Разработка технологии Volte

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

сотовый связь volte

Данный дипломный проект предусматривает проектирование базовой станции с технологией VoLTE, предоставляемой компанией «Tele2 Kazakhstan» в Казахстане.

В этом дипломном проекте описывается архитектура существующей сотовой сети, внедрение новых технологий и выбор оборудования на основе технологии VoLTE.

В разделе «Безопасность жизнедеятельности» рассматриваются радиационные воздействия антенн базовых станций на организм человека. Экономический раздел показывает выгодность вднедрения проекта

Введение

Возможности, которые открывают мобильные технологии сегодня, уже давно вышли за рамки голосовых услуг, создавая новые способы общения, обмена данными и бизнес-моделями. Распространение устройств привело к эскпоненциальному росту трафика в сетях по всему миру. Однако это только начало той революции, которой способствует активное развитие технологий, соединяющих общество.

Технологии продолжат свое развитие в направлении к более высокой производительности и всё большему числу возможностей. В дополнение к существующим технологиям радио-доступа, появятся новые технологии, которые позволят рещать те задачи, которые решить с помощью 3G/ 4G невозможно. Прозрачная интеграция существующих и новых технологий будет способствовать повышению качества пользовательского опыта и появлению целого ряда новых услуг. LTE - это эволюционный шаг в развитии технологий мобильной связи, также как и развитие Wi-Fi и HSPA. Даже GSM будет играть важную роль, продолжая оставаться доминирующей технологией во многих уголках земного шара и после 2020 года. Поэтому речь идет не о замене существующих технологий, а скорее об их развитии и дополнении новыми технологиями радиодоступа, предназначенными для конкретных сценариев и определенных целей.

Сохраняющаяся значительная абонентская база с терминалами, работающими только в стандарте GSM, требует продолжение работы сетей 2-ого поколения параллельно с развертыванием сетей LTE и UMTS в диапазоне 900 МГц и LTE в диапазоне 1800 МГц. В Казахстане данный этап уже активно начат с 2013 года оператором Алтел. На данный момент покрытие оператором сетью GSM, LTE, UMTS охватило всю страну, от больших городов до мелких населенных пунктов.

В данном дипломном проекте исследуется сеть оператора Tele2 в Казахстане. Потенциальными абонентами и пользователями сотовой связи и мобильным интернетом является большая половина населения.

В дипломном проекте проводится анализ и приводится обоснование необходимости организации сети сотовой связи с технологией VoLTE. Оргаизация технологии VoLTE идет с использованием оборудования компании Huawei, которое является потенциально выгодном и преимущественным для оператора сети.

• 1. Анализ технологии VoLTE(Voice Over LTE)
• 1.1 Анализ технологий на рынке телекоммуникаций
• Приобретение «Казахтелекомом» 75-процентного голосующего пакета акций АО «KCell» стало главным событием на казахстанском рынке мобильной связи и вызвало множество споров о дальнейшем развитии телекоммуникационного сегмента экономики республики. Противники сделки много говорили о том, что она ведет к монополии, а концентрация значительной части рынка в одних руках может обернуться технологическим застоем и повышением тарифов. Однако есть и противоположное мнение, основывающееся на неоспоримой тенденции: в настоящее время рынок телекоммуникаций развивается настолько быстрыми темпами, что позволить себе гонку за технологиями может либо крупная компания, обладающая значительными финансовыми ресурсами, либо альянс компаний.
• Основные факторы и мировые тренды в отрасли до 2020 года общеизвестны, их четко сформулировали ведущие аналитики телекоммуникационного рынка США и Европы:
• -это дальнейший быстрый рост мобильных телекоммуникационных услуг
• -повышение требований к интеллектуальным услугам,
• -повышение требований к их безопасности,
• -резкое увеличение доли мобильных платежей, а также многократное увеличение трафика мобильного и фиксированного интернет за счет необратимых изменений в программном обеспечении всех ИКТ устройств и бытовой техники.
• Сейчас технически невозможно получать интернет стандарта 4G в процессе звонка. Новое решение позволит во время телефонного разговора продолжать работу с интернетом, например, листать социальные сети, сайты и даже смотреть видео высокого разрешения. При этом качество голосовых звонков при использовании технологии значительно лучше.
• Организация VoLTE стало возможным благодаря масштабной модернизации сети, которую Tele2/Altel начал с 2019 года. Коммерческое внедрение VoLTE начнётся после завершения модернизации сети.
• Голосовые звонки являются важной частью систем мобильной связи. Хотя трафик данных уже затмил голосовой трафик, пользователям все еще нужны устаревшие сервисы, такие как голосовая связь и SMS.

Аббревиатура расшифровывается как Voice over LTE -- дословно «голос по LTE». При использовании VoLTE поток данных голосовой связи проходит через канал LTE (англ. Long-Term Evolution -- «долговременное развитие»), более известный среднему абоненту как 4G, благодаря которому можно пользоваться высокоскоростным мобильным интернетом. Для того чтобы организовать передачу голоса по LTE, используется технология IP Multimedia Subsystem (IMS). Таким образом, звук передается в виде мультимедийного содержимого на основе протокола IP. Впервые эту технологию продемонстрировала сингапурская компания SingTel в 2014 году. Тогда она была совместима только с одной моделью Samsung Galaxy Note 3. С этого момента технология VoLTE получила широкое распространение -- сначала в странах Азии (Южная Корея, Китай), а затем и на территории других государств. Исходя из того, как работает VoLTE, можно выделить несколько основных преимуществ ее использования. Высокое качество звука: при использовании технологии слышимость стала намного лучше, голос собеседника чище и четче, причем даже в том случае, если у вызываемого абонента телефон без поддержки VoLTE; Возможность пользоваться мобильным интернетом 4G параллельно с телефонным разговором: раньше смартфон во время звонка автоматически переключался на 3G, в результате чего нельзя было использовать возможности интернета с тем же качеством.

С VoLTE вы можете при голосовом вызове пользоваться браузером, смотреть фотографии или видео, и все это без потери скорости -- через 4G; Быстрое соединение: по описанной в предыдущем пункте причине при голосовом вызове устройство лишних две секунды тратило на переключение на стандарт 3G и только после этого совершало звонок. VoLTE позволяет произвести вызов быстрее без этого переключения. Можно не расходовать интернет-трафик: у российских операторов есть возможность пользоваться VoLTE, как обычной телефонной связью -- расходуются не мегабайты, а пакет минут.

Пользователи обычно интересуются и недостатками этой технологии. Они тоже есть. Расход заряда аккумулятора: придется чаще заряжать устройство при подключенной технологии VoLTE, так как возникает достаточно сильная нагрузка на аккумулятор. Многих интересует, зачем отключать VoLTE, и ответ заключается как раз в этом пункте -- если у вас низкий заряд батареи, лучше использовать обычную телефонную связь; Недостаточное покрытие LTE: зона 4G, где работает VoLTE, есть далеко не на всей территории России, и при потере сигнала LTE придется вручную переключаться на 3G, чтобы была возможность позвонить -- в противном случае звонок совершить не удастся.

К началу 2018 года девять стран подключились к полноценной поддержке стандарта VoLTE, среди них -- США (присоединились в 2012 году), Россия (2016), Австралия (2016), Япония (2014) и Румыния (2014). Сегодня ввести поддержку VoLTE планирует большая часть стран Европы, в частности Германия, Франция, Великобритания, Нидерланды, Италия и другие. На 2017 год технология была доступна лишь в Москве и Московской области.

Когда 3GPP (англ. 3rd Generation Partnership Project) -- консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии проектировал LTE, это придавало большое значение повышению пропускной способности данных. Целью было достижение максимальной скорости передачи данных с минимальной задержкой. У 3GPP не было требований к оформлению голосовой связи и других услуг CS, таких как SMS.

LTE - это сеть, полностью основанная на IP. Для поддержки услуг CS необходимо поддерживать передачу голоса по интернет-протоколу (VoIP). LTE достигает этого с помощью мультимедийной IP-подсистемы или IMS.

IMS не является новой для 3GPP, и впервые она была представлена в 3GPP версии 5 еще в 2000 году. 3GPP представила IMS в спецификациях версии 5 для поддержки услуг на основе IP. Но не было надлежащих инструкций, чтобы использовать его с LTE для поддержки голоса.

На момент первоначального выпуска спецификаций не было четкого голосового решения для LTE. Поэтому во время первоначального развертывания операторы использовали CS Fallback в качестве промежуточного решения.

В резервной системе CS, когда пользователь начинает голосовой вызов в сети LTE, сеть перемещает пользователя в устаревшую систему, такую как UMTS или GSM, для завершения вызова. Пользователь остается в наследстве в течение всего времени разговора. После завершения вызова сеть перемещает пользователя обратно в сеть LTE.

Рисунок 1.1 - Краткая архитектура сети

Хотя CS Fallback решает проблему голосового вызова LTE, у него есть свои недостатки. Например, если UE переходит в сеть 2G для завершения голосового вызова, он не может подключиться к Интернету. Многие сети 2G, такие как GSM, не поддерживают одновременную связь CS и PS.

Как видно на рисунке 1.1, сеть радио-доступа второго (2G, или GERAN) и третьего (3G, или UTRAN) поколений подключается как к ядру канальной коммутации (CS Core) для осуществления голосовых вызовов, так и к ядру пакетной коммутации (PS Core) для доступа к IP-сетям и для выхода в сеть Internet. Логичный вывод, который напрашивается из сказанного выше: CS Core обеспечивает голосовую связь, а PS Core предназначен для передачи данных.

Рассмотрим прохождение голосовых вызовов для сети 4G. Посмотрим на картинку и видим, что сеть радио-доступа LTE не имеет прямых подключений к CS Core. На первый взгляд, это странно, но решение есть. И частью решения является интерфейс между PS Core и CS Core, который называется SGs. (Справедливости ради нужно сказать, что и до внедрения стандарта 4G/LTE связь между канальным и пакетным ядром была возможна. Интерфейс, по которому могла осуществляться эта связь, называется Gs. Задачи, возлагавшиеся на Gs-интерфейс, заключались в комбинировании (объединении) процедур регистрации в обоих доменах, а также в обеспечении поиска устройства (paging), который осуществлялся из канального домена в пакетный. Это позволяло приостанавливать передачу данных в сети 2G и принимать голосовые вызовы.)

В сети 4G/LTE интерфейс SGs уже не является опциональным и играет важную роль. В сети LTE наше мобильное устройство работает только в пакетном домене (PS Core) и, отсюда следует, без интерфейса между PS и CS Core не обойтись.

Рассмотрим процесс осуществления голосовых вызовов, когда Ваше устройство находится в сети LTE. Не вдаваясь глубоко в технические делали, это можно объяснить так:

- входящий звонок. Поскольку телефон находится в сети LTE и не имеет возможности «слушать» сети 2G/3G, «добраться» до него можно только с использованием сети 4G. За мобильность в сети LTE отвечает сетевой элемент MME (Mobility Management Entity). Именно через это устройство по SGs интерфейсу мобильный коммутатор (MSC-S) производит поиск смартфона процедурой «paging» с индикатором того, что идет входящий звонок, сигнализируя, что телефону необходимо перейти в сеть предыдущего поколения с перерегистрацией в CS-домене и принять звонок.

- исходящий звонок. Мобильное устройство сообщает базовой станции (eNodeB), что собирается совершить исходящий звонок, тем самым запуская процесс перехода из LTE в сети предыдущего поколения.

Процесс перехода из LTE в сети предыдущего поколения для совершения голосовых вызовов называется CS Fallback (CSFB).

По завершению вызова (уже не важно входящего или исходящего) устройство вернется в сеть LTE, но c небольшим «НО». Несмотря на то, что устройству пришлось перерегистрироваться в сеть 3G (реже в 2G), передача данных, которая могла производиться до звонка, может осуществляться и одновременно с голосовым вызовом. При этом мобильное устройство не потеряет выделенный ему IP-адрес. «НО» заключается в том, что переход в сеть LTE произойдет только в ближайшую паузу в передаче данных. (Небольшое замечание про SMS. В сети LTE и входящие и исходящие SMS передаются все по тому же интерфейсу SGs и переходов между сетями различных поколений не осуществляется.)

У сети LTE, в сравнении с предыдущими поколениями сети, лучше показатели по задержкам и RTT, и она вполне приспособлена для трафика, критичного к качеству канала передачи, а именно, небуферизированного голоса и видео, что является голосовыми вызовами. Осуществление голосовых вызовов наконец-то переходит на протокол IP непосредственно с мобильного устройства.

Рассмотрим, что поменялось в архитектуре сети, что приведено на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Архитектура сети с системой IMS

В качестве ядра для поддержки голосовых вызовов сети LTE и Wi-Fi был выбран IMS. IMS (англ.IP Multimedia Subsystem) -- спецификация передачи мультимедийного содержимого в электросвязи на основе протокола IP.

Принципиальное отличие технологии 3-го поколения от предыдущих возможность обеспечить весь спектр современных услуг (передачу речи, работу в режиме коммутации каналов и коммутации пакетов взаимодействие с приложениями Internet, симметричную и асимметричную передачу информации с высоким качеством связи) и в то же время гарантировать совместимость с существующими системами.

Говоря о системах 3-го поколения, услуги принято делить на две группы:

- немультимедийные (узкополосная передача речи, низкоскоростная передача данных;

- мультимедийные (асимметричные и интерактивные услуги).

Новым качеством этих систем является также то, что они позволяют компаниям-операторам самостоятельно разрабатывать приложения, функции и услуги, ориентируясь на требования конкретного региона и рост спроса на определенные услуги. Изучение тенденций развития мультимедийной подвижной связи позволяет прогнозировать значительное увеличение числа ее пользователей. По данным LTE-форума, из 18 млн. абонентов Казахстана доля потребителей услуг связи 4-го поколения в 2019 г. В компании Tele2/Altel составит 40% (8 млн. абонентов).

К семейству 4G, как правило, относят технологии, которые позволяют передавать данные в сотовых сетях со скоростью выше 100 Мбит/сек. В широком понимании 4G - это еще и технологии беспроводной передачи интернет-данных Wi-Fi (скоростные варианты этого стандарта) и WiMAX (в теории скорость передачи информации может превышать 1 Гбит/сек). В наиболее распространенном сейчас в мире стандарте сотовой связи GSM/EDGE (2G) предел скорости передачи данных составляет, всего 240 кбит/сек [1, 2].

Главное отличие сетей четвертого поколения 4G от предыдущего, третьего, заключается в том, что эта технология полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе передачу, как голосового трафика в режиме коммутации каналов, так и пакетов данных.

Международный союз телекоммуникаций определяет технологию 4G как технологию беспроводной коммуникации, которая позволяет достичь скорости передачи данных до 1 Гбит/с в условиях движения источника или приемника и до 100 Мбит/с в условиях обмена данными между двумя мобильными устройствами. Пересылка данных в 4G осуществляется по протоколу IPv6 (IP версии 6). Это заметно облегчает работу сетей, особенно если они различных типов. Для обеспечения необходимой скорости передачи используются частоты от 2 до 40 и 60 ГГц.

Технология LTE (Long-Term Evolution) - это логическое продолжение развития сетей 3G. В среднесрочной перспективе она будет определять развитие систем сотовой связи в мире. Эта технология способна обеспечить скачкообразное (теоретически, в десятки раз) увеличение скорости передачи данных по сравнению с действующими мобильными сетями.

Внедрение LTE теоретически позволит обеспечить скорость передачи данных до 346 Мбит/с в полосе частот 20 МГц, а при использовании технологии LTE-Advanced - примерно до 1 Гбит/сек. в полосе 100 МГц. LTE полностью совместима с существующими сетями: звонок или сеанс передачи данных, инициированный в зоне покрытия LTE, технически может быть передан без разрыва в сети GSM/GPRS/EDGE, WCDMA, CDMA2000.

LTE становится главной перспективой развития телекома в мире, бизнес приоритетом и ключевым элементом стратегий развития операторов связи. Сегодня в мире превалирует мнение, что, если оператор не задумывается об LTE, он ограничивает свою жизнь на рынке.

Для VoLTE мобильное устройство должно убедиться, что сеть оператора поддерживает передачу голоса поверх IP в конкретной зоне радиопокрытия. Если это так, то смартфон пытается активировать bearer (канал связи по IP) со специальным APN-ом и со специально выделенным классом обслуживания QCI-5, который зарезервирован и оптимизирован для IMS-signaling. Данный класс обслуживания имеет более высокий приоритет по сравнению с классом обслуживания для передачи данных, которая используется для выхода в Интернет, но он, так же как и интернетовский, не требует гарантированной полосы передачи данных и менее критичен к задержкам чем для голоса и видео. По завершению процесса активации bearer-а у мобильного устройства имеется IP адрес, и сеть сообщила IP адрес P-CSCF, который уже является первым элементом ядра IMS. Именно к нему смартфон впервые обращается по протоколу SIP и осуществляет регистрацию в IMS, что приведено на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Элементы PS Core и IMS

Мобильное устройство зарегистрировались в ядре IMS и теперь может совершать голосовые вызовы, отправлять/принимать SMS.

Одной из основных отличительных особенностей мобильной VoLTE-сети от классической SIP телефонии -- это управление полосой пропускания для конкретного вида трафика. Не секрет, что при передаче голосового трафика по IP-сетям всегда есть риск потери пакетов, что пагубно сказывается на разборчивости речи. Для того чтобы обеспечить приемлемое качество, применяется технология маркировки IP-пакетов. Транспортное оборудование с «пониманием» относится к маркированным пакетам, старается не допустить их потерю и обеспечивает их приоритетную передачу hop-by-hop.

В сети мобильного оператора одним из самых дорогих ресурсов является радио-ресурс и всегда есть вероятность того, что в зоне нужной нам базовой станции (eNodeB) может его не оказаться для проключения голосового вызова, потому что все они используются для передачи данных из сети интернет.

Следует, что для регистрации мобильное устройство активировало отдельный bearer c QCI-5, который по уровню сервиса выше, чем bearer для интернет и в нем была установлена SIP-сессия с IMS Core. При установлении голосового вызова -- неважно, входящего или исходящего -- IMS-ядро через PCRF и ядро пакетной коммутации запрашивает дополнительный выделенный радио-ресурс (dedicated bearer) с гарантированным битрейтом и с QCI-1 для того, чтобы в нем и передавался RTP-поток с выбранным кодеком. Данный ресурс уже имеет самый высокий приоритет, что и обеспечивает необходимое качество речи.

Сегодня покрытие сети LTE уступает покрытию сетей предыдущих поколений. Для того чтобы разговор не прерывался в случае, если уровень сигнала сети LTE становится ниже порогового уровня, телефону придется перерегистрироваться в ядре канальной коммутации (CS Core). Для обеспечения «бесшовности» такого перехода была разработана технология SRVCC (Single Radio Voice Call Continuity).

В отличие от CS Fall Back (CSFB), который рассматривался в первой части статьи, на момент перехода из LTE в сеть предыдущего поколения, у нас уже имеется голосовой вызов, который мы и пытаемся сохранить без разрыва. В основе технологии лежит протокол GTPv2 и дополнительный интерфейс между PS Core и CS Core, который имеет название Sv. Для обеспечения работы данного интерфейса доработке подверглась CS Core, которая ранее не поддерживала протокол GTP (GPRS tunneling protocol). Схематично процесс перехода из VoLTE в CS-call показан на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Процесс перехода из VoLTE в CS-call

Преимущества и недостатки технологии.

Преимущества VoLTE:

- VoLTE позволяет не производить переключение из сети LTE в сети предыдущего поколения, что ускоряет процесс осуществления голосового вызова;

- телефон остается в LTE, и передача данных может продолжаться без снижения скорости;

- нет жестких ограничений на полосу передачи, что позволяет обеспечивать высокое качество голоса (HD-Voice);

- появляется возможность делать видео-звонки, а впоследствии и видео-конференции;

- под управлением ядра IMS имеется возможность реализовывать дополнительные услуги, такие как Push-to-Talk.

Недостатки VoLTE:

- ряд условий. У абонента должна быть поддержка LTE на смартфоне, поддержка VoLTE с прошивкой, которая подходит для работы в Казахстане, абонент должен находиться в зоне работы 4G, его домашний регион и регион, в котором он находится, должны быть с поддержкой технологии VoLTE (зависит от мобильного оператора).

- расход батареи. При слабом сигнале 4G звонки по VoLTE могут расходовать больше энергии для поддержания радиосигнала. Но разница в расходе для рядового абонента, который не разговаривает по телефону 24/7, будет абсолютно незаметна.

Функция взаимодействия между IMS сетями различных операторов связи реализуются посредством функционального модуля управления пограничным взаимодействием (Interconnection Border Control Function - IBCF) и транзитного шлюза (Transition Gateway - TrGW). Решаются следующие задачи:

Трансляция между различными версиями IP (IPv4, IPv6), используемыми на сетях операторов. В этом случае IBCF модифицирует SIP и SDP данные, позволяя пользователям, использующим различные версии IP, взаимодействовать друг с другом.

Транскодирование в ситуации, когда приложения конечных пользователей не имеют общего кодека, который может быть использован (например, транскодирование между AMR и G.722). Сервис транскодирования может быть включен проактивно (перед запросом на установку сессии к вызываемому абоненту) или реактивно (после того как сессия будет прервана вызываемым абонентом) - 3GPP TS 23.228.

Скрытие сетевой топологии. В этом случае IBCF выполняет шифрование / дешифрование всех заголовков сообщений, которые содержат информацию о топологии сети.

Фильтрация информации в SIP сообщениях. В этом случае IBCF удаляет или модифицирует некоторые SIP заголовки перед маршрутизацией сообщений в направлении сторонних сетей.

-Выбор направления.

-Генерация CDR.

-NAT/Port трансляция - TrGW выполняет модификацию IP заголовков пакетов пользовательского трафика (RTP и пр.).

Шлюз доступа IMS (IMS-AGW - Access Gateway).

В частных (например, домашних и офисных) фиксированных сетях абонентский терминал (UE) может находиться за NAT-ом и firewall-ом, установленных на сетевых устройствах, являющихся точками доступа в такие сети (customer premise equipment - CPE). При этом NAT не осуществляет модификацию / натирование информации на SIP / SDP уровнях.

Для решения данной задачи P-CSCF содержит функционал SIP ALG (application level gateway), который обеспечивает управление IMS-AGW. SIP INVITE запрос от UE с приватным IP адресом достигает P-CSCF, функционал ALG которого назначает публичный IP адрес, привязывает его к SIP сессии, выполняет NAT-ирование (замену приватных IP адресов на всех протокольных уровнях, включая IP, SIP, SDP), осуществляет его дальнейшую маршрутизацию и информирует шлюз доступа о созданной связке. При поступлении медиа потока между двумя абонентскими терминалами (UE) шлюз доступа будет осуществлять NAT-ирование RTP пакетов в/из публичного/частного адресного пространств.

Шлюз безопасности (Security Gateway - SEG).

Шлюз безопасности размещается на границе доменной зоны оператора и обеспечивает его защиту. Весь междоменный трафик должен в обязательном порядке проходить через SEG. SEG обеспечивает конфиденциальность, контроль целостности данных (data integrity) и аутентификацию в соответствии с 3GPP TS 33.203.

1.2 Функции тарификации

Необходимая для тарификации информация собирается функциями тарификации различных модулей IMS из SIP запроса. При этом возможна online тарификация (в этом случае функция тарификации запрашивает разрешение у биллинговой системы на обработку SIP запроса) и offline тарификация (в этом случае функция тарификации всегда позволяет обработку SIP запроса, отправляя собранную тарификационную информацию в биллинговую систему для формирования CDR записей).

В зависимости от конфигурации IMS возможны различные схемы тарификации различных сервисов. При этом управление логикой тарификации осуществляется на основе срабатывания тех или иных триггеров. Триггерами могут быть:

- запросы создания, модификации и терминации сессии (sessionbased charging);

- любая SIP транзакция, например, MESSAGE, PUBLISH, SUBSCRIBE (eventbased charging);

- определенные SIP заголовки и SDP информация.

Функция PCC политик и правил тарификации (Policy and Charging Rule Function - PCRF).

PCRF отвечает за формирование политик качества и управление тарификацией, основываясь на сессионной информации, полученной из P-CSCF.

Установление сессии в IMS обеспечивается обменом сигнальными сообщениями, используя SIP и SDP, включая согласование медиа характеристик (кодеков, IP адресов, номеров портов). Если оператор использует на своей сети PCRF, P-CSCF переправляет ему необходимую SDP информацию, на основании которой он создает политики и правила тарификации, а также авторизует IP потоки соответствующих медиа компонентов, перетаскивая данные SDP на IP QoS параметры для шлюза сети доступа, например, P-GW/PCEF.

Основываясь на доступной информации, PCRF применяет сформированные PCC политики и правила тарификации на шлюзе сети доступа (P-GW/PCEF), создает и модифицирует виртуальные соединения для переноса медиа-трафика (EPS bearer). В дополнение, PCRF принимает события с транспортного уровня, например, при потере радио-соединения, информируя об этих событиях P-CSCF, который в использует полученную информацию при формировании тарификационных данных и закрытии IMS сессии от имени пользователя.

Кроме того, PCRF может использоваться для обмена тарификационными идентификаторами, которые позволяют оператору коррелировать CDR, сгенерированные сетью доступа и сетью IMS; доставлять в сеть доступа метод тарификации (длительность, объем); информацию rating group; команды активации on-line/off-line тарификации; адреса on-line/off-line систем тарификации; требуемый уровень отчетности, базирующийся на сервисе и rating-group.

1.3 Наиболее заметные различия между технологями

Наиболее заметные различия между LTE и его предшественниками - это изменения в частоте и использовании полосы пропускания. В 3G полоса 2100 МГц была основной глобальной частотой, с опцией 900 МГц для более дальнего покрытия. Есть еще много диапазонов 4G LTE, использование которых будет варьироваться в зависимости от вашей страны и даже вашего конкретного оператора. Популярный спектр включает в себя полосы 800, 1800 и 2600 МГц, причем 700, 1900 и 2300 также используются несколькими несущими.

В 4G LTE эти частоты делятся на дуплексирование с частотным разделением (FDD) и дуплексирование с временным разделением (TDD). Спектру FDD требуется пара полос, одна для восходящей линии связи и одна для нисходящей линии связи. TDD использует одну полосу в качестве восходящей линии связи и нисходящей линии связи на одной частоте, но вместо этого они разделены по времени. Имеется 31 пара полос LTE, которые работают между 452 МГц и 3600 МГц, и еще 12 полос TDD в диапазоне от 703 МГц до 3800 МГц. Более высокие частоты обеспечивают более быструю передачу в населенных пунктах, в то время как более низкие частоты предлагают дополнительное расстояние покрытия, но более ограниченную полосу пропускания. Эти полосы обычно предлагают полосу пропускания от 10 до 20 МГц для передачи данных, хотя они также обычно делятся на более мелкие фрагменты 1,4, 3 и 5 МГц.

FDD - это вариация LTE, которая регулярно наблюдается на рынках Северной Америки, Европы и некоторых стран Азии. TDD был внедрен в Китае и Индии, поскольку более широкая полоса пропускания позволяет увеличить число пользователей на МГц.

LTE использует две разные радиолинии для нисходящей линии связи и восходящей линии связи - от вышки к устройству и наоборот. Для нисходящей линии связи LTE использует OFDMA (множественный доступ с ортогональным частотным разделением), который требует MIMO. MIMO, что означает множественный вход и множественный выход, использует две или более антенны для значительного уменьшения задержки и повышения скорости в пределах данного канала. Стандартный LTE может вместить до 4х4 устройств (первая цифра - количество передающих антенн, а вторая - количество приемных антенн). Для восходящей линии связи (от устройства к вышке) LTE использует сигнал SC-FDMA (множественный доступ с частотным разделением с одной несущей). SC-FDMA лучше подходит для восходящей линии связи, поскольку имеет лучшее отношение пиковой к средней мощности.

4G LTE обеспечивает больше полос спектра для обеспечения большей полосы пропускания, чем 3G. Это приводит к более высокой скорости передачи данных и лучшему качеству соединений, чем у предыдущих поколений.

LTE Advanced

Стандартный 4G LTE сейчас устарел. Современные сети 4G основаны на технологии LTE-Advanced. Как следует из названия, LTE-Advanced - это просто усовершенствованная версия текущей возможности подключения LTE, использующая различные дополнительные методы для подтверждения «продвинутого» имени. Новые функции, введенные в LTE-Advanced, включают агрегацию несущих (CA), лучшее использование существующих многоантенных методов (MIMO) и поддержку узлов ретрансляции. Все они предназначены для повышения стабильности, пропускной способности и скорости сетей и соединений LTE.

Агрегация несущих - ключ к более быстрой передаче данных с помощью LTE-Advanced.

Ключом к более быстрым данным через LTE-Advanced является введение 8 Ч 8 MIMO в нисходящей линии связи и 4 Ч 4 в восходящей линии связи, что позволяет объединять несколько полос несущих для улучшения уровня сигнала и ширины полосы. Агрегация несущих отправляет и принимает данные в нескольких диапазонах, увеличивая пропускную способность для более высоких скоростей. Каждая полоса LTE имеет ширину полосы 1,4, 3, 5, 10, 15 или 20 МГц, что дает нам максимальную ширину полосы 100 МГц с пятью объединенными. Хотя это будет зависеть от пропускной способности, доступной в вашем регионе.

LTE-Advanced Pro / Gigabit LTE предлагают агрегацию несущих до 32 компонентных несущих. Теоретически они обеспечивают максимальную скорость загрузки примерно 3,3 Гбит/с и 1,5 Гбит/с. Однако аппаратный модем, установленный в смартфоне, возможно, не так быстр, и покрытие сети, конечно, еще недостаточно для того, чтобы соответствовать этим критериям.

Другая важная часть модуляция (QAM). Эта техника, по сути, встраивает больше битов информации в сигнал, передаваемый с вышки на устройство. Более высокий QAM доставляет больше информации в сигнале и, следовательно, увеличивает скорость. Так же, как 64QAM используется в LTE-A, но сети LTE-Advanced от Verizon, T-Mobile и других также используют 256QAM. Эта конкретная версия QAM значительно увеличивает пропускную способность и, как и массивный MIMO, является еще одной фундаментальной технологией, используемой в 5G. Фактически, Qualcomm говорит, что 256QAM повышает скорость загрузки на 33 процента по сравнению с 64QAM.

Скорость LTE

4G быстрее скорость загрузки. Тем не менее, качество и скорость вашего соединения будет зависеть от количества пользователей и уровня сигнала. Согласно последним исследованиям OpenSignal, большинство сетей LTE обеспечивают скорость загрузки от 10 до 20 Мбит/с. Самые быстрые страны 4G LTE имеют скорость загрузки в среднем до 50 Мбит/с, хотя для большинства потребителей это все еще редкость.

Для сравнения, старые сети 3G могут довольно сильно различаться по своим фактическим результатам. Максимальная скорость загрузки HSPA-сетей составляет около 14 Мбит/с и 6 Мбит/с, но они редко приближаются к этому. Как правило, хорошая сеть LTE по крайней мере в 5-10 раз быстрее, чем лучшее покрытие 3G, где приведена архитектура сети LTE на рисунке 1.5

Рисунок 1.5 - Общая архитектура сети LTE

1.4 Обоснование необходимости обновления сети сотовой связи

VoLTE относится к тому, о чем действительно должны заботиться беспроводные клиенты, и, возможно, они это оценят: более качественные голосовые вызовы; возможность использовать голос и данные одновременно; и более высокая эффективность сети, что приводит к лучшему обслуживанию.

Проще говоря, VoLTE - это способ маршрутизации голосового трафика по сетям 4G LTE, которые операторы используют для передачи данных.

Одновременные голосовые и информационные звонки

Голосовые звонки лучшего качества.

VoLTE поддерживает так называемые голосовые вызовы высокой четкости (HD). Трудно количественно оценить более высокое качество этих вызовов, но они являются значительным улучшением по сравнению с традиционными вызовами, осуществляемыми через сотовые сети. Чтобы сделать голосовой вызов HD, вам необходимо использовать телефон, который поддерживает VoLTE, в зоне обслуживания 4G LTE, и абонент на другом конце также должен отвечать тем же требованиям.

Нет увеличения голосовых сборов.

Поскольку HD-вызов использует сеть передачи данных, вы можете предположить, что ваши минуты HD-голоса влияют на выделение данных. Сети более прогрессивны, чтобы идентифицировать голосовые пакеты, и они не смешивают их с использованием ваших данных.

Verizon и T-Mobile развернули VoLTE на национальном уровне, но не все их башни оборудованы для его поддержки. AT & T развернул услугу VoLTE только на ограниченном количестве рынков - в основном на верхнем Среднем Западе, согласно его веб-сайту, - и оператор не сказал, когда он расширит услугу. Спринт еще не предлагает VoLTE.

Конечная цель операторов сетей, развертывающих LTE, - заменить все остальное, что у них есть. Это означает, что должна стать возможность обрабатывать голосовые вызовы, текстовые сообщения, сетевые оповещения и т. д. по сети передачи данных. Однако никто не разработал спецификацию LTE с учетом голосовых и текстовых сообщений. Он был разработан как сеть передачи данных. Разрабатывая решение VoIP, которое соответствует их потребностям. Появились два основных стандарта: VoLGA (передача голоса по LTE через общий доступ) и VoLTE-IMS (передача голоса по LTE через IMS). VoLGA была основана на GAN (сеть общего доступа), которая также известна как UMA (нелицензированный мобильный доступ). Deutsche Telekom был единственным оператором сети, который хотел использовать этот метод, так как дизайн VoLGA был в значительной степени основан на реализации UMA компанией T-Mobile в США для функции WiFi Calling.

Все остальные поддерживали VoLTE-IMS (в настоящее время называемый VoLTE), что позволило им полностью отказаться от своих старых сетей и упростить их дизайн, поскольку они списали устаревшие сети. Однако IMS намного дороже и сложнее в развертывании, чем VoLGA, по крайней мере для операторов сетей GSM. IMS может использоваться для видеосвязи в режиме реального времени со всеми возможными дополнительными функциями. И так, Deutsche Telekom отказался от VoLGA и присоединился ко всем остальным в поддержке VoLTE.

VoLTE использует расширенный вариант SIP (протокол инициации сеанса) для обработки голосовых вызовов и текстовых сообщений. Для голосовых вызовов VoLTE использует кодек AMR (Adaptive Multi-Rate) с широкополосной версией, если она поддерживается в сети и на устройстве. Кодек AMR давно используется в качестве стандартного кодека для голосовых вызовов GSM и UMTS. Широкополосная версия поддерживает кодирование речи более высокого качества, что позволяет делать более четкие голосовые вызовы. Текстовые сообщения поддерживаются с помощью запросов SIP MESSAGE. Видеовызовы используют H.264 CBP (ограниченный базовый профиль) с аудиокодеком AMR-WB через RTP (транспортный протокол реального времени) с VBR (переменная скорость передачи в битах). При этом видеовызовы через IMS должны быть очень высокого качества, независимо от качества передачи данных. С VBR вызов может адаптироваться к изменяющимся уровням перегрузки сети передачи данных, чтобы поддерживать качество видеовызова.

Первоначальные реализации VoLTE явно показывали гораздо меньшее время автономной работы, но это в значительной степени решено в настоящее время. После приобретения MetroPCS компания T-Mobile реконфигурировала свои две сети для широкого развертывания услуги LTE и завершения работы службы CDMA, унаследованной от MetroPCS. В конце лета 2014 года T-Mobile запустил VoLTE и сделал его доступным по всей стране вскоре после запуска. Поскольку оно основано на их решении для звонков через WiFi, оно способно поддерживать бесшовную передачу обслуживания от WiFi к LTE и обратно для голосовых вызовов, чего еще никто не делал.

Настройка устройства для использования VoLTE требует много настроек, больше, чем может обеспечить SIM-карта. Следовательно, только устройства под брендом оператора пока поддерживают VoLTE. Некоторые устройства без бренда могут в конечном итоге быть предварительно загружены информацией о конфигурации VoLTE для выбранного оператора, но это будет скорее исключением, чем правилом.

1.5 Техническое задание

Тема дипломного проекта «Организация технологии VoLTE (Voice over LTE) в Казахстане с компанией Tele2 Kazakhstan» - это актуальная тема и главным преимуществом является качество звонка: чистота голоса, отсутствие или минимальное количество посторонних шумов.

Далее будет выполнено:

- рассмотрена существующая сеть оператора Tele2 Kazakhstan, где Сеть оператора Tele2 Kazakhstan (Altel и Tele2) далее ТОО МТС (Мобайл Телеком-Сервис) основана на работе 7395 базовых станций, работающих на стандартах GSM/UMTS и LTE.

- разработана VoLTE сеть оператора Tele2 Kazakhstan, где для реализации технологии VoLTE стало возможным благодаря масштабной модернизации сети, которую Tele2/Altel начал с 2019 года. Коммерческое внедрение VoLTE начнётся после завершения модернизации сети.

Голосовые звонки являются важной частью систем мобильной связи.

- описано необходимое оборудование. Оборудование Huawei позволяет операторам максимально увеличить свои основные активы, включая сайты, спектр, пользователей, персонал и линию трубопроводов, путем преобразования различных технических режимов в функциях RAN. Оборудование перед установкой проходит тщательную проверку на соответствие казахстанским, европейским и международным стандартам качества уполномоченными органами, только после чего проводится его монтаж.

- рассчитано ;страниц 15

- разработаны вопросы безопасности жизнедеятельности, где перед вводом в эксплуатацию каждое оборудования сотовой связи проверяется органами санэпидемслужбы, по итогам которой выдается разрешительный документ. Далее такая проверка оборудования на соответствие нормам безопасности проводится на ежегодной основе. Одним из основных способов защиты от поражающих факторов ЧС является своевременная эвакуация и рассредоточение персонала объектов и населения из опасных районов и зон бедствий

- разработан бизнес-план.

Отрасль телекоммуникаций, является составной частью современной мировой экономики. Однако ее роль существенно отличается от влияния других секторов экономики на общие темпы развития человеческой цивилизации.

Отрасль телекоммуникаций состоит из совокупности сетей телекоммуникаций и служб, осуществляющих передачу информации и реализующих услуги телекоммуникаций потребителям.

Сеть телекоммуникаций - технологические системы, обеспечивающие один или несколько видов передач, телефонную, телеграфную, факсимильную, передачу данных и других видов документальных сообщений, телевизионные, звуковые и иные виды радио- и проводного вещания.

2. Выбор оборудования при организации технологи VoLTE

2.1 Существующая архитектура сети для внедрения технологии

Сеть оператора Tele2 Kazakhstan (Altel и Tele2) далее ТОО МТС (Мобайл Телеком-Сервис) основана на работе 7395 базовых станций, работающих на стандартах GSM/UMTS и LTE.

Покрытие страны сетью сотовой связи, мобильной связи четвертого поколения 4G для внедрения новой технологии VoLTE от компании МТС на данный момент достаточно, что проиллюстрировано на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Покрытие сети LTE оператора Tele2 на примере Алматинской области

Структурная сеть GSM делится на две основные системы: система базовых станций (BSS) и система коммутации (SS).

В состав BSS входит BTS (Base Transceiver Station) - базовая приемопередающая станция BSC (Base Station Controller) - контроллер базовой станции, Контроллер BSC осуществляет конфигурацию и управление группой базовых станций. Он отвечает за распределение радиоканалов, контроль соединений, работу в режиме скачков по частоте, сбор данных о конфигурации сот, хэндовер. Естественно, что это далеко не все задачи, возлагаемые на контроллер. Фундаментальным, можно сказать, компонентом сети GSM и системы BSS, в частности, является приемопередающая базовая станция. BTS выполняет функции управления радиоинтерфейсом с мобильной станцией (MS). Базовая станция это, по сути, комплекс приемопередатчиков и антенн, осуществляющих обслуживание определенной соты. Система базовых станций через транскодер TCE передает информацию в систему коммутации SS, которая находится в г. Алматы (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Архитектура сети GSM города

Система коммутации состоит из:

- MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи;

- HLR (Home Location Register) - «домашний» регистр положения;

- VLR (Visit Location Register) - «гостевой» регистр положения;

- EIR (Equipment Identify Register) - идентификационный регистр оборудования;

Сеть LTE состоит из двух важнейших компонентов: сети радиодоступа E-UTRAN и базовой сети SAE(System Architecture Evolution) или EPC (Evolved Packet Core Network) (рисунок 2.3).

Основным достижением такой архитектуры, по сравнению с предыдущими поколениями являются меньшие задержки при передаче как пользовательских данных, так и управляющей информации в связи с прохождением через меньшее число промежуточных элементов [10].

Обмен данными в сети EPC происходит только по IP протоколу с коммутацией пакетов, что существенно отличает сеть LTE от сетей предыдущих поколений, в которых использовалась коммутация каналов между отдельными элементами. В данную сеть входят элементы, отвечающие за управление, маршрутизацию, коммутацию и хранение различных данных, о которых далее будет рассказано более подробно.

Рисунок 2.3 - Структура сети LTE

Структура сети LTE приведена на рисунке 2.3 Ядро сети EPC (Evolved Packet Core) состоит из обслуживающего шлюза S-GW (Serving Gateway), шлюза для выхода на пакетные сети P-GW (Packet Data Network Gateway), структуры управления по протоколу Mobility Management MME (Mobility Management Entity), связанной с S-GW и eNodeB сигнальными интерфейсами.

Функции eNodeB (Evolved NodeB).

eNodeB объединяет в себе функции базовых станций и контроллеров сетей 3-го поколения:

- обеспечивает передачу трафика и сигнализации по радиоканалу;

- управляет распределением радиоресурсов;

- обеспечивает сквозной канал трафика к S-GW;

- поддерживает синхронизацию передач и контролирует уровень помех в соте;

- обеспечивает шифрацию и целостность передачи по радиоканалу;

- выбирает MME и организует сигнальный обмен с ним;

- производит сжатие заголовков IP-пакетов;

- поддерживает услуги мультимедийного вещания;

- при использовании структуры с усилителями мощности на антенной мачте организует управление антеннами по специальному интерфейсу Iuant.

Интерфейс S1 - поддерживает передачу данных с S-GW и сигнализации через ММЕ. Отметим, что eNB может иметь соединения с несколькими S-GW.

Интерфейсы X2 - используют для организации хэндоверов между соседними базовыми станциями, в том числе и при балансировке нагрузки между ними. При этом интерфейсы Х2 могут быть логическими, т.е. для их организации не обязательно реальное физическое соединение между eNB.

Функции обслуживающего шлюза S-GW:

- маршрутизация передаваемых пакетов данных,

- установка качественных показателей (QualityofService, QoS) предоставляемых услуг,

- буферизация пакетов для UE, пребывающих в состоянии Idle Mode,

- предоставление учетных данных для тарификации и оплаты выполненных услуг.

S-GW является якорной структурой, обеспечивающей мобильность абонентов. Каждую работающую UE обслуживает определенный S-GW. Теоретически UE может быть связана с несколькими пакетными сетями; тогда ее будут обслуживать несколько серверов S-GW.

S-GW отвечает за выполнение следующих функций:

- выбор точки привязки (“якоря”) локального местоположения (local mobility anchor) при хэндовере;

- буферизация пакетов данных в нисходящем направлении, предназначенных для ue, находящихся в режиме ожидания, и инициализация процедуры запроса услуги;

- санкционированный перехват пользовательской информации;

- маршрутизация и перенаправление пакетов данных;

- отправляет различные события в pcrf (начало соединения, завершение соединения);

- формирование учётных записей пользователей и идентификатора класса качества обслуживания для тарификации;

- тарификация абонентов.

Функции P-GW (Packet Data Network Gateway).

Шлюз для выхода на пакетные сети P-GW организует точку доступа к внешним IP-сетям. Соответственно P-GW является якорным шлюзом для обеспечения трафика. Если абонент имеет статический IP-адрес, то P-GW его активизирует. В случае, если абонент должен получить на время сеанса связи динамический IP-адрес, P-GW запрашивает его с сервера DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) или сам выполняет необходимые функции DHCP, после чего обеспечивает доставку IP-адреса абоненту. В состав P-GW входит PCEF (Policy and Charging Enforcement Function), который входит обеспечивает качественные характеристики услуг на внешнем соединении через интерфейс Sgi и фильтрацию пакетов данных. При обслуживании абонента в домашней сети функции P-GW и S-GW могут выполнять как два разных, так и одно устройство. Интерфейс S5 представляет собой туннельное соединение GPRS или Proxy Mobile Ipv6. Если P-GW и S-GW находятся в разных сетях (например, при обслуживании абонента в роуминге), то интерфейс S5 заменяют интерфейсом S8.

P-GW обеспечивает выполнение следующих функций:

- фильтрация пользовательских пакетов;

- санкционированный перехват пользовательской информации;

- распределение IP-адресов для ue;

- маркировка пакетов транспортного уровня в нисходящем направлении;

- тарификация услуг, их селекция.

Функции MME (Mobility Management Entity).

Управляющий блок ММЕ прежде всего поддерживает выполнение процедур протокола Mobility Management: обеспечение безопасности работы в сети при подключении UE и выбор S-GW, P-GW. ММЕ связан с HSS своей сети посредством интерфейса S6a. Интерфейс S10, соединяющий различные ММЕ, позволяет обслуживать UE при перемещениях абонента, а также при его нахождении в роуминге.

Функции PCRF.

Policy and Charging Resource Function (PCRF) по сути представляет собой управляющий сервер, обеспечивающий централизованное управление ресурсами сети, учет и тарификацию предоставляемых услуг. Как только появляется запрос на новое активное соединение, эта информация поступает на PCRF. Он оценивает имеющиеся в его распоряжении ресурсы сети и направляет в PCEF шлюза P-GW команды, устанавливающие требования к качеству услуг и к их тарификации.

Управление качеством включает в себя непрерывный мониторинг и поддержание заданных абонентскими параметрами характеристик качества предоставления услуг (QoS) причем не только для голосовых соединений, но и для пакетных сессий. Charging Function (управление начислением платы) обязательно предусматривает on-line тарификацию, т.е. абонент и оператор могут в реальном времени отслеживать состояние счета. PCRF должен поддерживать несколько моделей начисления платы: по предоставленному объему услуг, по затраченному на услугу времени, по факту предоставления услуги, а также комбинированные модели [12].

PCRF должен выполнять указанные выше функции даже когда абонент находятся за пределами операторской сети.

HSS (Home Subscriber Server -- сервер абонентских данных сети) - представляет собой большую базу данных и предназначен для хранения данных об абонентах. HSS фактически заменяет набор регистров (VLR, HLR, AUC, EIR), которые использовались в сетях 2G и 3G.

HSS служит для хранения следующей информации:

- пользовательских идентификаторов, номеров и адресной информации;

- данные безопасности абонентов: информация для контроля доступа в сеть, аутентификации и авторизации;

- информация о местоположении абонента на межсетевом уровне, т.е. если даже абонент покинет текущую сеть lte оператора, то в hss сохранится информация о том в какую сеть он перешел для его поиска в случае входящего звонка;

- информация о профиле абонента;

- генерирует данные, необходимые для осуществления процедур шифрования, аутентификации и т.п.;

- сеть LTE может включать один или несколько HSS. количество HSS зависит от географической структуры сети и числа абонентов [12].

Схема существующей сети оператора Tele2, приведена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Существующая сеть оператора Tele2

Рисунок 2.5 Расположение серверов по стране

Для реализации самой технологии, потребуется рассмотреть существующую сеть и создать оптимальную связку с системой IMS, пример на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - Связка IMS с EPC

EPC имеет три основных функциональных элемента.

Первый из них - организация по управлению мобильными ресурсами (MME). MME является самой контрольной точкой в EPC и отвечает за большинство функций плоскости управления.

Вторым в списке является serving Gateway (S-GW). Все IP-пакеты в uplink и downlink протекают через S-GW. S-GW также отвечает за обработку передачи.

...