Проект сети 4G

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

архитектура технологический сеть

Быстрое развитие технологий связи, как фиксированной, так и мобильной, вызвано, повышенным интересом людей к сети интернет. Огромная роль глобальной сети в современном мире обмена информации неоспорима и не нуждается в подтверждении. Пользуясь сетью интернет, люди получают возможность учиться, работать, общаться, обмениваться данными, оплачивать услуги и покупки, а также пользоваться в режиме онлайн все возможными услугами коммерческих компаний и государственных учреждений.

Обширность территории нашей страны создает определенные трудности для предоставления операторами связи доступа к сети интернет. В крупных городах к глобальной сети может подключиться любой желающий, исходя из своих потребностей, выбрав удовлетворяющий его тариф, причем у жителя есть выбор между беспроводным и проводным доступом. Но в сельской местности дело обстоит намного хуже. Операторы связи не стремятся телефонизировать села и обеспечивать услуги доступа в Интернет, а та связь, что предоставляется, зачастую вызывает нарекания.

Наиболее перспективным вариантом обеспечения района высокоскоростным доступом в сеть Интернет является построение сетей сотовой подвижной радиосвязи четвертого поколения (4G). Самым оправданным стандартом 4G для решения этой задачи является технология беспроводного доступа LTE.

В своей выпускной квалификационной работе, территориальным объектом, я выбрала Колыванский район Новосибирской области. Целью данного проекта является обеспечение большинства населенных пунктов Колыванского района устойчивым радиосигналом сети LTE и предоставление жителям высокоскоростного мобильного доступа в сеть Интернет.



1. Общие сведения о стандарте 4G

1.1 Развитие стандарта 4G

В начале весны 2008 года Международный Союз электросвязи принял решение о старте разработки нового стандарта сотовой связи - 4G.

Четвертое поколение мобильных телекоммуникаций (4G) - это эволюционное развитие 3G. Инфраструктура стандарта 4G будет базироваться на IP_протоколе (Internet Protocol), что позволит простой и очень быстрый доступ к Интернету. Еще одним важным свойством 4G является то, что он должен стать единым стандартом. То есть не будет деления на GSM, CDMA, UMTS, WCDMA и так далее.

Согласно принятым постановлениям, главным отличием самого современного на сегодняшний день стандарта связи 4G от стандарта 3G является максимальная или, точнее сказать, пиковая скорость передачи данных. Так, для находящихся в движении мобильных устройств эта скорость должна составлять в среднем 100 Мбит/с., а для неподвижных устройств - 1 Гбит/с. Для сравнения: скорость проводного интернета у различных провайдеров в среднем колеблется в диапазоне 10-100 Мбит/с. То есть нетрудно подсчитать, что скорость передачи данных в стандарте 4G должна превышать существующие стандартные скорости в 10-100 раз. Такие высокие скорости объясняются тем, что в четвертом поколении используется только пакетная передача данных, тогда как голосовой трафик полностью отсутствует.

Первым форматом связи стандарта 4G стал - LTE (Long-Term Evolution), который позволяет увеличить существующую скорость передачи информации примерно в 10 раз, то есть пиковая скорость передачи данных для неподвижных устройств связи составляет 100 Мбит/с. Но даже такой скорости вполне достаточно для качественного просмотра телепередач в режиме реального времени, а для закачки кинофильма стандартного объема на мобильное устройство может понадобиться не более одной-двух минут.

Разработка технологии LTE как стандарта официально началась в конце 2004 г. Основной целью на начальном этапе был выбор технологии физического уровня, которая могла бы обеспечить высокую скорость передачи данных. В качестве основных были предложены два варианта: развитие существующего радиоинтерфейса WCDMA (Wnameeband code division multiple access) - широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов и создание нового на основе технологии OFDM (Orthogonal Frequncy-Division Multiple Access) - ортогональный множественный доступ с частотным разделением каналов. В декабре 2008 г. утверждена версия стандартов 3GPP (Release 8), фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE.

1.2 Особенности архитектуры сетей LTE

Архитектура сети радиодоступа E-UTRAN

Сеть LTE состоит из двух важнейших компонентов: сети радиодоступа E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access) и базовой сети EPC (Evolved Packet Coкe).

Основными требованиями проекта 3GPP при разработке архитектуры сети LTE были: максимально возможное упрощение структуры сети и исключение дублирующих функций сетевых протоколов, характерных для системы UMTS. В соответствии с этим сеть радиодоступа E-UTRAN, рассмотренная в ряде технических спецификаций, состоит только из базовых станций eNB (evolved Node B).

Базовые станции eNB являются элементами полносвязной сети E-UTRAN и соединены между собой по принципу «каждый с каждым» при помощи интерфейса Х2. Интерфейс Х2 поддерживает хэндовер абонентского терминала, находящегося в состоянии ECM-CONNECTED. Каждая базовая станция имеет интерфейс S1 с базовой сетью EPC, построенной по принципу коммутации пакетов.

Базовые станции eNB сети E-UTRAN выполняют все функции управления радиоресурсами (Radio Resource Management - RRM): управление радиоканалами (Radio Bearer Control), управление доступом (Radio Admission Control), управление мобильностью (Connection Mobility Control), динамическое распределение ресурсов (Dynamic Resource Allocation) и другие. Таким образом, в сети радиодоступа E-UTRAN базовые станции eNB реализуют совокупность функций базовых станций NodeB и большинство функций контроллера RNC сети радиодоступа UTRAN системы UMTS. Распределение функций между сетью радиодоступа E-UTRAN и базовой сетью EPC представлено на рисунке 1.1.

Одной из важнейших задач управления в сети LTE является максимально эффективное использование радиоресурсов. Данная задача решается с помощью совокупности функций управления радиоресурсами RRM (управление радиоресурсами сети E-UTRAN, управление службой передачи данных в радиоканале, управление мобильностью, управление доступом, динамическое распределение ресурсов) и с помощью протокола управления радиоресурсами (Radio Resource Control - RRC).

Управление радиоресурсами сети E-UTRAN (Inter Cell RRM) обеспечивает управление ресурсами группы сот в целях повышения эффективности использования частотного спектра и минимизации помехового взаимного влияния абонентских терминалов и базовых станций, а также поддержку мобильности.

Управление службой передачи данных в радиоканале (Radio Bearer (RB) Control) реализовано в базовых станциях eNB сети E-UTRAN и обеспечивает установление, поддержание и освобождение радиоканалов передачи данных с заданными параметрами качества услуг (Quality of Service - QoS) в сети E-UTRAN. Основными задачами являются контроль и управление всеми активными сессиями передачи данных с учетом QoS, выделение ресурсов для вновь активируемых сессий.

Управление мобильностью (Connection Mobility Control) позволяет выбирать обслуживающую базовую станцию eNB для абонентского терминала на основе измеренных терминалом параметров радиопокрытия, передавать обслуживание абонентского терминала от одной базовой станции к другой (хэндовер). Выбор обслуживающей базовой станции осуществляется абонентским терминалом на основе собственных измерений радиопокрытия в состояниях RRC_CONNECTED и RRC_IDLE и сравнения полученных результатов с установленными пороговыми значениями. В состоянии RRC-IDLE осуществляется перевыбор соты, в состоянии RRC_CONNECTED - хэндовер. Хэндовер реализован на основе анализа измерений как абонентского терминала, так и базовой станции NB, а также текущей загрузки обслуживающей и соседних сот и политики оператора по регулированию трафика. Поддержку мобильности абонентского терминала в сети EPC обеспечивает элемент (модуль) MME.

Параметры функций управления радиоресурсами сети E-UTRAN, управления службой передачи данных в радиоканале и управления мобильностью могут быть кастомизированы в соответствии с требованиями оператора.

Управление доступом (Radio Admission Control) обеспечивает формирование решений о предоставлении доступа абонентскому терминалу к сети E-UTRAN. Данная задача решается на основе многокритериального анализа загрузки сети радиодоступа и требований абонентского терминала к параметрам QoS.

Динамическое распределение ресурсов (Dynamic Resource Allocation; Scheduler) отвечает за планирование очередности передачи пакетов данных и позволяет динамически выделять и перераспределять ресурсы сети радиодоступа, включая канальные ресурсы, мощность излучения базовых станций, ресурсы буферизации и приоритет обработки пакетов данных с учетом параметров QoS.

Протокол управления радиоресурсами (Radio Resource Control - RRC) Плоскости управления (C-plane) обеспечивает:

· Вещание служебной информации в соответствии с протоколами, относящимися к группам протоколов «уровня с доступом» (Access Stratum - AS) и «уровня без доступа» (Non - Access Stratum - NAS);

· Пейджинг абонентского терминала;

· Установление, поддержание и закрытие служб передачи данных в радиоканале (Radio Bearers) типа «точка-точка» и «точка-многоточка» с заданными параметрами QoS;

· Мобильность абонентских терминалов.

Кроме того, протокол RRC поддерживает выполнение ряда других функций.

Протокол сходимости пакетных данных (Packet Data Convergence Protocol - PDCP) плоскостей U-plane и C-plane обеспечивает устранение избыточности (сжатие) служебной информации, объем которой может быть соизмерим с объемом полезной информации, передаваемой в пакетах данных, а также шифрование / дешифрование данных.

Протокол управления радиоканалом (Radio Link Control - RLC) реализует:

· Сегментацию и компоновку пакетов данных протоколов более высокого уровня (Protocol Data Unit - PDU) переменной длины в меньшие блоки полезной нагрузки (Packet Unit - PU); размер блока PU определяется в соответствии со скоростью передачи информации в радиоканале;

· Конкатенацию коротких пакетов PDU верхнего уровня;

· Заполнение остатка поля данных блока PU, если сочленение неприемлемо;

· Передачу данных пользователя с подтверждением и неподтверждением приема в соответствии с параметрами QoS;

· Исправление ошибок методом повторной передачи (Automatic Repeat request - ARQ) пакетов данных;

· Сохранение на более высоком уровне порядка доставки пакетов данных при передаче данных с подтверждением приема;

· Обнаружение дублирования пакетов данных для доставки их на более высокий уровень только один раз;

· Управление скоростью передачи пакетов данных;

· Контроль порядковых номеров пакетов данных.

Архитектура базовой сети EPC

Базовая сеть ЕРС, содержит такие модули (узлы), как HSS, MME, S-GW, P-GW, PCRF, и является PS_доменом сети LTE, который предоставляет как голосовые услуги, так и всю совокупность IP - услуг на основе технологий пакетной коммутации данных. В основу построения базовой сети ЕРС положена концепция «все через IP» (all - IP или AIPN - ALL over IP Network) и то обстоятельство, что доступ к базовой сети ЕРС может осуществляться как через сети радиодоступа второго и третьего поколений (например, сети UTRAN, GERAN), так и через сети радиодоступа неевропейских технологий, не стандартизованные проектом 3GPP, например сети IEEE: Wi-Fi, WiMAX, а также через сети, использующие проводные IP - технологии, например, сети ADSL+, FTTH и другие. Эталонная архитектура базовой сети ЕРС с указанием интерфейсов взаимодействия с внешними сетями показана на рисунке 1.1.



Рисунок 1.1. Архитектура сети LTE/UMTS/GSM

Рассмотрим функциональное назначение элементов (узлов) базовой сети ЕРС.

Домашний сервер базы данных пользователей HSS (Home Subscriber Server) представляет собой справочную базу данных об абонентах. В ней содержатся информационный профиль абонента (идентификационные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав подключенных услуг связи, специальная информация о роуминге абонента). Информация об абоненте поступает в HSS после заключения контракта на предоставление услуг (подписки на услуги связи). Существует два типа информации, содержащейся в информационных профилях базы данных HSS: постоянная и переменная.

Постоянная информация об абоненте никогда не меняется, за исключением случаев изменения условий контракта (например, подписка на дополнительные услуги). Постоянная информация об абоненте содержит следующую основную информацию:

· Международный идентификатор абонента мобильной связи IMSI, который однозначно идентифицирует абонента сети;

· Мобильный международный номер абонента в сети ISDN - номер MSISDN;

· Данные о роуминге;

· Перечень и параметры доступных услуг связи;

· Ключи аутентификации и шифрования.

Переменная информация об абоненте содержит данные о регистрации и текущем местоположении абонента, об обслуживающем узле управления мобильностью MME, переменные идентификаторы абонента (GUTI, GUMMEI, M - TMSI, S - TMSI).

Домашний сервер базы данных пользователей HSS выполняет следующие основные функции:

· Предоставление узлу управления мобильностью ММЕ информации аутентификации и данных профиля пользователей при управлении мобильностью, при авторизации доступа к услугам;

· Предоставление серверам управления услугами информации аутентификации и данных профиля пользователей;

· Взаимодействие с биллинговой системой по конфигурации услуг (service provisioning).

В современных релизах 3GPP домашний сервер базы данных пользователей (HSS) является частью архитектуры универсальной конвергентной базы данных (UDC), состоящей из единого хранилища (репозитария) пользовательских данных (UDR), выполняющего функции BE (Back End), и элементов доступа FE (Front-End). В качестве FE выступают HSS FE, а также AAA FE, SPR/PCRF FE.

Узел управления мобильностью ММЕ (Mobility Management Entily) отвечает за решение задач управления мобильностью абонентского терминала и взаимодействует с базовыми станциями eNB сети радиодоступа E-UTRAN с помощью протоколов плоскости управления (C - Plane) интерфейса S1 - MME.

Узел ММЕ реализует:

управление мобильностью пользователей: регистрация пользователей (register/deregister), обновление данных о зонах местоположения абонентского терминала (Tracking Area Update - TAU);

управление списками зон местоположения абонентских терминалов

(Tracking Area List - TAL);

управление внутрисетевым хэндовером при смене узла ММЕ;

управление межсетевым хэндовером и взаимодействие по интерфейсу S3 с узлом SGSN при передаче обслуживания абонентского терминала в

сети стандарта GSM/UMTS;

выбор обслуживающих сервисного и пакетного шлюзов (соответственно S-GW и P-GW);

управление роумингом и взаимодействие по интерфейсу S6a с базой

данных HSS визитного абонента, находящегося во внутреннем роуминге;

аутентификацию и авторизацию пользователей;

управление службами передачи данных;

взаимодействие с сетями 3GPP2 для обеспечения доступа абонентов к сети ЕРС посредством сети радиодоступа CDMA2000 (HRPD);

поддержку технологии голосовых вызовов CSFB;

классификацию служб передачи данных на службы передачи голосовой и неголосовой информации;

хэндовер служб передачи неголосовой информации (Non-voice Bearer) в сеть UMTS/GPRS при выполнении процедуры CSFB;

передачу трафика сигнализации в направлении системы оперативнорозыскных мероприятий (СОРМ).

Сервисный и пакетный шлюзы (S-GW и P-GW соответственно) отвечают за передачу данных пользователей согласно протоколам плоскости пользователя (U-Plane). Сервисный узел S-GW взаимодействует с базовой станцией eNB посредством интерфейса S1_U. Базовые станции eNB сети E-UTRAN можно присоединять посредством интерфейса SI (Sl-MME, S1_U) одновременно к нескольким узлам ММЕ и реализовывать так называемый интерфейс Sl-Flex. В этом случае ММЕ объединяются в пулы: ММЕ Pool, S-GW Pool. Интерфейс Sl-Flex позволяет более гибко использовать сетевой ресурс.

Сервисный шлюз S-GW (Serving Gateway) выполняет следующие основные функции:

* инициирование процедуры выделения сетевых ресурсов абонентскому терминалу и установления сессии в соответствии с требуемыми параметрами идентификатора качества QCI (QoS Class Identifier) по запросу доступа к услуге (Service Request);

маршрутизацию и передачу пакетов информации в соответствии с требованиями QoS по направлению к пакетному шлюзу P-GW для линии

«вверх» и к базовой станции eNB для линии «вниз»;

функции обслуживающего узла или точки «привязки» (Mobility Anchor Point) при хэндоверах абонентского терминала между базовыми станциями eNB, обеспечивающего модификацию сетевой службы передачи данных в

целях маршрутизации пакетов данных по направлению к целевой базовой

станции eNB;

функции обслуживающего узла или точки «привязки» при хэндоверах абонентского терминала между сетью LTE и сетями UMTS/GPRS;

взаимодействие с узлом управления политиками доступа и тарификации PCRF по управлению службами передачи данных и передачи отчетов

о событиях установления и модификации сессии;

передачу трафика сигнализации по направлению к системе оперативно-розыскных мероприятий.

Пакетный шлюз P-GW (PDN Gateway) выполняет следующие основные функции:

взаимодействие с узлом управления политиками доступа и тарификации PCRF для назначения сессии идентификатора качества QCI и выделение сетевых ресурсов абонентскому терминалу при установлении сессии;

контроль пакетов данных пользователей (Deep Packet Inspection) с

помощью встроенной функции применения сетевых политик доступа и тарификации PCEF;

назначение абонентским терминалам IP_адресов с помощью внутренних клиент-серверных функций DHCPv4, DHCPv6;

взаимодействие с сервером доменных имен DNS для преобразования имен ресурсов, запрашиваемых абонентскими терминалами, в IP_адреса;

маршрутизацию и передачу пакетов информации в соответствии с требованиями QoS по направлению к пакетному шлюзу сервис-провайдера,

подсистеме IMS или сервисным платформам для линии «вверх» и по направлению к шлюзу S-GW для линии «вниз»;

взаимодействие с системой тарификации в режиме реального времени (Online Charging System - OCS) по протоколу DIAMETER;

формирование и передача отчетов (Call Detail Record - CDR) для

системы тарификации не в режиме реального времени (Offline Charging

System - OFCS);

передачу трафика пользователей по направлению к системе оперативно розыскных мероприятий.

Узел управления сетевыми политиками и тарификацией PCRF (Policy and Charging Rules Function) взаимодействует с сетевыми элементами применения сетевых политик PCEF пакетного шлюза P-GW и позволяет управлять качеством предоставления услуг передачи данных путем назначения идентификатора QCI для запрашиваемой абонентом услуги (сессии), управлять тарификацией путем назначения ключа (идентификатора) тарификации (Charging Key) в соответствии с конфигурацией оператора. Для поддержки роуминга узел PCRF подразделяется на два логических элемента:

узел PCRF домашней сети H-PLMN (H-PCRF);

узел PCRF визитной сети V-PLMN (V-PCRF).

Узлы H-PCRF и V-PCRF домашней и визитных сетей взаимодействуют друг с другом по интерфейсу S9.

Домашний сервер базы данных пользователей HSS, узел управления мобильностью ММЕ, сервисный шлюз S-GW, пакетный шлюз P-GW и узел управления политиками доступа и тарификации PCRF взаимодействуют друг с другом и с другими элементами сетей EPC/UMTS/GPRS с помощью интерфейсов, приведенных в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Интерфейсы сети LTE

Интерфейс	Прикладной протокол	Пояснение
S1_MME	S1_AP	Интерфейс управления мобильностью между базовыми станциями сети E-UTRAN и узлом управления мобильностью ММЕ
S1_U	GTP-U	Интерфейс между базовыми станциями сети E-UTRAN и сервисным шлюзом S-GW, обеспечивающий передачу данных пользователей
S3	GTP	Интерфейс между узлом управления мобильностью ММЕ и сервисным шлюзом SGSN, обеспечивающий мобильность пользователей между сетями LTE и UMTS/GPRS
Интерфейс	Прикладной протокол	Пояснение
S4	GTP	Интерфейс между сервисными шлюзами S-GW и SGSN, обеспечивающий передачу данных пользователей при хэндовере со сменой сети доступа, а также передачу данных в совмещенной сети LTE/UMTS, в которой отсутствует шлюз GGSN
S5	GTP/PMIP	Интерфейс между сервисными шлюзами S-GW и P-GW, обеспечивающий установление сессий и передачу данных пользователей
S6a	DIAMETER	Интерфейс между узлом управления мобильностью ММЕ и домашним сервером базы данных пользователей HSS, обеспечивающий аутентификацию и авторизацию пользователей, обновление данных о местонахождении пользователей
Gx	DIAMETER	Интерфейс между сетевым элементом применения политик доступа и тарификации PCEF узла P-GW и узлом управления политиками доступа и тарификации PCRF, обеспечивающий управление качеством передачи данных и тарификацией в течение всей сессий пользователя
S8	GTP/PMIP	Интерфейс между сервисным шлюзом S-GW и пакетным шлюзом P-GW, находящимися в разных сетях (домашней и визитной), обеспечивающий управление сессиями и передачу данных пользователей, находящихся в роуминге. Является аналогом интерфейса S5
S9	DIAMETER	Интерфейс между домашним и визитным узлами PCRF (H-PCRF и V-PCRF), обеспечивающий управление качеством передачи данных и тарификацией абонентов, находящихся в роуминге
S10	GTP-C	Интерфейс между двумя узлом управления мобильностью ММЕ, обеспечивающий хэндовер со сменой узла ММЕ и взаимодействие узлов ММЕ различных сетей LTE
S11	GTP-C	Интерфейс между узлом управления мобильностью ММЕ и сервисным шлюзом S-GW, обеспечивающий управление сессиями пользователей
Интерфейс	Прикладной протокол	Пояснение
S12	GTP-U	Интерфейс между сетью радиодоступа UTRAN и сервисным шлюзом S-GW, обеспечивающий формирование туннелей для передачи данных пользователей совмещенной сети LTE/UMTS
S13	DIAMETER	Интерфейс между узлом управления мобильностью ММЕ и регистром идентификации оборудования EIR, обеспечивающий распознавание оборудования абонентского терминала пользователя
SGi	IP	Интерфейс между пакетным шлюзом P-GW и внешней сетью коммутации пакетов, а также подсистемой IMS и сервисными платформами оператора
Rx	DIAMETER	Интерфейс между узлом управления сетевыми политиками и тарификацией PCRF и узлом, выполняющим прикладные функции (Application Function - AF), обеспечивающий применение кастомизированных политик в отношении пользователей

1.2 Основные функции ядра сети LTE

В перечне функциональных возможностей базовой сети ЕРС можно выделить несколько основных функций:

управление доступом в сеть;

маршрутизация и транспортировка пакетов данных;

управление мобильностью абонентского терминала;

обеспечение безопасности;

управление радиоресурсами сети;

управление сетью;

выбор функциональных элементов сети;

функции, связанные с использованием в сети IP_протокола.

Каждая из этих функций может включать в себя несколько частных функций.

Функция управления доступом в сеть. С помощью данной функции абонентский терминал присоединяется к сети LTE. При этом выполняется ряд частных функций, представленных ниже.

Функция выбора сети или сети доступа дает возможность абонентскому терминалу выбирать сеть мобильной связи или сеть доступа, посредством которой будет осуществляться IP_соединение абонентского терминала с сервисными платформами (серверами приложений). Выбор сети или сети доступа зависит прежде всего от используемых этими сетями технологий. Для сетей стандартов 3GPP принципы выбора сети определены в Технической спецификации TS 23.122, принципы выбора сети доступа - в Технических спецификациях TS 36.300, TS 43.022 и TS 25.304. Для сетей стандартов нe_3GPP, базирующихся на IP_протоколе, принципы выбора сети или сети доступа определены в Технической спецификации TS 23.402.

Функция аутентификации и авторизации позволяет проверить подлинность абонента, определить доступность абоненту сетевых услуг в соответствии с его профилем и выполнить авторизацию мобильного терминала абонента, например, назначить IP_адрес, выделить сетевые ресурсы и активировать сетевую службу передачи данных. Функция аутентификации тесно связана с функцией управления мобильностью абонента.

Функция контроля доступа требуется для определения доступности запрашиваемых ресурсов сети и резервирования этих ресурсов согласно поступившему запросу в целях дальнейшего использования.

Функция применения сетевых политик и тарификации (PCEF) обеспечивает управление предоставлением услуг абоненту в соответствии с требуемым качеством услуг (идентификатором QCI) и тарификацию в соответствии с правилами, полученными от узла PCRF. Согласно спецификации TS 23.203 с помощью функции PCEF решаются следующие основные задачи:

обнаружение, регистрация и классификация потоков пакетов данных

пользователей; при регистрации потоки пакетов данных пользователей

отождествляются с IP_адресами и портами источника и получателя, с требуемым идентификатором QCI;

измерение и контроль объема и параметров передачи (скорости,

задержки передачи) пакетов данных;

управление качеством передачи данных;

применение правил тарификации в реальном масштабе времени с

учетом качества передачи данных.

Функция законного перехвата сообщений абонентов позволяет предоставить уполномоченным государственным организациям доступ к частной информации (например, к телефонным разговорам, передаваемым данным, сообщениям SMS, MMS и сообщениям электронной почты). Согласно российскому законодательству данная функция является функцией системы обеспечения оперативно-розыскных мероприятий.

Функция маршрутизации и транспортировки пакетов данных. С помощью функции маршрутизации осуществляется определение маршрута передачи и транспортировка пакетов данных как внутри одной сети мобильной связи, так и между несколькими сетями. Маршрут транспортировки пакетов данных устанавливается на основе таблиц маршрутизации и представляет собой перечень сетевых узлов: исходящий узел, промежуточные узлы и узел назначения. Сеть LTE базируется на IP_протоколе и вследствие этого использует стандартные механизмы маршрутизации и транспортировки данных IP_сетей.

При выполнении функции маршрутизации и транспортировки пакетов данных реализуется ряд частных функций.

Функция сжатия IP_заголовка предназначена для оптимизации использования пропускной способности и ресурсов сети радиодоступа за счет уменьшения объема передаваемых служебных данных путем применения специальных механизмов сжатия IP_заголовка.

Функция проверки (инспекции) пакетов данных позволяет сети выполнять проверку типа IP_адреса, используемого абонентским терминалом: адреса типа IPv4, либо адреса типа IPv4 с префиксом адреса IPv6 (например, :ffff:IPv4), либо адреса типа IPv6.

Функция обеспечения безопасности. При выполнении функции обеспечения безопасности в сети LTE решаются следующие основные задачи (см. Техническую спецификацию TS 33.401):

защита от несанкционированного использования услуг сети LTE с

помощью аутентификации абонента и подтверждения возможности

оказания запрошенной услуги;

обеспечение конфиденциальности аутентификации абонента с помощью использования временных идентификаторов и ключей шифрования;

обеспечение конфиденциальности абонентских данных с помощью

шифрования;

обеспечение аутентификации данных, передаваемых в сообщениях

сигнализации;

обеспечение аутентификации сети абонентским терминалом;

идентификация абонентского терминала.

Функция управления мобильностью. С помощью данной функции обеспечивается отслеживание расположения абонентского терминала в сети

E-UTRAN с точностью до одной зоны местоположения терминала (Tracking Area - ТА) либо группы зон местоположения в соответствии с перечнем зон местоположения TAL. Функция включает в себя несколько частных функций.

Функция управления мобильностью терминала в режиме ECM-IDLE. Режим ECM-IDLE (EPS Connection Management IDLE) характеризуется отсутствием активного соединения абонентского терминала с сетью LTE, при котором обеспечивается передача пакетов данных пользователя. В данном режиме местоположение абонентского терминала в сети E-UTRAN известно моду ММЕ с точностью до группы зон местоположения терминала согласно TAL.

Функция управления перечнем зон (треков) местоположения абонентского терминала в сети E-UTRAN позволяет базовой сети ЕРС запоминать и актуализировать не одну зону ТА, а группу зон в зависимости от накопленной статистики перемещения абонента, что, в конечном счете позволяет уменьшить частоту выполнения процедуры обновления данных о зонах местоположения (Tracking Area Update - TAU).

Функция управления хэндовером в сети Е - UTRAN позволяет обеспечить непрерывность IP_сессии пользователя при перемещении абонентского терминала между базовыми станциями. Управление хэндовером и модуляция IP-CAN Bearer осуществляются сетевым элементом ММЕ, являющимся функциональным модулем привязки внутрисетевой мобильности (Inter-eNode B Mobility Anchor).

Функция управления межсетевым хэндовером в сетях 3GPP позволяет обеспечить непрерывность IP_сессии абонента при перемещении абонентского терминала между сетями 3GPP. Управление межсетевым хэндовером осуществляется сетевым элементом ММЕ, являющимся функциональным модулем «привязки» межсетевой мобильности (Inter_3GPP Mobility Anchor).

Функция уменьшения трафика сигнализации (Idle mode Signalling Reduction - ISR) абонентского терминала, находящегося в режиме ECM-IDLE применительно к сети E-UTRAN и в режиме GPRS STANDBY применительно к сети GERAN/UMTS, позволяет уменьшить объем служебных сообщений при обеспечении дискретной мобильности терминала (при «перевыборе» соты) между сетями E-UTRAN и GERAN/UTRAN одного оператора. Уменьшение объема служебных сообщений при перевыборе сот со сменой технологии доступа (Inter-RAT Cell-Reselection) достигается за счет регистрации абонентского терминала одновременно в узлах ММЕ и SGSN, взаимодействующих с обслуживающим шлюзом S-GW. Это позволяет осуществлять перевыбор сот без выполнения процедуры TAU и процедуры обновления данных о зоне маршрутизации (Routing Area Update - RAU) в сети GERAN/UTRAN.

Функция ISR активируется и деактивируется на основе решений модулей и узлов, входящих в базовую сеть ЕРС. Эти решения передаются абонентскому терминалу в виде соответствующих команд.

Функция ограничения мобильности позволяет ограничить мобильность терминала и выполняется следующими элементами сети LTE: абонентским терминалом, сетью радиодоступа E-UTRAN и базовой сетью ЕРС. Ограничение мобильности абонентского терминала, находящегося в режиме ECM-IDLE, реализуется терминалом на основе информации, получаемой от базовой сети ЕРС. Ограничение мобильности абонентского терминала, находящегося в режиме ECM-CONNECTED, выполняется сетью радиодоступа E-UTRAN и базовой сетью ЕРС на основе перечня ограничений хэндовера (Handover Restriction List - HRL).

Функция индикации поддержки мультимедийных речевых услуг подсистемы IMS выполняется сетью мобильной связи и позволяет передавать абонентскому терминалу идентификатор поддержки пакетной передачи речи с помощью подсистемы IMS. Данный идентификатор передается в процессе присоединения мобильного терминала к сети LTE либо в процессе выполнения процедуры TAU. Обслуживающая сеть LTE предоставляет эту индикацию в соответствии с сетевыми политиками, а также с поддерживаемой схемой организации голосовых вызовов (Single Radio Voice Call Continuity - SRVCC).

Функция управления радиоресурсами сети. Функция управления радиоресурсами связана с распределением ресурсов сети E-UTRAN между абонентскими терминалами. Стратегия сети E-UTRAN по управлению радиоресурсами основывается на информации о конкретных типах абонентов, терминалов и приложений.

Чтобы поддерживать управление радиоресурсами в сети E-UTRAN, модуль ММЕ обеспечивает передачу базовой станции eNB через интерфейс S1 параметра RFSP (RAT/Frequency Selection Priority), определяющего приоритет выбора радиотехнологии и приоритет выбора частоты. Параметр RFSP используется базовой станцией для реализации стратегии сети по управлению радиоресурсами. Значение параметра является индивидуальным для абонентского терминала и используется всеми службами обмена данными сети радиодоступа E-UTRAN в следующих случаях:

для перевыбора соты абонентскими терминалами, работающими в

режиме IDLE, в соответствии с установленным приоритетом;

для принятия решения по переводу абонентских терминалов, находящихся в активном режиме (active mode), на другие частотные каналы или другие технологии радиодоступа.

Сообщение, передаваемое в базовую станцию по интерфейсу S1исодержащее параметр RFSP, детально описано в Технической спецификации TS 36.413.

Функция управления сетью. Эта функция выполняется системой поддержки эксплуатации сети (ОАМ&Р) и включает в себя несколько частных функций.

Функция распределения нагрузки между модулями ММЕ обеспечивает возможность перенаправлять управление абонентским терминалом с одного модуля ММЕ на другой для распределения нагрузки между модулями. Это достигается установлением такого весового коэффициента распределения нагрузки для каждого модуля ММЕ, при котором вероятность выбора модулем ММЕ базовой станции пропорциональна этому коэффициенту (0,…, 255). Весовой коэффициент устанавливается с учетом производительности модулей ММЕ и передается базовой станции путем обмена служебными сообщениями с ММЕ посредством интерфейса S1 (согласно Технической спецификации TS 36.413). Если в сети используется шлюз поддержки персональных (домашних) базовых станций (HeNB GW), то весовой коэффициент передается от модуля ММЕ к этому шлюзу.

Функция перераспределения нагрузки между модулями ММЕ обеспечивает возможность передавать обслуживание абонентского терминала от одного ММЕ другому в процессе обслуживания.

Функция управления перегрузками в модуле ММЕ определяет механизмы, позволяющие избегать возникновения перегрузок в сети. Эти механизмы в соответствии с Техническими спецификациями TS 36.300 и TS 36.413 используют сообщения протоколов уровня NAS для отклонения запросов предоставления ресурсов, поступающих от абонентских терминалов.

Устранение перегрузки сети достигается с помощью сообщений OVER - LOAD START, передаваемых модулем ММЕ базовым станциям. С помощью сообщений OVERLOAD START модуль ММЕ может посылать на базовую станцию следующие команды:

отказать в установлении RRC_соединений абонентским терминалам,

запрашивающим ресурсы сети (за исключением терминалов, запрашивающих ресурсы сети для вызова экстренных служб);

отказать в установлении RRC_соединений абонентским терминалам,

запрашивающим ресурсы сети для выполнения процедур поддержки

мобильности.

Функция выбора узлов сети. Эта функция содержит следующие частные функции: функцию выбора шлюза P-GW; функцию выбора обслуживающего сервисного шлюза S-GW; функцию выбора модуля ММЕ; функцию выбора сетевого узла SGSN и функцию выбора функционального элемента PCRF.

Функция базовой сети ЕРС, связанная с использованием IP_протокола. Эта функция содержит следующие частные функции.

Функция сервера доменных имен (Domain Name Server - DNS) описана в спецификации RFC 1034, она позволяет устанавливать соответствие между доменным именем узла и его IP_адресом.

Функция динамической конфигурации хостов (Dynamic Host Configuration Function - DHCP) позволяет выделять абонентским терминалам динамические IP_адреса. Возможности данной функции детально изложены в спецификациях RFC 2131, RFC 3736, RFC 3633 и RFC 4039.

1.3 Радиоинтерфейс сети LTE

Радио интерфейс сети LTE E-UTRAN поддерживает два способа дуплексного разнесения каналов: частотный FDD и временной TDD. Функционирование сетей LTE имеет возможность выполняться в частотных диапазонах с разной шириной. Сигналы нисходящего и восходящего направлений смогут занимать полосы от 1,4 до 20 МГц в зависимости от числа действующих ресурсных блоков. Передача данных в восходящем и нисходящем течениях организована в кадрах, продолжительность которых одинакова 10 мс. Кадры разделяются на более незначительные временные структуры - слоты. В порядке с частотным разнесением FDD эпизод разделяется на 20 слотов, нумеруемые с нуля вплоть до 19_го, любой из которых обладает продолжительностью 0,5 мс. В режиме FDD временной ресурс в области границах кадра распределен напополам для передачи в обратных направлениях. Физические каналы в режиме FDD в обратных направлениях обладают обязательный дуплексный разнос. Порядок временного разнесения каналов TDD обладает асинхронной натурой. Передача данных в порядке TDD совершается одновременно в двух направлениях в одном диапазоне частот.

Характерной чертой радио интерфейса в направления «вниз» сети E-UTRAN считается применение технологии многочисленного доступа OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access) - мультиплексирование с ортогональным частотным разделением. Одина из первостепенных целей применения технологии OFDMA считается борьба с помехами, вызванных многолучевым распространением сигнала, таким образом, OFDM - сигнал рассматривается как множество медленно модулируемых узкополосных сигналов, а не как один стремительно модулируемый широкополосный сигнал. Методика OFDM базируется в формировании многочастотного сигнала, заключающегося из большого количества поднесущих частот (рис 1.2). При образовании OFDM - сигнала поток поочередных информационных символов продолжительностью Ти/N разбивается на блоки, имеющие N символов; Ти - продолжительность одного символа.



Рисунок 1.2. Схема формирования OFDM - сигнала

Типы модуляции: QPSK, 16 QAM, 64 QAM могут использоваться в направления «вниз» сети E-UTRAN. Дискретное обратное быстрое преобразование Фурье (ОБПФ) применяется при создании OFDM/QAM_сигнала. Формирование OFDM - сигнала в передатчике базовой станции сети LTE E - UTRAN представлено на рисунке 1.3. Для борьбы с межсимвольной интерференцией применяются циклические префиксы ЦП (СР). Могут использовать малые и большие префиксы, продолжительность которых 4,7 мкс и 16,7 мкс соответственно.

Схема передачи данных с помощью технологии SC-FDMA (Single-carrier Frequency-Division Multiple Access) показана на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Передача данных с помощью технологии SC-FDMA

Циклические префиксы включается для того что бы исключить взаимное влияния пользователей в направления «наверх» сети E-UTRAN, а кроме того применяются эффективные эквалайзеры в приемных аппаратах. Разделение частотного ресурса между абонентами исполняется ресурсными блоками, каждому из которых отвечает полоса частот 180 кГц, что при разносе между соседними поднесущими частотами в 15 кГц соответствует 12 поднесущим. Наибольшее число доступных ресурсных блоков находится в зависимости от выделения системе диапазона частот, значение которого в силах приближаться вплоть до 20 МГц.

1.4 Взаимодействие стандарта LTE с UMTS/GSM и стандартами не 3GPP

Главной проблемой, возникающей при взаимодействии сети LTE с сетями мобильной связи стандартов 3GPP (UMTS/GSM/HSPA+) считается - поддержка мобильности абонентского терминала при его передвижении из области обслуживания одной сети вместо обслуживания другой. Взаимодействие сети LTE с сетями 3GPP состоит в обеспечении дискретной мобильности (роуминга) и предоставления постоянной мобильной связи (хэндовера). Основными интерфейсами взаимодействия сети LTE с сетями 3GPP считаются интерфейсы S3, S4 и S12. Эти интерфейсы гарантируют связь логического компонента управления мобильностью MME и шлюза S-GW сети LTE с сервисным узлом SGSN сетей 3G с помощью туннельного протокола GTP (GPRS Tunneling Protocol). Протокол GTP нужен для передачи данных плоскости управления (протокол GTP-C) и для передачи данных плоскости пользователя (акт GTP-U). В обстоятельствах роуминга шлюз S-GW визитной сети взаимодействует с шлюзом P-GW (шлюз взаимодействия с пакетными сетями) домашней сети.

В сетях LTE взаимодействие с остальными сетями 3GPP для оказания классических услуг телефонии осуществляется с помощью как классической технологии коммутации каналов (TDM), так и технологии коммутации пакетов на основе сервисной подсистемы IMS.

При осуществлении голосового вызова, хэндовер между сетью LTE и другой сетью 3GPP, совершается с помощью взаимодействия логического компонента MME с сервером MSC; в случае вызовов из сети LTE в классический домен коммутации каналов (CS_домен) согласно интерфейсу Sv, и с по-мощью взаимодействия логического компонента MME с узлом SGSN; в случае голосового вызова с сети LTE в домен коммутации пакетов (PS_домен) согласно интерфейсу S3.

Взаимодействие сети LTE с сетями не 3GPP делится на взаимодействие с сетями с гарантированной безопасностью - «надежными» и взаимодействие с сетями с негарантированной безопасностью - «ненадежными». Сети стандартов (cdma2000, Wi-MAX) смогут представлять в качестве «надежных» сетей, в качестве «ненадежных» общественные IP_сети Интернета. Взаимодействие сети LTE с «надежными» сетями стандартов не 3GPP осуществляется с помощью шлюза P-GW, взаимодействие с «ненадежными» сетями - с помощью шлюза ePDG.

Мобильность абонентского терминала при взаимодействии сети LTE с сетями не 3GPP с учетом концепции построения базовой сети EPC «все через IP» базируется на протоколах управления мобильностью в IP_сетях:

* протоколы управления мобильностью на базе хостов - HBM (Host Based Mobility) - MIPv4, DSMIPv6;

* протоколы управления мобильностью на базе сети - NBM (Network Based Mobility) - PMIPv6.

1.5 Технология MIMO в сетях LTE

Технология представляет собой беспроводной доступ, предусматривающая применение нескольких передатчиков и приемников, с целью одновременной передачи наибольшего числа данных иначе называемая MIMO (Multiple Input Multiple Output - многочисленный доступ, многочисленный вывод). Технология MIMO в сетях LTE представляет одну из значимых ролей в обеспечении высоких скоростей передачи данных.

Технология MIMO применяет результат передачи радиоволн, именуемый многолучевым распространением, когда передаваемые сигналы отражаются с большого количества предметов и преград и радиоантенна принимает сигналы под различными углами и в разное время. Использование технологии MIMO нам даст возможность повысить помехоустойчивость каналов связи, сократить относительное количество битов, принятых с погрешностью. Работа системы MIMO может быть организована двумя способами: в первом случае согласно принципу пространственного уплотнения и во втором случае по принципу пространственно-временного кодирования.

Согласно первому случаю разные передающие антенны передают разные части блока информационных символов либо разные информационные блоки. Передача данных проводится одновременно с двух либо с черырех антенн. В приемной стороне выполняется прием и распределение сигналов разных антенн.

Во втором случае, с абсолютно всех передающих антенн осуществляется передача одного и этого же потока данных с применением схемы предварительного кодирования.

Конфигурации антенн технологии MIMO имеют возможность принимать симметричные (2Ч2,4Ч4) и несимметричные (1Ч2,2Ч4) значения. На рисунке 1.4 продемонстрирована структурная схема системы MIMO.



Рисунок 1.4. Структурная схема системы MIMO



2. Расчет зоны покрытия сети 4G в Колыванском районе Новосибирской области

2.1 Анализ объекта проектирования

Целью данной выпускной квалификационной работы является проектирование сети сотовой связи четвертого поколения LTE в Колыванском районе Новосибирской области.

Колыванский район образован в 1925 году, расположен в северо-восточной части Новосибирской области, граничит с Новосибирским, Мошковским, Коченевским, Чулымским, Убинским районами и с Томской областью.

В современных границах район образован в 1955 году в результате объединения Колыванского и Пихтовского районов.

Территория всего - 10,6 тыс. кв. км, в том числе сельхозугодья -186,1 тыс. га.

По территории района протекает река Обь. Другие крупные реки - Чаус, Вьюна, Уень, Шегарка, Кашлам. Кроме этого, территория района богата озёрами. Наиболее крупное из них - Минзелинское.

Район представлен 54 населенными пунктами, объединенными в 12 поселений. Самыми крупными из них, являются рабочий поселок Колывань (11,7 тысяч чел.), села Скала (2,4 тыс. чел.), Новотырышкино (1,8 тыс. чел.), Пихтовка (1,6 тыс. чел.), Вьюны (1,1 тыс. чел.). Большая часть населенных пунктов находится в южной части района.

Общая численность населения - 24,5 тыс. человек.

В основном территория района застроена зданиями низкой этажности, что является характерным для сельской застройки.



Рисунок 2.1. Территория Колыванского района Новосибирской области

В ходе планирования радиосетей LTE применяется новейший вид многостанционного доступа на основе технологии OFDM, в связи, с чем возникают новые определения и меняются методы проектирования.

Планирование радиосети LTE будет производиться в сельской территории, а это означает, то что плотность абонентов будет низка и базовые станции должны устанавливаться как можно дальше друг от друга, для того чтобы каждый eNB мог покрыть как можно большую территорию. В связи с этим необходимо выбрать подходящий радиочастотный спектр. В этом случае необходимо придерживаться положения, что чем ниже частота, тем дальше распространяется радиосигнал. Радиочастотный спектр 791 - 862 МГц полностью удовлетворит данному решению. Вид дуплекса выберем частотный - FDD.

2.2 Расчёт пропускной способности сети

Пропускная способность или емкость сети основывается на средних значениях спектральной эффективности соты в конкретных обстоятельствах.

Спектральная эффективность определяет скорость передачи данных в установленной полосе частот. Спектральная эффективность систем мобильной связи представляет собою коэффициент, рассчитываемый как отношение скорости передачи данных на 1 Гц употребляемой полосы частот (бит/с / Гц).

Ширина полосы частот для частотного вида дуплекса FDD в основе 3GPP Release 9 для разнообразных конфигураций MIMO равняется 20 МГц.

Средняя спектральная эффективность для сети LTE, представлена в таблице 2.1.

Таблица 2.1. Средняя спектральная эффективность для сети LTE

Линия	Схема MIMО	Средняя спектральная эффективность (бит/с / Гц)
UL	1Ч2 1Ч4	1,254 1,829
DL	2Ч2 4Ч2 4Ч4	2,93 3,43 4,48

Среднюю пропускную способность одного сектора базовой станции для системы FDD можно получить методом умножения ширины канала на спектральную эффективность канала:

(2.1)

где S - средняя спектральная эффективность (бит/с / Гц);

W - ширина канала (МГц); W = 10 МГц.

Для линии DL:

Мбит/с.

Для линии UL:

Мбит/с.

Для того чтобы вычислить пропускную способность базовой станции умножим количество секторов базовой станции на пропускную способность одного сектора, у одной базовой станции eNB число секторов равняется трем, формула будет выглядеть следующим образом:

(2.2)

Для линии DL:

Мбит/с.

Для линии UL:

Мбит/с.

Следующим шагом будет вычисление числа сот в планируемой сети LTE. Для того чтобы вычислить количества сот в сети следует рассчитать общее количество каналов, выделяемых для развертывания проектируемой сети LTE. Общее число каналов Nk вычисляется согласно следующей формуле:

(2.3)

Где выделенная полоса частот для работы сети и равная 71 МГц;

полоса частот одного радиоканала.

В сетях LTE под радиоканалом подразумевается такой термин, как ресурсный блок (РБ), который обладает шириной 180 кГц, 180 кГц.

каналов

После установим количество каналов , необходимое для обслуживания абонентов в1_ом секторе 1_ой соты:

, (2.4)



Где общее число каналов;

размерность кластера, устанавливается с учетом количества секторов eNB, выберем равным 3;

количество секторов eNB, примем равным 3.

анала

Вычислим количество каналов трафика в одном секторе одной соты , которое рассчитывается по формуле:

, (2.5)

Где - количество каналов трафика в одном радиоканале, устанавливаемое стандартом радиодоступа (для OFDMA = 1…3), для LTE выберем =1.

канала

В соответствии с моделью Эрланга, отображенной в виде графика на рисунке 2.2, установим номинальную нагрузку в секторе одной соты при возможном значении вероятности блокировки равной 1% и вычисленным выше значении . Установим, то что =50 Эрл.

Рисунок 2.2. Зависимость допустимой нагрузки в секторе от числа каналов трафика и вероятности блокировки



2.3 Расчет количества потенциальных абонентов.

Количество абонентов, которое будет обслуживаться одной базовой станцией, рассчитывается по следующей формуле:

(2.6)

Где - средняя по всем видам трафика абонентская нагрузка от одного абонента, значение может составлять (0,04 …0,2) Эрл. Так как проектируемая сеть планируется использоваться для высокоскоростного обмена информацией, то значение А₁ примем равным 0,2 Эрл.

Таким образом:

- количество секторов на одной базовой станции;

- номинальная нагрузка в секторе одной соты.

абонентов

Количество базовых станций eNB в проектируемой сети LTE вычислим согласно формуле:

(2.7)

Где - количество потенциальных абонентов. Количество потенциальных абонентов определим как 25% от общего числа жителей. Общее число жителей района составляет 24 500 человек. Таким образом, количество потенциальных абонентов составит 6 125 человек, тогда:

Средняя планируемая пропускная способность R_N проектируемой сети рассчитывается путем произведения количества базовых станций на среднюю пропускную способность базовых станций. Выражение примет вид:

, (2.8)

R_N = (102,9 + 54,87) 9 = 1419,93 (Мбит/с).

Теперь дадим оценку емкости проектируемой сети и сравним с рассчитанной. Определим усредненный трафик одного абонента в час наибольшей нагрузки (ЧНН):

, (2.9)

где Т_т - средний трафик одного абонента в месяц, Т_т = 15 Гбайт/мес;

q - коэффициент для сельской местности, q = 2;

N_ЧНН - число ЧНН в день, N_ЧНН = 7;

N_д - число дней в месяце, N_д = 30.

(Мбит/с)

Определим общий трафик проектируемой сети в ЧНН R_{общ./ЧНН} по формуле:

R_{общ./ЧНН} = R_тЧНН N_акт.аб, (2.10)

где N_акт.аб - число активных пользователей в сети; определим число активных абонентов в сети как 65% от общего числа потенциальных абонентов N_аб, то есть N_акт.аб = 5 573 абонентов.

R_{общ./ЧНН} = 0,14 5573 = 780,22 (Мбит/с).

Таким образом, R_N>R_{общ./ЧНН} соответственно проектируемая сеть не будет подвергаться перегрузкам в ЧНН.



2.4 Анализ радиопокрытия

...