосвязи глобальную базу из известной и испытанной технологии CN, что способствует ускорению ее внедрения и позволяет использовать такое замечательное преимущество, как глобальный роуминг. Но в перспективе UMTS ориентируется на быстродействующую сеть на базе ATM-технологии
По своим функциям сеть состоит из сети наземного радиодоступа (UTRAN — UMTS Terrestrial RAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и базовой сети (CN — Core Network) [102, 106]. Они обеспечивают коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналы передачи данных во внешние сети. В системе UMTS применяется оборудование пользователя (UE — User Equipment), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс (Uu).
Другим способом группирования элементов сети UMTS служит деление их на подсети. Система UMTS является модульной в том смысле, что она может иметь несколько элементов сети одного и того же типа. В принципе, минимальным требованием для того, чтобы сеть работала и обеспечивала все свои функциональные возможности, является наличие по крайней мере одного логического элемента сети каждого типа (отметим, что некоторые функции и, следовательно, некоторые элементы сети являются необязательными). Возможность иметь несколько объектов одного и того же типа позволяет делить систему UMTS на подсети, которые работают либо самостоятельно, либо вместе с другими подсетями и являются тождественными друг другу. Такая сеть называется UMTS PLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). Обычно одна PLMN [108] эксплуатируется одним оператором и может соединяться с другими PLMN так же,
как и с другими типами сетей, например, ISDN, PSTN, Интернет (TCP/IP) и т. д. На рис 6.1 показаны элементы PLMN, а также для того, чтобы проиллюстрировать внутренние соединения, – внешние сети.
Краткие сведения обо всех элементах архитектуры UTRAN приводятся ниже.
6.1.1. Пользовательское оборудование (UE)
Пользовательское оборудование (UE) включает две части:
подвижное оборудование (UE) — радиотерминал, используемый для радиосвязи через интерфейс Uu;
модуль идентификации абонента UMTS-SIM (USIM- UMTS - Subscriber Identification Module), представляющий собой интеллектуальную плату, которая аналогично SIM-карте служит идентификатором абонента, выполняет алгоритм аутентификации и шифрования и содержит некоторые данные об услугах, которыми имеет право пользоваться абонент, необходимые при работе с терминалом.
Мобильная станция должна быть рассчитана на поддержку всех видов услуг сети третьего поколения. Она должна обеспечивать:
передачу речи с принятым для системы набором скоростей (табл. 5.4 в лекции 5);
услуги службы видео — видеоконференции и приложения видеотелефонии, как основанные на коммутации каналов (от установок ISDN), так и использующие передачу пакетов (TCP/IP);
услуги сети Интернет со скоростями до 473,6 Кбит/с при работе в обычном режиме и в режиме best effort (с максимально возможной скоростью);
удаленный доступ к корпоративным локальным сетям с передачей для работы с файловыми серверами, базами данных приложений, для совместной работы;
приложения электронной почты.
UTRAN состоит из двух элементов:
Базовая станция (по терминологии 3GPP — узел B) преобразует поток данных между интерфейсами Iub и Uu. Она также участвует в управлении радиоресурсами. Базовая телефонная станция должна обеспечить пропускную способность базовых и управляющих каналов для поддержания этих служб;
Контроллер базовой станции (по терминологии 3GPP — контроллер радиосети — RNC) обеспечивает интерфейсы со станциями с коммутацией каналов — I-CS или пакетной коммутацией I-PS.
Каждая из этих станций имеет традиционную архитектуру, но с учетом новых сервисов и технологий. Рассмотрим кратко архитектуру RNC. Поскольку она зависит от места станции в сети и связи с другими станциями этой и другой систем, архитектура может быть различной. Поэтому приведем конкретный пример. В этом примере дан некоторый типовой состав устройств, обеспечивающий набор услуг [16]. Архитектура ориентирована на работу в быстродействующей сети ATM. Эта система демонстрирует возможности станций 3-го поколения.
6.1.2. Архитектура контроллера радиосети (RNC)
Контроллер управления радиосетью (RNC), архитектура которого показана на рис 6.1, обеспечивает функции:
управления радиоресурсом, обработки принятых сигналов и мягкого хэндовера;
кодирования и декодирования сигналов (если кодеры и декодеры установлены в контроллере);
приема и передачи информации каналов, которая поступает от мобильных станций по интерфейсу, обеспечивающему взаимодействие с ATM-системой со скоростью 1,5-2 Мбит/с (по интерфейсу Iub [106]);
передачи информации к центру коммутации мобильной связи по ATM-каналам со скоростью 155 Мбит/с по Iu-интерфейсу;
отсчета времени и синхронизации.
К одному контроллеру радиосети могут быть подключены как минимум три базовые станции. При этом каждая из них может использовать до двух 1,5 или 2 Мбит/с Iub-каналов. Транспортная емкость конфигурации, представленной на рис 6.2, составляет около 160 мобильных станций, которые могут установить соединения друг к другу или к сети фиксированной связи. Каждое подключение коммутируется в MSC через ATM-коммутатор.
(рис 6.2) Архитектура контроллера радио сетиВ последнее время проводятся работы по замене ATM-коммутаторов на коммутаторы soft switch [18].
UMTS во время мягкого хэндовера с одним UE могут работать два контроллера RNC. Тогда один из них (завершающий соединение) называется обслуживающим (SRNS — Service RNC), а другой — дрейфующим (Drift RNC). Принцип работы и задачи станций при мягком хэндовере были изложены при описании работы сети CDMA и будут рассмотрены для UMTS далее.
6.1.3. Центр коммутации мобильной связи
Центр коммутации мобильной связи (MSC), архитектура которого представлена на рис 6.3, содержит все типовые элементы станции того же типа для GSM и выполняет те же функции (см. лекцию 1). MSC обеспечивает:
подключение к фиксированным сетям (таким как общедоступная телефонная сеть PSTN или цифровая сеть интегрального обслуживания ISDN);
передачу сигналов между функциональными объектами в подсистеме сети (используется ОКС № 7 — отдельный канал сигнализации);
обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны;
обслуживание группы сот и обеспечение всех видов соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и реализует интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, Интернет, ISDN и т. д.);
взаимодействие с RNC через интерфейс Iub, а с сетями ISDN и локальными компьютерными АТМ-сетями — через интерфейсы фиксированных сетей;
маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами, выполнение процедур управления и все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местоположения, передачи соединения (хэндовер);
формирование данных, необходимых для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи;
поддержание процедур безопасности, применяемых для управления доступами к радиоканалам.
(рис 6.3) Архитектура Центра коммутации мобильной связиОсновным отличием MSC UMTS от аналогичного узла MSC системы GSM является то, что коммутатор MSC должен быть рассчитан на высокие скорости, поэтому он обычно выполняется на базе ATM-коммутатора.
Основными элементами базовой сети являются:
домашний регистр местоположения (HLR — Home Location Register), который содержит всю административную информацию каждого абонента, зарегистрированного в соответствующей сети GSM, наряду с текущим местоположением мобильных станций;
визитный регистр местоположения (VLR — Visit Location Register). С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR.
Подобно RNC, центр коммутации мобильной связи (MSC) также разработан на основе базовой АТМ-инфраструктуры и обладает такой же гибкостью, что и RNC. В действительности некоторые функции могут даже перераспределяться между RNC.
Основной задачей MSC является установление и разъединение соединений от мобильных станций. Так как MSC может в одном и том же узле обрабатывать речь, осуществлять передачу пакетных данных и данных с коммутацией каналов, становится возможным обслуживание мультимедийных приложений. MSC выполняет функции:
адаптивной обработки как пакетных данных, так и данных для передачи с коммутацией каналов;
взаимодействия с сетями ISDN;
взаимодействия с локальными компьютерными АТМ-сетями;
кодирования/декодирования речи в соответствии с рекомендациями ITU-T G.729 (при условии реализации кодеков в MSC);
эхоподавления (echo supervision);
IP-маршрутизации.
Для адаптивной обработки абонентских данных для передачи по аналоговым голосовым сетям, а также сетям с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов, используется внешнее оборудование, например, конвертор ISDN и АТМ-маршрутизатор.
Внешний интерфейс основной скорости (ET BRI) соответствует стандартам. Кроме того, при подключении внешнего конвертора ISDN также могут быть реализованы европейские ISDN-интерфейсы (PRI и BRI), соответствующие рекомендациям ITU-T, Q.931 (Уровень 3), Q.921 (Уровень 2) и I.430/I.431 (Уровень 1). Внешняя локальная компьютерная АТМ-сеть использует постоянный виртуальный канал для осуществления всех подключений IP-поверх-ATM в соответствии со спецификацией IETF RFC 1483.
Возможности совместимости центра коммутации мобильной связи испытательной системы (блок IWF) позволяют подключаться к центрам коммутации сетей GSM.
Встроенный IP-маршрутизатор обеспечивает обработку потоков со скоростью до 10 Мбит/с. Распределение ресурсов между речью, канальными данными и пакетными данными регулируется различными вариантами конфигурации эхоподавителя, блоков адаптации услуг UDI (UADP) и адаптации пакетных услуг (PADP), IP-маршрутизатора (IPR) и интерфейса PRI.
Внешние сети можно разделить на две группы:
сети c коммутацией каналов (CS — Channel Switching). Они обеспечивают соединения с коммутацией каналов, как это делается в существующей в настоящее время телефонной связи;
сети с коммутацией пакетов (PS — Packet Switching) (рис 6.4). Они обеспечивают соединения с коммутацией пакетов данных. Одним из примеров сети PS служит Интернет.
(рис 6.4) Схема подключения GPRS к мобильной сети.Для целей пакетной коммутации на мобильной сети устанавливаются следующие виды коммутаторов:
SGSN (Serving GPRS Support Node — узел по обеспечению услуг GPRS) — подобны функциям MSC/VLR (управление мобильностью, аутентификация и шифрование), но используются для услуг с коммутацией пакетов (PS);
GGSN (Gate GPRS Support Node) — узел по обеспечению межсетевого перехода GPRS к другим сетям с коммутацией пакетов.
Иногда при начальном пуске станции или небольшой нагрузке передача пакетной информации осуществляется дополнительным оборудованием, устанавливаемым на MSC.
6.1.4. Каналы
Данные, передаваемые по каналам UMTS/WCDMA, организуются в виде кадров, временных положений (слотов) и каналов. Это касается всей полезной нагрузки и управляющих сигналов.
UMTS использует технологию CDMA, как и технологию доступа, но дополнительно применяет технологию временного разделения и соответственно структуру кадра и временного положения (слота) для того, чтобы обеспечить соответствующую структуру каналов [60].
Каналы разделяются на 10-миллисекундые кадры, каждый из которых содержит 16 слотов длительностью по 625,0 мкс. В направлении от станции к UE время разделяется так, чтобы временные слоты содержали поля с пользовательскими данными и управляющими сообщениями.
В направлении от UE при образовании каналов используется передача в одном формате данных и управляющих сообщений.
Все каналы классифицируются по трем категориям: логические, транспортные и физические. Логические и транспортные каналы определяют методы и пути передачи данных, физические переносят полезную нагрузку и обеспечивают физические характеристики сигналов. Каналы организованы так, чтобы логические каналы зависели только от передаваемой информации, а физический уровень обеспечивает, как и с какими характеристиками передается эта информация. Протокол управления доступом к среде (MAC) обеспечивает обслуживание логических каналов. Набор типов логических каналов определен для различных видов услуг передачи данных.
Логические каналы
Широковещательный канал управления (BCCH — Broadcast Control Channel) — канал от станции к UE (DL — downlink). Этот канал широковещательно передает информацию к группе UE, а также информацию о пилот-сигналах соседних сот и т. д.
Широковещательный управляющий канал оповещения (PCCH — Paging Control Channel) (от станции к абоненту). Этот канал связан с PICH (Paging Indication Channel), о котором будет сказано немного позднее, и используется для уведомления и широковещательных передач вызова.
Выделенный канал управления (DCCH — Dedicated Control Channel) (от станции к UE и обратно). Этот канал используется, чтобы доставлять специализированную информацию управления в обоих направлениях.
Общий канал управления (CCCH — Common Control Channel), (от станции UE и обратно). Этот двунаправленный канал используется, чтобы передать управляющую информацию.
Общедоступный канал управления канала (SHCCH — Shared Channel Control Channel). Этот канал двунаправленный и применяется только в режиме временного дуплексного разделения (TDD — Time Duplex Division) WCDMA/UMTS, где он используется, чтобы транспортировать общедоступную управляющую информацию канала.
Специализированный канал трафика (DTCH — Dedicated Traffic Channel). Это двунаправленный канал, используется для доставки пользовательских данных или трафика.
Общий канал трафика (CTCH — Common Traffic Channel) (от станции к абоненту) — однонаправленный канал, используется для передачи специализированной пользовательской информации группе UEs.
Транспортные каналы
Транспортные каналы передают информацию, обеспечивающую надежное и достоверное прохождение данных по сети.
Специализированный (выделенный) транспортный канал (DCH — Dedicated transport Channel) представляет собой двунаправленный канал. Он используется, чтобы передать данные конкретному UE. Каждый UE имеет собственный DCH в каждом направлении.
Широковещательный канал (BCH — Broadcast Channel) (от станции к UE). Этот канал широковещательно передает информацию к UE в соте, чтобы дать возможность им идентифицировать сеть и соту.
Канал прямого доступа (FACH — Forward Access Channel) (от станции к UE). Этот канал передает данные или информацию к UE, которая зарегистрирована в системе. В соте может быть более одного FACH. Они могут также доставлять пакеты данных.
Широковещательный канал вызова (PCH — Paging Channel) (от станции к UE). Этот канал может передавать аварийные сообщения UE, не входящие в данные вызова, SMS-сообщения, данные о сеансах связи или о типе требуемого обслуживания, например, запрос на перерегистрацию.
Канал произвольного доступа (RACH — Random Control Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал передает запросы на обслуживание от UE, обращающегося к системе.
Общий канал передачи пакетов (CPCH — Common Packet Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал обеспечивает возможности, дополняющие RACH, а также передает сигналы быстрого регулирования мощности.
Канал совместного использования (DSCH — Downlink Shared Channel) (от станции к UE). Этот канал может быть разделен между несколькими пользователями и используется для данных, которые являются "взрывными" по природе, такие как служба просмотра веб-браузеров, заявки в которую могут "взорваться" от события или по времени (например, во время чемпионата мира по футболу).
Физические каналы
Первичный общий физический канал управления (PCCPCH — Primary Common Control Physical Channel) (от станции к UE). Этот широковещательный канал непрерывно передает системную идентификацию и информацию управления доступом.
Вторичный общий физический канал управления (SCCPCH — Secondary Common Control Physical Channel) (от станции к UE). Этот канал доставляет информацию канала прямого доступа (FACH — Forward Access Channel) и широковещательного канала вызова (PCH) с сообщениями для Ues, которые зарегистрированы на сети.
Физический канал произвольного доступа (PRACH — Physical Random Access Channel) (канал связи от UE к станции). Этот канал дает возможность UE передать сообщения произвольного доступа при попытке обращения к сети.
Специализированный физический канал данных (DPDCH — Dedicated Physical Data Channel) (двусторонний). Этот канал используется, чтобы передать пользовательские данные.
Специализированный физический канал управления (DPCCH — Dedicated Physical Control Channel) (двусторонний). Этот канал доставляет управляющую информацию к и от UE. В обоих направлениях канал доставляет биты пилотного канала и идентификатор объединенного транспортного формата (TFCI — Transport Format Combination Identifier). Канал связи от станции к UE содержит также информацию управления мощностью передатчика и информацию обратной связи (FBI — FeedBack Information).
Общий пилот-канал (CPICH — Common Pilot Channel). Информация по этому каналу передается каждым узлом B, чтобы UE были способны поддерживать синхронизацию. Дополнительно эта информация должна быть использована для того, чтобы UE могли определить лучшую соту при перемещении.
Канал индикации вхождения в синхронизм (AICH — Acquisition Indicator Channel). AICH используется, чтобы сообщить UE сведения о канале данных (DCH). Может применяться для связи с узлом B — такое назначение канала возникает в результате успешного запроса службы произвольного доступа от UE.
Физический совместно используемый канал (PDSCH — Physical Downlink Shared Channel) (от станции к UE). Этот канал совместно используется для пересылки управляющей информации к UE в пределах области охвата узла B.
Канал синхронизации (SCH — Synchronizing Channel), канал синхронизации используется UE с общим каналом пилот-сигнала (CPICH —Common Pilot Channel). Информация по этому каналу передается каждым узлом B, чтобы UEs могли поддерживать синхронизацию для демодуляции сигналов. Дополнительно они могут применяться как средство определения UE лучшей соты при перемещении.
Канал индикации вызова (PICH — Paging Indication Channel). Этот канал обеспечивает информацией UE в неактивном состоянии и обеспечивает сохранность ресурсов батареи при слежении в этом режиме за широковещательным каналом вызова (Paging Channel). PICH обеспечивает UE в момент дезактивации UE.
Канал индикации состояния (CSICH — CPCH Status Indication Channel). Этот канал, который применяется только по направлению от станции к UE для передачи состояния CPCH и может также использоваться для передачи излишней нагрузки при ее всплеске или прерывистом характере.
Обнаружение конфликтов / Канал индикации назначения канала (CD/CA-ICH — Collision Detection / Channel Assignment Indication Channel). Этот канал используется в направлении от станции к UE, чтобы указать, можно ли использовать этот канал сразу или требуется активация канала.
6.2. Общая модель протоколов UMTS
Общая модель протоколов UMTS показана на рис 6.5. Она построена по принципу модели протоколов B-ISDN на основе взаимодействующих уровней и плоскостей.
Потоки информации, проходящие через UTRAN, логически делятся на две части:
слой доступа (access stratum, AS) — информация, необходимая для взаимодействия UE и UTRAN;
слой без доступа (non-access stratum, NAS) — информация, переносимая между CN и UE через UTRAN.
В состав слоя без доступа входят протоколы верхнего (пользовательского) уровня, которые не занимаются проблемами доступа, а связаны только с услугами [113].
6.2.1. Плоскость управления
Протоколы плоскости управления (C-plane) определяют все функции сигнализации, установления, контроля и разъединения соединений.
Кроме этого, он включают в себя несколько прикладных протоколов, которые позволяют поддерживать сигнализацию на различных участках сети (см. рис 6.5).
(рис 6.5) Модель протоколов UMTSЭто протоколы:
RANAP (RAN Application) — для управления задачами сигнализации на участке радиодоступа (RNC — MSC), как часть интерфейса Iub;
RNSAP (Radio Network System Application) — для управления задачами сигнализации на участке радиосети (на участке между RNC — RNC), как часть интерфейса Iur;
NBAP (Network Base Station Application) — для управления задачами сигнализации на участке между базовыми станциями и RNC.
6.2.2. Плоскость пользователя
Плоскость пользователя (U-plane) обеспечивает транспортировку всех видов информации в совокупности с соответствующими механизмами защиты от ошибок, контроля и управления потоком. Вся информация, передаваемая и принимаемая пользователем, например, кодированная речь при речевом вызове или пакеты при соединении с Интернетом, передаются через плоскость пользователя. Каждый поток данных характеризуется одним или несколькими протоколами фреймов, указанных для этого интерфейса.
6.2.3. Плоскость управления транспортной сетью
Поскольку сеть UTRAN рассчитывается на передачу высокоскоростной информации, в наземной части она базируется на сети ATM. Для этой сети характерно, что для сигнализации используется сеть отдельных виртуальных каналов (SVC — Signaling Virtual Channel), предназначенных только для передачи сигналов управления, взаимодействия и технического обслуживания. Некоторые приложения могут требовать создания нескольких (постоянных или временных) виртуальных каналов. Например, услуги мультимедиа могут потребовать установления отдельных каналов сигнализации для услуг передачи речи, видеоизображения и данных. Каналы сигнализации могут быть односторонними или двухсторонними, симметричными (одинаковая скорость в обоих направлениях) и асимметричными (различные скорости в противоположных направлениях).
Виртуальные каналы могут быть:
виртуальным каналом метасигнализации;
общим широковещательным каналом;
селективным широковещательным виртуальным каналом сигнализации;
виртуальным каналом "точка — точка".
Плоскость управления транспортной сетью используется для управления и организации указанных выше каналов сигнализации на транспортном уровне. Она не охватывает уровня радиосети. Для сети UMTS в нее включается протокол управления звеном доступа ALCAP (Access Link Control Application), который необходим для установления транспортных B-каналов для плоскости пользователя — например, для установления каналов сигнализации "точка — точка" и для установления канала сигнализации в соответствии с услугами, предоставляемыми данному пользователю.
Когда используется плоскость управления транспортной сетью, каналы сигнализации пользователя устанавливаются по входному сообщению (транзакция) от прикладного протокола на плоскости управления, которое запускает установление этих каналов с помощью одной из частей протокола ALCAP, специально предназначенного для технологии плоскости пользователя.
Следует отметить, что протокол ALCAP может и не потребоваться, например, когда используются сети с заранее заданной конфигурацией каналов сигнализации. Тогда протокол ALCAP не запускается.
Спецификации UMTS предполагают, что запуск системы по протоколам ALCAP всегда осуществляется с помощью действий персонала по эксплуатации и обслуживанию (OM).
6.3. Интерфейсы отдельных участков
На рис 6.6 дано сквозное представление протоколов плоскости управления сети UMTS. Этот рисунок показывает набор протоколов, которыми пользуется каждый элемент сети для передачи сообщений сигнализации.
(рис 6.6) Сквозное представление протоколов плоскости управления сети UMTSУстройство UE (User Equipment) применяет две группы протоколов:
прикладные (управление мобильностью — MM, управление соединением — CC);
управления радиоресурсами (RRC) — транспортные протоколы для организации передачи информации (управление радиоканалом (звеном) — RLC, управление доступом к среде — MAC).
Для сообщений этих протоколов узел B (BTS) "прозрачен" [87]. Он передает их в RNC, преобразуя радиосигналы в сигналы сети ATM. Уровень AAL2 предназначен для обеспечения эффективной пропускной способности для передачи трафика коротких пакетов с низкой битовой скоростью, требующего малой временной задержки.
6.3.1. Уровень управления радиоресурсами (RRC)
RRC (Radio Resource Control) — протокол верхнего уровня [57], который является частью интерфейса Iub. Процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами приведены в табл. 6.2.
В RRC входят следующие протоколы:
прикладные протоколы RRC;
протоколы управления каналом связи (RLC);
протоколы управления доступом к среде (MAC — Media Access Control).
RRC выполняет следующие функции:
распределяет заявки по уровням на стороне пользовательского оборудования или на стороне сети UTRAN;
выполняет широковещательные функции — широковещательное управление, доставку широковещательных сообщений;
оповещает пользовательские терминалы (UE) о состоянии сети и радиоресурсов;
рассылает информацию по радиосети;
рассылает информацию всем уровням сети;
осуществляет установление, реконфигурацию и освобождение RRC-соединения между UE и UTRAN;
осуществляет установление, реконфигурацию и освобождение радионосителей;
осуществляет назначение, реконфигурацию и освобождение радиоресурсов для RRC-соединения;
обеспечивает функции мобильности соединения;
формирует UE-сообщение о результатах измерения;
осуществляет управление мощностью;
управляет шифрованием;
осуществляет выбор и перевыбор первичной соты;
обеспечивает сохранение достоверности информации.
Уровень RRC обеспечивает соединения сигнализации к верхним уровням с целью поддержания обмена информационными потоками между процессами верхнего уровня. Сигнальное соединение используется для передачи сообщений между пользовательским оборудованием и основной сетью, чтобы передать информацию верхнего уровня. Для каждой локальной области сети сигнальное соединение может обслуживать в каждый момент только один вызов для одного UE.
В таблице 6.1 приведены процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами.
Процедуры и сообщения подсистемы управления радиоресурсами (RRC)
| Сообщение (англ.) |
Сообщение (рус.) |
UTRAN-процедура |
Направление |
Тип канала |
|---|
| UE Capability Information |
Информация о возможностях UE |
Установление сигнального соединения NAS |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| Direct Transfer |
Прямой обмен |
Установление сигнального соединения NAS |
UE $$\Leftrightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| RRC Connection Request |
Запрос RRC-соединения |
Установление RRC-соединения |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
CCCH |
| RRC Connection Setup |
Установление RRC-соединения |
Установление RRC-соединения |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
CCCH |
| RAB Setup |
Установление RAB-соединения |
Установление RAB-соединения |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
| RAB Setup Complete |
Установление RAB-соединения закончено |
Установление RAB-соединения закончено |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| RAB Release |
Разъединение RAB-соединения |
Разъединение RAB-соединения |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
| RAB Release Complete |
Разъединение RAB-соединения закончено |
Разъединение RAB-соединения UE |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| Handover Command |
Команда хэндовера |
Жесткий хэндовер |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
| Active Set Update |
Обновление активного набора |
Мягкий хэндовер |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
| Active Set Update Complete |
Обновление активного набора закончено |
Мягкий хэндовер |
UE $$\Rightarrow$$ SRNC |
DCCH |
| Paging |
Оповещение |
Оповещение для UE в RRC в режиме соединения |
SRNC $$\Rightarrow$$ UE |
DCCH |
RAB — Radio Access Bearer — носители радиодоступа
SRNC — Serving — Serving RNC – Обслуживающий RNC
NAS – Non-Access Stratum – слой без доступа
Протокол управления радиоканалом связи (RLC)
Радиопротокол управления каналом связи (RLC) [117, 124] обеспечивает 3 режима работы.
Передача информации в режиме "прозрачного" обслуживания TrD (Transparent Mode Data).
Передача информации в режиме без подтверждения правильного приема данных (UMD — Unacknowledged Mode Data).
Передача и получение информации в режиме с подтверждением правильного приема данных (AMD — Acknowledged Mode Data).
RLC выполняет следующие функции:
сегментация и сборка сервисных блоков данных;
последовательное соединение (конкатенация);
дополнение информации для согласования форматов (например, нулей);
передача пользовательских данных;
коррекция ошибок;
доставка протокольных блоков высокого уровня в исходном порядке следования;
управление потоком;
проверка порядкового номера;
обнаружение ошибок протокола и восстановление;
шифрование;
приостановка/возобновление функций.
Передаваемые блоки данных. Они могут содержать данные или сообщения управления протоколов сигнализации.
В соответствии с режимами протокол использует различные форматы.
Формат TrD (блок, передаваемый в "прозрачном" режиме).
Формат TrD используется для того, чтобы передать с помощью RLC данные, поступившие от обслуживаемого уровня, не добавляя никаких заголовков.
Формат UMD (блок передачи объекта в режиме без подтверждения о приеме данных).
Формат UMD используется для того, чтобы передать последовательно пронумерованные PDU, содержащие RLC-данные исходного блока SDU. При этом исходные данные сегментируются для включения в протокольные блоки. В таком режиме сегменты передаются без подтверждения правильности приема сегментов и их сборки.
Заголовок UMD PDU в первом октете содержит порядковый номер первого сегмента блока данных (для этого используются 7 старших разрядов).
Далее заголовок RLC содержит индикаторы, указывающие длину каждого сегмента, начиная с первого.
Формат AMD (блок приема и передачи в режиме обслуживания с подтверждением о приеме данных).
Как и в предыдущем случае, формат AMD используется, чтобы передать последовательно пронумерованные PDU, содержащие RLC-данные исходного блока SDU. Однако формат AMD передает помимо пользовательских данных и другую информацию, которая дает возможность подтвердить правильный прием сегментов и поддержать процессы повторения информации. Эта информация позволяет:
сообщить передатчику о непринятых протокольных блоках, содержащих часть сегментов исходной информации;
сообщить передатчику данные о согласовании скоростей передачи;
сообщить приемнику данные о согласовании скоростей передачи.
Формат с вложением состояния PDU (Piggybacked Status PDU) наряду с пользовательскими данными содержит дополнительно вложенные данные для управления (например, данные о состоянии оборудования, сброса оборудования или таймеров в исходное состояние и др.).
Подробные описания этих форматов приведены в [117, 124].
Протокол управления доступом к среде (MAC)
Протокол управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) обеспечивает услуги передачи данных по логическим каналам [126]. Набор логических типов канала определяется различными видами услуг передачи данных. Каждый логический тип канала определен типом передаваемой информации.
Уровень MAC имеет несколько групп протоколов:
MAC b — протоколы работы с широковещательными каналами (BCH — Broadcast Channel);
MAC c — протоколы работы с общими каналами управления (CCCH — Common Control Channels);
MAC d — протоколы работы с выделенными каналами управления (DCCH — Dedicated Control Channel).
Каждый протокольный блок данных (PDU) содержит заголовок опции MAC и заголовок сервисного блока данных (MAC SDU). Оба этих заголовка имеют переменный размер.
Содержание и размер заголовка MAC зависят от типа логического канала, и в некоторых случаях не указывается ни один из параметров этих заголовков. Размер MAC SDU зависит от размера протокольного блока данных предыдущих уровней, которые определяются при процедуре установки протоколов.
Структура заголовка протокола MAC представлена на рис 6.7.
(рис 6.7) Структура заголовка MACTCTF (Target Channel Type Field) — поле назначения канала
Поле TCTF обеспечивает идентификацию логического класса канала. Они подразделяются на каналы случайного доступа (RACH) и каналы прямого доступа (FACH).
Размер поля TCTF и FACH для FDD — любой из 2 или 8 битов, зависящих от значения двух самых старших битов, для TDD — либо 3 либо 5 битов в зависимости от значения трех старших разрядов.
Поле UE-Id type поле длиной 2 бита необходимо, чтобы гарантировать правильную расшифровку поля UE-Id в заголовках MAC.
Значения этого поля:
00 — U-RNTI (UTRAN Radio Network Temporary Identity — временный идентификатор UTRAN радиосети);
01 — C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identity — временный идентификатор соты радиосети);
10 — зарезервированный (PDU с этим кодированием будет отклонен этой версией протокола);
11 — зарезервированный (PDU с этим кодированием будет отклонен этой версией протокола).
Поле UE-Id обеспечивает идентификацию UE при передаче по транспортным каналам определены следующие типы UE-Id, используемые в MAC:
U-RNTI может применяться в заголовке MAC в выделенном канале управления (DCCH), когда он размещен в обычном транспортном канале;
C-RNTI используется на DTCH (Date Transmission Channel), DSCH (Date Synchronizer Channel) в режиме FDD и может применяться на DCCH, размещается в обычных транспортных каналах.
Длины поля UE-Id заголовка MAC следующая.
U-RNTI 32 бита;
C-RNTI 16 битов.
Поле C/T обеспечивает идентификацию логического канала, когда имеется много логических каналов в одном и том же транспортном канале. Поле C/T используется также, чтобы обеспечить идентификацию логического типа канала на выделенных транспортных каналах и на FACH и RACCH, когда их передачи идут на пользовательских каналах передачи данных. Размер поля C/T установлен 4 бита и для обычных транспортных каналов, и для выделенных транспортных каналов.
Поле C/T имеет следующие значения:
0000 логический канал 1;
0001 логический канал 2;
......
1110 логический канал 15;
1111 — зарезервирован (PDU с таким кодом будут отклонены этой версией протокола).
6.3.2. Прикладные протоколы
Управление соединением (CM — Connection Management)
Управление соединением обрабатывает общий процесс управления установлением соединения и разъединения, а также управляет дополнительными услугами и службой передачи коротких сообщений. Он участвует в обслуживании следующих процедур:
установление вызова;
прекращение вызова (разъединение, освобождение обрудования);
процедуры в фазе обмена информацией (хэндовер, переадресация соединения) и другие процедуры.
Формат сообщения этого протокола представлен на рис 6.8:
Значения поля "тип сообщения" формата CM приведены в табл. 6.2.
(рис 6.8) Формат протокола CMЗначения поля "тип сообщения" в формате протокола CM
| Шестнадцатеричный код |
Содержательное значение |
|---|
| 0x01 |
Alerting |
Оповещение (вызывной сигнал) |
| 0x02 |
Call Proceeding |
Установление вызова |
| 0x03 |
Progress |
Продвижение соединения |
| 0x04 |
CC-ESTABLISHMENT |
Установка CC |
| 0x05 |
Setup |
Вызов |
| 0x06 |
CC-ESTABLISHMENT CONFIRMED |
Подтверждение установления CC |
| 0x07 |
Connect |
Соединение |
| 0x08 |
Call Confirmed |
Подтверждение вызова |
| 0x09 |
START CC |
Старт CC |
| 0x0B |
RECALL |
Повторный вызов |
| 0x0E |
Emergency Setup |
Аварийный вызов |
| 0x0F |
Connect Acknowledge |
Подтверждение вызова |
| 0x10 |
User Information |
Пользовательская информация |
| 0x13 |
Modify Reject |
Остановка модификации |
| 0x17 |
Modify |
Модификация |
| 0x18 |
Hold |
Удержание |
| 0x19 |
Hold Acknowledge |
Подтверждение удержания |
| 0x1A |
Hold Reject |
Остановка удержания |
| 0x1C |
Retrieve |
Извлечь |
Управление мобильностью (MM — Mobility Management)
Управление мобильностью выполняет функции управления обновлением местоположения и процедурами регистрации, а также защитой и аутентификацией.
Заголовок формата MM показан на рис 6.9.
(рис 6.9) Формат протокола MMПоля формата имеют следующие значения:
Дискриминатор протокола — 0101;
Индикатор шага — обычно 0000.
Значения поля "тип сообщения" в формате MM указаны в табл. 6.3.
Значения поля "тип сообщения" формата протокола MM
| 0x00 |
xxxx |
Сообщение регистрации |
|
0001 |
IMSI Detach Indication |
Выделение IMSI |
|
0010 |
Location Updating Accept |
Принят запрос на обновление местоположения |
|
0100 |
Location Updating Reject |
Приостановка обновления местоположения |
|
1000 |
Location Updating Request |
Требование на обновление местоположения |
| 0x01 |
xxxx |
Сообщения безопасности |
|
0001 |
Authentication Reject |
Приостановка аутентификации |
|
0010 |
Authentication Request |
Требование на аутентификацию |
|
0100 |
Authentication Response |
Ответ на аутентификацию |
|
1000 |
Identity Request |
Запрос идентификации |
|
1001 |
Identity Response |
Ответ на идентификацию |
|
1010 |
TMSI Relocation Command |
Команда на перемещение TSMI |
|
1011 |
TMSI Relocation Complete |
Перемещение TSMI закончено |
| 0x10 |
xxxx |
Сообщения управления соединением |
|
0001 |
CM Service Accept |
Принятие запроса на обслуживание CM |
|
0010 |
CM Service Reject |
Обслуживание CM приостановлено |
|
0011 |
CM Service Abort |
Обслуживание CM прервано |
|
0100 |
CM Service Request |
Запрос на обслуживание CM |
|
1000 |
CM Reestablishment Request |
Перезапрос CM |
|
1001 |
Abort |
Остановка |
| 0x11 |
xxxx |
Прочие сообщения |
|
0001 |
MM Status |
Состояние MM |
6.3.3. Протоколы различных уровней в системе UMTS
Три плоскости в интерфейсе Iub используют общие средства передачи в режиме ATM для всех плоскостей. Физический уровень представляет собой интерфейс с физической средой: волоконно-оптическими кабелями, радиоканалом или медным проводом. Реализация на физическом уровне может выбираться из большого ряда таких стандартных имеющихся на сегодняшний день технологий передачи, как, например, SONET, SDH или E1.
Принцип уровня адаптации протоколов сигнализации (плоскость управления) в режиме ATM детально разобран в [19]. Мы рассмотрим два случая.
Основная сеть (CN) применяет технологию коммутации каналов (CS).
В этом случае задачу выполняет уровень адаптации для сигнализации (SAAL — Signaling ATM Adaptation Layer). Протоколы этого уровня содержат следующие подуровни (рис 6.10):
(рис 6.10) Структура уровня адаптации ATM для сигнализации протоколов сигнализации UMTS (плоскость управления) для сети с коммутацией каналов (CS)сервисно-ориентированные функции координации (SSCF — Service Specific Coordination Function), которые разделяются на функции для интерфейса "пользователь — сеть" (SSCF UNI — User-Network Interface) и "сеть — сеть" (SSCF NNI — Network- Network Interface);
сервисно-ориентированный протокол с установлением соединения (SSCOP — Service Specific Connection Oriented Protocol);
общие протоколы уровня адаптации (для UMTS обычно используется пятый уровень адаптации AAL5, предназначенный для высокоскоростной передачи данных).
Для управления сигнализацией применяются также некоторые из уровней систем сигнализации по отдельному каналу сигнализации (ОКС).
Все эти уровни подробно изучены в [1, 10, 11, 17, 35]. Это уровни:
SCCP (Signaling Connection Control Part — подсистема управления соединениями сигнализации). Кратко этот уровень был рассмотрен при описании протоколов GSM. Он предназначен для обеспечения логических соединений при передаче блоков данных сигнализации;
MTP-3 — подсистема передачи сообщений третьего уровня, который обеспечивает сетевые функции, например, маршрутизацию сигнальных сообщений, управление потоками сигнализации, переход на резерв и т. д.
При выполнении отдельных функций могут быть некоторые варианты применения.Например, пакет протоколов для плоскости управления транспортной сетью состоит из протокола сигнализации для установления соединений без уровня SCCP (AAL2).
Основная сеть (CN) применяет технологию пакетной коммутации (PS).
Тогда задействуются средства, используемые в сети Интернет (рис 6.11).
MUA (Mail User Agent) — протокол агента пользователя (почты). Этот протокол позволяет подключаться к хосту Интернета.
SCTP (Stream Control Transmission Protocol) — транспортный протокол управления потоком. Это протокол был введен в стек протоколов TCP/IP-2000 [112] как новый транспортный протокол, который определяется на транспортном уровне наряду с существующими протоколами IP и UDP. Он обеспечивает достоверность передачи информации по сети, без ошибок и нарушения последовательности. Подобно TCP, он ориентирован на систему с установлением соединения. В отличие от TCP, он обеспечивает транспортировку сообщений сигнализации с учетом особенностей этой информации. Подробно это протокол приводится в [112].
В плоскости управления транспортным уровнем сети с коммутацией пакетов (PS) для адаптации к сети ATM применяется протокол GTP (GPRS Tunnelling Protocol) — протокол туннельной проводки GPRS (General Packet Radio Service).
Туннельная проводка позволяет прозрачную передачу информации между различными узлами, т. е. без обработки преобразования.
(рис 6.11) Структура уровня адаптации ATM для сигнализации протоколов сигнализации UMTS (плоскость управления) для сети с коммутацией пакетов (PCS)
6.4. Краткие итоги лекции 6
Система UMTS использует хорошо известную архитектуру, которая применяется во всех основных системах второго поколения. Архитектура системы UMTS включает в себя мобильную телефонную станцию в системе UMTS – UE, базовую телефонную станцию — узел B, контроллер базовой станции (BSC) и центр коммутации мобильной связи (MSC).
UE состоит из двух частей: подвижное оборудование (UE) и модуль идентификации абонента UMTS-SIM.
UTRAN — сеть наземного радиодоступа UMTS, состоит из двух элементов: первый элемент — узел B и второй элемент — контроллер управления радиосетью (RNC).
В сети UMTS во время мягкого хэндовера с одним UE могут работать два контроллера RNC. Тогда один из них (завершающий соединение) называется обслуживающим (SRNS — Service RNC), а другой — дрейфующим (Drift RNC).
Центр коммутации мобильной связи (MSC) содержит все типовые элементы станции того же типа для GSM и выполняет те же функции. Центр коммутации мобильной связи (MSC) также разработан на основе базовой АТМ-инфраструктуры.
Внешние сети для MSC можно разделить на две группы: сети c коммутацией каналов и сети с коммутацией пакетов. Для целей пакетной коммутации на мобильной сети устанавливаются коммутаторы: SGSN (узел по обеспечению услуг GPRS) и GGSN (узел по обеспечению межсетевого перехода GPRS к другим сетям с коммутацией пакетов).
Все каналы разбиты на три категории: логические, транспортные и физические.
Логические каналы — это широковещательный канал управления (BCCH), широковещательный управляющий канал оповещения (PCCH), выделенный канал управления (DCCH), общий канал управления (CCCH), общедоступный канал управления канала (SHCCH), специализированный канал трафика (DTCH), общий канал трафика (CTCH).
Транспортные каналы — это специализированный транспортный канал (DCH), широковещательный канал (BCH), канал прямого доступа (FACH), широковещательный канал вызова (PCH), канал произвольного доступа (RACH), общий канал передачи пакетов (CPCH), канал совместного использования (DSCH).
Физические Каналы — это первичный общий физический канал управления (PCCPCH), вторичный общий физический канал управления (SCCPCH), физический канал произвольного доступа (PRACH), специализированный физический канал данных (DPDCH), специализированный физический канал управления (DPCCH), общий пилот-канал (CPICH), канал индикации вхождения в синхронизм (AICH), физический совместно используемый канал (PDSCH), канал синхронизации (SCH), канал индикации вызова (PICH), канал индикации состояния (CSICH), обнаружение конфликтов/канал индикации назначения (CD/CA-ICH).
Потоки информации, проходящие через UTRAN, логически делятся на две части: слой доступа (access stratum) и слой без доступа (non-access stratum, NAC).
Протоколы плоскости управления (C-plane) определяют все функции сигнализации, установления, контроля и разъединения соединений. Это протоколы RANAP, RNSAP и NBAP.
Плоскость пользователя (U-plane) обеспечивает транспортировку всех видов информации в совокупности с соответствующими механизмами защиты от ошибок, контроля и управления потоком.
Плоскость управления транспортной сетью используется для всего управления организации виртуальных каналов сигнализации на транспортном уровне. В сети UMTS в нее включается протокол управления звеном доступа ALCAP (Access Link Control Application), который необходим для установления транспортных B-каналов для плоскости пользователя.
Устройство UE (User Equipment) использует группы протоколов: прикладные протоколы (управление мобильностью — MM, управление соединением — CC); управления радиоресурсами (RRC) и транспортные протоколы для организации передачи информации (управление радиоканалом (звеном) — RLC, управление доступом к среде — MAC).
Для сообщений этих протоколов узел B (BTS) "прозрачен". Он передает их в RNC, преобразуя радиосигналы в сигналы сети ATM с помощью протоколов уровня адаптации ATM 2 (AAL2).
RRC имеет следующие интерфейсы: прикладные протоколы RRC, протоколы управления каналом связи (RLC), протоколы управления доступом к среде (MAC).
Управление соединением (CM — Connection Management) обрабатывает общий процесс управления установлением соединения, разъединения и управляет дополнительными услугами, а также службой передачи коротких сообщений.
Управление мобильностью (MM — Mobility Management) управляет обновлением местоположения и процедурами регистрации, а также защитой и аутентификацией.
Радиопротокол управления каналом связи (RLC) обеспечивает 3 режима работы: передачи информации в режиме прозрачного обслуживания, передачи информации в режиме без подтверждения правильного приема данных (UMD); передачи и получения информации в режиме с подтверждением правильного приема данных (AMD).
Протокол управления доступом к среде (MAC — Media Access Control) обеспечивает услуги передачи данных по логическим каналам. Набор логических типов канала определяется различными видами услуг передачи данных. Каждый логический тип канала определен типом передаваемой информации.
Если базовая сеть (CN) применяет технологию коммутации каналов (CS), то задачу адаптирование протоколов сигнализации выполняет уровень адаптации для сигнализации (S-AAL).
Протоколы S-AAL содержат следующие подуровни: сервисно-ориентированные функции координации (SSCF), сервисно-ориентированный протокол с установлением соединения (SSCOP), общие протоколы уровня адаптации (AAL-2 или AAL5).
Для управления сигнализацией применяются также некоторые из уровней систем сигнализации по отдельному каналу сигнализации (ОКС): SCCP — подсистема управления соединениями сигнализации, MAP-3 — подсистема передачи сообщений третьего уровня.
Если базовая сеть (CN) работает с технологией пакетной коммутации (PS), то применяются средства, используемые в сети Интернет: MUA (Mail User Agent) — протокол агента пользователя (почты), SCTP (Stream Control Transmission Protocol) — транспортный протокол управления потоком.
Для плоскости управления транспортным уровнем сети с коммутацией пакетов (PS) для адаптации к сети ATM применяется протокол GTP-U (Group Termination Point User Data Tunnelling) — протокол туннельной проводки.
