4.5.5 Архітектура системи стандарту umts
Система UMTS складається з ряду логічних елементів мережі, кожний з яких виконує певні функції.
По своїх функціях елементи мережі групуються в мережу радіо-доступу (RAN, UMTS територіального рівня - UTRAN), яка оперує всіма функціями, що відносяться до радіозв'язку, і в базову мережу (CN), яка забезпечує комутацію і маршрутизацію викликів і канали передачі даних в зовнішні мережі. До складу архітектури систем UMTS входить також устаткування користувача (UE) і радіо-інтерфейс (Uu). Архітектура системи UMTS високого рівня показана на рис.4.43.
Рисунок 4.43 - Архітектура системи UMTS високого рівня.
Абонентне устаткування (UE) і радіо-інтерфейс(UTRAN) побудовані на технології радіозв'язку WCDMA.
Побудова базової мережі (CN) узята з GSM. Це дає системі з новою технологією радіозв'язку глобальну базу з відомої і випробуваної технології CN, що сприяє прискоренню її упровадження і дозволяє використовувати як глобальний роумінг.
Система UMTS є модульною в тому значенні, що можливо мати декілька елементів мережі одного і того ж типу. У принципі, мінімальною вимогою для того, щоб мережа працювала і забезпечувала всі свої функціональні можливості, є наявність, принаймні, одного логічного елементу мережі кожного типу (відзначимо, що деякі функції і, отже, деякі елементи мережі є необов'язковими). Можливість мати декілька об'єктів одного і того ж типу дозволяє ділити систему UMTS на підмережі, що працюють або самостійно, або разом з іншими підмережами, і які є тотожними один одному. Така мережа називається UMTS PLMN (наземна мобільна мережа загального користування). Зазвичай одна PLMN експлуатується одним оператором і з'єднується з іншими PLMN також, як і з іншими типами мереж, наприклад, ISDN, PSTN, Інтернет і т.д. На рис. 4.44 показані елементи PLMN і для того, щоб проілюструвати внутрішні з'єднання, – також і зовнішні мережі.
В склад UE входять такі елементи:
рухоме устаткування (ME);
радіо термінал, використовуваний для радіозв'язку через інтерфейс Uu;
модуль ідентифікації абонента UMTS (USIM), що реалізує алгоритм аутентифікації і шифрування і деякі дані про послуги, якими має право користуватися абонент.
Рис. 4.44 - Елементи мережі в UMTS.
В склад UTRAN входять два елементи:
вузол B, що перетворює потік даних між інтерфейсами Iub і Uu. Він також бере участь в управлінні радіо ресурсами. (Відзначимо, що термін «Вузол B» з відповідних специфікацій 3GPP означає те ж саме, що термін «Базова станція ) .
контролер радіомережі (RNC) володіє і управляє радіо ресурсами в своїй області (до неї підключені вузли B). RNС є точкою доступу до сервісу для всіх послуг, які UTRAN надає CN, наприклад, управління з'єднаннями з UE.
Контролер RNS забезпечує раціональне використовування радіо ресурсів і здійснює хендровер. До кожного контролера RNS через інтерфейс Iub підключені один або декілька логічних вузлів B. До складу кожного з вузлів B входять одна або декілька базових станцій.
Основними елементами базової мережі GSM, що використовується в UMTS, є наступні:
HLR (регістр домашнього місцезнаходження, по місцю реєстрації).
Це- база даних, яка зберігає інформацію про послуги, що надаються абоненту, заборонених районів роумінга і додаткову сервісну інформацію, наприклад, про можливість перемикання телефонного виклику і номера телефону, на який виробляється пере адресація;
MSC/VLR – комутатор (MSC) і база даних. Функція MSC використовується для комутації повідомлень з мережі CS, функція VLR забезпечує обслуговування гостьового користувача, а також інформацію про місцеположення абонентного терміналу в системі обслуговування;
GMSC (шлюзовий MSC) – він погоджує UMTS PLMN із зовнішніми мережами CS. Всі вхідні і вихідні з'єднання CS проходять через GMSC.
SGSN (вузол по забезпеченню послуг GPRS), функції якого подібні функціям MSC/VLR, але зазвичай використовується для забеспечення послуг з комутацією пакетів;
GGSN (вузол по забезпеченню міжмережевого переходу GPRS) функціонально близький до GMSC, але пов'язаний з наданням послуг.
Зовнішні мережі розділяються на дві групи:
мережі CS. Вони забезпечують з'єднання з комутацією каналів, як це має місце в існуючому в даний час телефонному зв'язку;
мережі PS. Вони забезпечують з'єднання з комутацією пакетів даних. Одним з прикладів мережі PS служить Інтернет.
У стандарті UMTS визначені наступні основні відкриті інтерфейси:
інтерфейс Cu. Це- інтерфейс між інтелектуальною платою (смарт-карткою) USIM (модуль ідентифікації абонента мережі UMTS) і радіо терміналом (ME);
інтерфейс Uu. Це -інтерфейс, через який UE має доступ до стаціонарної частини системи, і тому є найважливішим інтерфейсом в UMTS;
інтерфейс Iu. Він сполучує UTRAN з базовою мережею CN.
Інтерфейс Iu забезпечує за допомогою відповідного протоколу всі процедури взаємодії між базовою мережею і мережею радіо-доступу UTRAN. Передача повідомлень між базовою мережею і абонентним устаткуванням здійснюється без проміжної обробки в радіомережі UTRA4;
- інтерфейс Iur. Інтерфейс Iur дозволяє здійснювати м'який хендовер між RNC від різних виробників і тому він доповнює відкритий інтерфейс
Iu .Інтерфейс Iur визначає характер взаємодії між обслуговуючою і пасивною підсистемами RN. Інформаційні пакети мають кадри даних, поточні оцінки якості послуг, синхропараметри і ін. Потоки сигналізації містять повідомлення про виключення/додавання стільника в пасивну RNS, про використані радіо ресурси і т.д.;
- інтерфейс Iub, який сполучує вузол B і RNC. Інтерфейс Iub регламентує характеристики стику між контролером RNS і вузлом B. Через інтерфейс Iub передаються потоки сигнальній інформації (додавання або виключення стільників, контрольованих вузлом B, дані радіообміну в лініях “вниз” і “вгору”, оцінка якості каналів “вгору” і синхропараметри).
4.5.6 Організація каналів у стандарті UTRA FDD
В системі UTRA IMT-DS передбачене використання каналів трьох видів: логічних, фізичних і транспортних. Структура каналів системи стандарту UTRA представлена на рис.4.45.
Рисунок 4.45 - Структура каналів стандарту UTRA
Як відомо, поняття “логічний канал” відображає зміст даних, призначених для передачі. “Фізичний канал” визначається частотою й кодовою послідовністю, які забезпечують з'єднання АС і БС. Поняття “транспортний канал” відноситься до способу й формату даних, переданих по фізичному каналу. З метою підвищення швидкості передачі даних транспортний канал може відображатися паралельно на декілька (до шести) фізичних каналів. Такий спосіб передачі отримав назву “мультікодова передача”.
Всі зазначені види каналів поділяються на загальні та виділені. Загальні канали CCH доступні групі АС, тобто зв'язок організується одночасно між БС і декількома АС. У цьому режимі не потрібна ідентифікація АС у робочій смузі частот. По загальних каналах між БС й АС передається управляюча інформація, інформація про конфігурацію мережі та її параметри.
По виділених каналах DCH здійснюється зв'язок між БС та однією з АС.
Логічні канали поділяються на дві групи: канали трафіку (TCH) і канали управління (CCH). Канали трафіку служать для передачі інформаційних потоків між абонентами, канали управління забезпечують передачу сигналів виклику і службових повідомлень, команд управління.
У свою чергу канали управління діляться на загальні (CCCH) і виділені (DCCH) канали управління. Загальні канали управління призначені для передачі управляючої інформації, адресованої всім АС даного стільника (широковіщальний канал управління BCCH), сигналів виклику (канал персонального виклику PCH) від БС до усіх АС, сигналів виклику від АС до БС (канал доступу RACH), команди управління від БС на АС, місце розташування якої відомо на БС (канал FACH).
Виділені канали управління (DCCH) і канали трафіку (DTCH й UPCH) забезпечують організацію двостороннього радіозв'язку між БС й АС. Основне розходження між різними каналами в тому, що вони призначені для передачі різного роду інформації. Так, інформація управління передається по каналу DCCH, трафік мереж з комутацією каналів - по DTCH, а пакетна передача - по каналу UPCH
Як було зазначено вище, загальні транспортні канали служать для передачі інформації про конфігурацію мережі і її параметрів. Виділені транспортні канали (по одному на кожного користувача) забезпечують передачу даних між конкретним споживачем і мережею, а також сигналів управління.
В системі UTRA використовуються чотири типи загальних транспортних каналів управління(BCCH, FACH, PCH, RACH) і три типи виділених (DTCH, SDCCH, ACCH). По каналу RACH передається управляюча інформація від БС до АС (сигнали управління діаграмою спрямованості антени, управління потужністю, запит ідентифікації АС). Призначення загальних транспортних каналів (BCCH, PCH, FACH) відповідає призначенню аналогічних логічних каналів.
Виділений сполучений канал ACCH використовується для передачі управляючої інформації разом з потоком даних. Канал ACCH складається із двох підканалів - SACCH й FACCH. Підканал SACCH (низько швидкісний) використовується для управління потужністю (БС передає на АС команди зміни потужності передавача АС, а від АС на БС - дані зміни рівня вхідного сигналу приймача АС). Підканал FACCH (високошвидкісний) служить для перемикання частоти при переході АС з одного стільника в інший, якщо базові станції сусідніх стільників працюють на різних частотах.
Виділені канали DTCH й SDCCH призначені для передачі інформаційних повідомлень (даних) і сигналів управління відповідно.
До складу загальних фізичних каналів у лінії “угору” входять канал випадкового доступу RACH і канал пакетної передачі PCPCH. Канал RACH служить для організації доступу АС до мережі і для передачі коротких пакетних повідомлень, основний же пакетний зв'язок між АС і мережею здійснюється по каналу PCPCH.
У напрямку “униз” (від БС до АС) загальними фізичними каналами є канал синхронізації SCH і канал управління CCPCH. Канал CCPCH складається з двох підканалів - первинного і вторинного. Первинний використовується для передачі загальної інформації (пілот-сигнала, даних). Вторинний загальний канал використовується для передачі сигналів виклику і службових сигналів (PCH й FACH).
У лінії “угору” організовується два типи виділених фізичних каналів: канал даних DPDCH і канал управління DPCCH. Канал даних DPDCH використовується для передачі даних виділеного транспортного каналу, а канал DPCCH забезпечує передачу від АС до БС службової інформації: бітів пілот-сигналу, інформації, що необхідна для управління потужністю сигналу, що випромінюється БС та ін. Для передачі службової інформації від АС до БС використовується один канал. З метою підвищення швидкості передачі даних транспортний канал може відображатися паралельно на декілька (до шести) фізичних каналів.
У лінії “униз” (від БС до АС) організується один виділений фізичний канал DPCH. Цей канал від кадру до кадру може використовуватися декількома абонентами .
Крім розглянутих загальних і виділених каналів організовується маркерний канал (PARCH). Цей канал по своєму призначенню аналогічний пілотному каналу, але з розширеними можливостями. Використовується базовою станцією в широкомовному режимі. Маркерний канал складається з трьох мультіплексованих у часі частин.
У першій частині канального інтервалу (0,6666 мкс) розміщується пілот- сигнал, що використовується для встановлення синхронізації АС із БС.
У другій частині канального інтервалу розміщаються дані про логічні канали, що використовуються.
У третій частині розміщаються пошукові коди, за допомогою яких АС може ідентифікувати БС. Два різні немодульовані пошукові коди поєднуються в груповий сигнал, що дозволяє використовувати ортогональні кодові послідовності Голда.
Преревага структури маркерного каналу - висока швидкодія. Недоліком є зниження частки випромінюваної енергії пілота-сигналу, оскільки він займає лише частину канального інтервалу.
Інформація в мережі стандарту UTRA-IMT-DS передається пакетами. Короткі пакети передаються по загальному фізичному каналу, а довгі - по виділеному. Пакети, довжина яких перевищує припустиме значення, поділяються на декілька коротких пакетів. Передана інформація розміщюється в кадрах тривалістю 10 мс.
Передача по лінії “униз” (від БС до АС) здійснюється по виділеному каналу DPDCH, що може по черзі (від кадру до кадру) використовуватися декількома абонентами.
Передача по лінії “угору” здійснюється по двох каналах DPDCH й DPCCH, перший з яких забезпечує передачу даних, а другий - управляючої інформації (пілота-сигналу, команд управління потужністю (TPC) і покажчика транспортного формату (TF1)). Покажчик TF1 використовується для сповіщення приймача про поточний стан і параметри транспортних каналів, переданих в DPDCH.