Принцип работы сотовой связи для чайников. Принцип работы сотовой связи: как устроена мобильная сеть — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работает сотовая связь. Из каких компонентов состоит мобильная сеть. Как происходит передача сигнала от телефона к базовой станции. Почему сеть называется сотовой. Какие проблемы могут возникать при использовании мобильной связи.

Содержание

Основные компоненты сотовой сети

Сотовая связь работает на основе радиоволн, которые передаются между мобильным телефоном пользователя и базовыми станциями оператора. Основными компонентами сотовой сети являются:

Базовые станции (БС) — принимают и передают радиосигналы мобильных устройств
Контроллеры базовых станций (BSC) — управляют работой группы БС
Коммутаторы (MSC) — осуществляют маршрутизацию вызовов
Регистры местоположения (HLR/VLR) — хранят информацию об абонентах
Центр управления сетью — контролирует работу всей системы

Как происходит соединение при звонке

Когда абонент совершает звонок, происходит следующая последовательность действий:

Телефон связывается с ближайшей базовой станцией по служебному каналу

БС запрашивает у контроллера выделение голосового канала
Контроллер передает запрос на коммутатор
Коммутатор определяет местоположение вызываемого абонента
Сигнал передается на соответствующую базовую станцию
БС устанавливает соединение с телефоном вызываемого абонента

Весь этот процесс занимает доли секунды. Во время разговора телефон может переключаться между базовыми станциями для обеспечения стабильной связи.

Почему сеть называется сотовой

Название «сотовая» связь получила из-за принципа расположения базовых станций. Зона покрытия каждой БС представляет собой условный шестиугольник — соту. Множество таких сот образуют единую сеть покрытия. Это позволяет:

Эффективно использовать частотный ресурс
Обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента
Увеличивать емкость сети за счет деления сот

Радиус действия одной соты в городе обычно составляет 0,5-2 км, а за городом может достигать 35 км.

Как базовые станции обмениваются данными

Для обмена данными между базовыми станциями и другими элементами сети используются:

Радиорелейные линии — передача сигнала по воздуху направленными антеннами
Оптоволоконные линии связи — передача по оптическим кабелям
Спутниковые каналы — для удаленных и труднодоступных районов

Выбор способа зависит от местности, расстояния и требуемой пропускной способности. Современные сети используют комбинацию различных типов соединений.

Частотные диапазоны сотовой связи

Сотовые сети работают в нескольких частотных диапазонах:

900 МГц — большой радиус действия, хорошее проникновение в здания
1800 МГц — меньший радиус, но выше емкость сети
2100 МГц — используется для сетей 3G

2600 МГц — для сетей LTE

Более низкие частоты обеспечивают лучшее покрытие, а высокие — большую скорость передачи данных. Операторы комбинируют разные диапазоны для оптимального баланса покрытия и емкости.

Возможные проблемы со связью

При использовании сотовой связи могут возникать различные проблемы:

Перегрузка сети в часы пик
Недостаточное покрытие в отдаленных районах
Помехи от зданий и рельефа местности
Разрывы связи при переключении между базовыми станциями
Интерференция сигналов соседних БС

Операторы постоянно работают над улучшением качества связи, устанавливая дополнительные базовые станции и оптимизируя настройки сети.

Контроль качества связи

Для обеспечения стабильной работы сети операторы используют различные методы контроля:

Мониторинг загрузки базовых станций и коммутаторов
Анализ статистики вызовов и трафика
Измерение уровня сигнала специальными автомобилями

Обработка жалоб абонентов на качество связи
Тестовые звонки с разных участков покрытия

Это позволяет оперативно выявлять проблемные участки сети и принимать меры по улучшению качества обслуживания.

Особенности связи в метро

Организация сотовой связи в метрополитене имеет ряд особенностей:

Использование маломощных базовых станций
Применение излучающего кабеля для покрытия тоннелей
Установка репитеров для усиления сигнала
Частая смена обслуживающих базовых станций

Благодаря этим решениям удается обеспечить стабильную связь даже в подземных условиях. Однако в некоторых участках тоннелей по-прежнему могут наблюдаться проблемы с приемом сигнала.

Перспективы развития сотовых сетей

Технологии сотовой связи продолжают активно развиваться. Основные направления развития:

Внедрение сетей 5G с ультравысокими скоростями

Увеличение емкости сетей за счет новых частотных диапазонов
Применение малых сот для локального усиления покрытия
Развитие технологий IoT для подключения множества устройств
Интеграция с другими беспроводными технологиями

Это позволит обеспечить еще более быструю и надежную связь, а также создать инфраструктуру для новых сервисов и приложений.

Как работает сотовая связь — Журнал «Код»

Пятница, братья и сестры, а по пятницам у нас подкаст с конспектом. Подкаст «Запуск завтра» выходит при поддержке Практикума, а мы тоже выходим при поддержке Практикума, поэтому синергия. Сегодня говорим об устройстве сотовой связи. Слушайте подкаст, если есть время, а если нет — читайте основные мысли ниже.

О герое

Герой выпуска — Александр Чемерис, сотрудник компании YADRO. Руководил стартапом Fairwaves, где делал оборудование для сотовых операторов, обеспечивал связью африканские деревни и штат Оахака в Мексике.

Как Александр попал в мир сотовой связи

Я начал заниматься сотовой связью через софт. Писал диплом по коммуникациям Voice over IP (VoIP). Это возможность говорить голосом через интернет, например как в Skype или Telegram. Потом появился опенсорсный проект Open BTS, который, с помощью VoIP и железа под названием Software-Defined Radio позволял сделать сотовую станцию. Мы с приятелем подумали: «Это же прикольно!». Купили такую карточку и попробовали это дело запустить. Так я из софта перешёл в сотовую связь.

Оказалось, что сотовая связь — это отдельный мир, который можно изучать годами. Ты в него погружаешься, а потом раз — и десять лет прошло.

Как устроена сотовая связь

Она работает на радиоволнах. Вот как мы голосом говорим — и голос распространяется по воздуху на расстоянии. У радиоволн похожий принцип, но распространяются они гораздо дальше, воздух им не мешает. Ушами мы радиоволны слышать не можем, но в телефонах есть специальные антенны, которые умеют воспринимать эти колебания.

Почему по сотовому мы можем говорить одновременно

ТВ-вещание либо радиовещание — это симплексная связь, то есть односторонняя. Один источник сигнала облучает какую-то местность, и все приёмники в этой местности «слышат» этот сигнал.

Сотовая связь — это дуплексная связь, двусторонняя. В сотовой связи есть «канал вверх» и «канал вниз», они так и называются — uplink и downlink. Вниз — это канал к абоненту, потому что вышка обычно выше него, а вверх, соответственно, от абонента туда, наверх, в сторону вышки.

Два самых популярных способа разделения — это frequency division duplex и time division duplex, FDD и TDD соответственно. Классическая сотовая связь построена на FDD, когда у тебя на одной частоте телефон принимает, а на другой передаёт. То есть у тебя словно два радио на разных частотах: по одному ты передаёшь сигнал, по другому — передаёт вышка.

TDD — это то, что мы сейчас делаем. Пока я говорю, ты молчишь, когда ты говоришь, я молчу. Когда все начинают говорить одновременно, происходит интерференция — становится плохо слышно, у тебя начинает квакать телефон.

Стандартный TDD в сотовой связи построен на фреймах, где длина одного фрейма в 4G — 10 миллисекунд, в 5G — до одной миллисекунды. Дальше 10 миллисекунд разбиваются на uplink и downlink, ты 5 миллисекунд говоришь и 5 миллисекунд слушаешь. Это настолько мало, что тебе кажется: ты в любой момент можешь начать говорить, не надо ждать собеседника.

Какие железки отвечают за передачу сигнала

Исключая абонентские устройства, сеть состоит из трёх компонентов: софт у оператора, базовые станции на вышках и связь между ними — транспортная сеть, или бэкхолл.

Вышка обычно подключена к мощному источнику электроэнергии. У неё большие антенны, которые усиливают сигнал. Ты физически не можешь носить телефон, у которого антенна два метра, поэтому антенна на вышке всегда большая. Если сравнить мощность излучения, то у телефона она намного меньше, чем у вышки. Это отчасти связано с какими-то медицинскими нормами, но на самом деле просто экономически невыгодно делать телефон, который будет передавать мощный сигнал: у него будет быстро садиться батарейка.

Роль вышки — передать и принять сигнал с телефона. Причём сделать это качественно и так, чтобы телефон садился не за два часа, а за пару дней хотя бы. Вышка — это физическое устройство, которое ты видишь на улице, а есть базовая станция — это то, что находится на вышке. Если поставить одну такую базовую станцию в центре деревни, то у всех людей нормально будут работать телефоны, которые находятся в зоне доступа. А если навтыкать вышки рядом друг с другом, то начнутся проблемы со связью.

Почему сеть называется «сотовая»

Потому что у тебя вышки натыканы как медовые соты, а вокруг базовой станции зона приёма словно шестиугольник.

Есть целая наука и отдельные люди, которые занимаются радиопланированием. Они делают, так чтобы базовые станции друг другу не мешали и всё это хорошо работало. Говоря математически, если у тебя сотовые вышки передают с одинаковой мощностью, то оптимальное распределение этих вышек будет такое, что каждая стоит в центре шестиугольника. Если ты построишь изолинии равной мощности, то там, где мощность одной вышки падает настолько, что мощность второй вышки начинает вырастать, ты увидишь, что изолинии образуют шестиугольник. Это действительно так физически устроено и выглядит как соты.

Сейчас всё сложнее. Появились макростанции, пикостанции, маленькие станции, зонтичные станции, фемтостанции, которые можно дома поставить.

«Прогресс дошёл до того, что базовые станции учатся договариваться между собой, кто когда передаёт. Условно говоря, маленькая базовая станция, фемтосота, у тебя в квартире в какой-то момент может сказать большой сотовой станции, которая стоит за окном: „Слушай, я буду передавать вот в такое время, вот на такой частоте, ты помолчи. В мою сторону не свети, я тут сейчас дело сделаю, а потом продолжишь“».

Кому принадлежат вышки

Не хочу углубляться в эту тему, это целая отдельная индустрия башенных компаний. Они продают то, что по-английски называется vertical real estate. По-русски это будет «вертикальная жилплощадь». Есть целое понятие — BTS Hotel, то есть отель базовых станций. Ставишь такую вышку, а дальше сдаёшь в ней номера.

В России по закону базовая станция должна принадлежать мобильному оператору, иначе её не разрешат вывести в эфир. Но бывает и по-другому. Например, Tinkoff Mobile — это виртуальный мобильный оператор. У него есть бренд, но нет своих базовых станций, то есть он с кем-то договорился. А настоящий мобильный оператор — это компания, которая владеет лицензией на частоты. Диапазон частот делится на маленькие кусочки и продаётся по частям за бешеные деньги разным операторам связи.

«В связи с появлением 5G в Америке был крупный аукцион, где платили десятки миллиардов долларов за право работать на определённых частотах. В России аукцион частот — такой же способ заработать денег для государства. Можно собирать налоги, а можно продавать частоты».

Кто помимо государства в России владеет частотами

Из федеральных операторов, которые присутствуют в подавляющем большинстве регионов России, «большая четвёрка»: «МегаФон», «МТС», «Билайн» — он же VEON, и «Ростелеком» — он же «Теле2». Осталось несколько мелких региональных операторов, остальных выкупили крупные московские и питерские компании.

В чём отличие 1G от 5G

G — это Generation, «поколение». Новое поколение сотовой связи появляется примерно раз в десять лет. Нужно всё стандартизировать, изготовить оборудование, развернуть его и получить частоты. Это длительная процедура.

Сеть 1G появилась в 1979 году. Главная инновация была в том самом подходе, когда вышки ставятся по сотовому принципу. Сеть второго поколения 2G — это переход к цифровым коммуникациям, что позволило повысить ёмкость и безопасность. Повысилось количество абонентов и стало невозможно при помощи аудиоприёмника подслушать, о чём люди говорят по телефону.

Сеть третьего поколения научилась нормально передавать интернет. Без 3G не было бы iPhone с его приложениями. 4G изначально задумывалась для интернета, а не для голоса. До сих пор во многих сетях 4G ты не можешь поговорить голосом. С этим помогает LTE — конкретная реализация голосовой связи, которая стала доминирующей.

В 2019 году начали появляться самые первые 5G — это попытка улучшить 4G, подстроить под промышленные юзкейсы.

Первый юзкейс Massive IoT — условно, 10 тысяч устройств на квадратный километр. Используется на заводе, который обвешан датчиками. Второй юзкейс — Ultra Reliable Low Latency Communications. Это управление робототехникой, телемедицина, удалённое управление поездами, гейминг. Третье — это то, что называется Mobile Broadband, более быстрая передача данных.

Как родилась идея для стартапа

Люди на какой-нибудь шахте либо на нефтяной вышке тоже хотят говорить друг с другом по сотовому или, что ещё сложнее, звонить домой. Им нужно дать для этого инструмент. Одна базовая станция на какой-нибудь нефтяной вышке для монстра типа Nokia или Ericsson вообще не важна. Но для небольшой компании, если посчитать, это интересный бизнес-кейс.

Мы работали с легитимными сотовыми операторами. У них есть частоты, но есть проблема с тем, что на оборудовании крупных вендоров им невыгодно идти в деревню. Чтобы сделать связь в таких удалённых регионах, я продавал решение — оборудование и софт. Физически это выглядит как ребристая коробочка около 10 кг размером с небольшой рюкзак. Я её как раз в рюкзаке с собой и таскал на презентации.

Внутри такой базовой станции компьютер и радиокомпоненты. Стоит разъём под большую внешнюю антенну, которую покупаешь отдельно. Антенны бывают разные. Ты выбираешь нужную под ландшафт и местность и затем прикручиваешь к вышке. Дальше прикручиваешь базовую станцию и соединяешь толстым радиокабелем с антенной.

В стандартной африканской деревне вышки с разумными антеннами покрывают радиус 5–7 километров. Это размер небольшого города или деревни. К такой базовой станции можно подключить дешёвую Nokia или даже iPhone.

Почему стартап закрылся

Мы не выдержали гонку с более обеспеченными стартапами. Сначала были богатые TIER 1 и несколько небольших компаний по всему миру. Мы все друг друга знали. С одной стороны, мы всегда соревновались, с другой — были против тех мужиков в костюмах от монополистов.

Потом сработала трамповская война против Китая, которая привела к тому, что начал разваливаться единый телекоммуникационный мир. Индустрия поделилась на национальные анклавы. В Европе остались Ericsson и Nokia. В Штатах появились хорошо профинансированные стартапы. Параллельно такие же процессы начали происходить в Индии. Начали появляться национальные разработчики в Японии и во Вьетнаме.

Мой стартап назывался Fairwaves — «Справедливые волны». Я проработал там практически десять лет. Сейчас мы занимаемся тем же самым, чем занимались раньше, — создаём оборудование для операторов сотовой связи, только теперь не для США, а для России.

В полной версии подкаста

14:00 Как победить интерференцию

18:00 Почему мегагерцы стоят денег

27:00 Как наследственность в сотовой связи сделала её уязвимой

33:10 Что означают все эти G

38:00 Почему, когда говоришь по 4G, интернет виснет

43:42 Как развернуть свою локальную сеть

51:20 Вышка из бамбуковой палки и государственная монополия на связь. Что Саша делал в Мексике

58:30 Почему Саша закрыл стартап

Редактор конспекта:

Сервис «Чистовик», Максим Ильяхов

Корректор:

Ира Михеева

Вёрстка:

Кирилл Климентьев

Обложка:

Даня Берковский

Соцсети:

Алина Грызлова

Как устроена сотовая связь — Страница Виртуальных Путешественников — ЖЖ

Знаете ли вы, что происходит после того, как вы набрали номер друга на мобильном телефоне? Как сотовая сеть находит его в горах Андалусии или на побережье далекого острова Пасхи? Почему иногда неожиданно разговор прерывается? На прошлой неделе я побывал в компании Beeline и попытался разобраться, как устроена сотовая связь. ..

Большая площадь населенной части нашей страны покрыта Базовыми Станциями (БС). В поле они выглядят как красно-белые вышки, а в городе спрятаны на крышах нежилых домов. Каждая станция ловит сигнал от мобильных телефонов на удалении до 35 километров и общается с мобильным телефоном по служебным или голосовым каналам.

После того, как вы набрали номер друга, ваш телефон связывается с ближайшей к вам Базовой Станцией (БС) по служебному каналу и просит выделить голосовой канал. Базовая Станция отправляет запрос на контроллер (BSC), а тот переадресует его на коммутатор (MSC). Если ваш друг является абонентом той же сотовой сети, то коммутатор сверится с Home Location Register (HLR), выяснит, где в данный момент находится вызываемый абонент (дома, в Турции или на Аляске), и переведет звонок на соответствующий коммутатор, откуда тот его переправит на контроллер и затем на Базовую Станцию. Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном и соединит вас с другом. Если ваш друг абонент другой сети или вы звоните на городской телефон, то ваш коммутатор обратится к соответствующему коммутатору другой сети.

Сложно? Давайте разберемся подробнее.

Базовая Станция представляет из себя пару железных шкафов, запертых в хорошо кондиционируемом помещении. Учитывая, что в Москве было на улице +40, мне захотелось немного пожить в этом помещении. Обычно, Базовая Станция находится либо на чердаке здания, либо в контейнере на крыше:

Антенна Базовой Станции разделена на несколько секторов, каждый из которых «светит» в свою сторону. Вертикальная антенна осуществляет связь с телефонами, круглая соединяет Базовую Станцию с контроллером:

Каждый сектор может обслуживать до 72 звонков одновременно, в зависимости от настройки и конфигурации. Базовая Станция может состоять из 6 секторов, таким образом, одна Базовая Станция может обслуживать до 432 звонков, однако, обычно на станции установлено меньшее количество передатчиков и секторов. Сотовые операторы предпочитают ставить больше БС для улучшения качества связи.

Базовая Станция может работать в трех диапазонах:

900 МГц — сигнал на этой частоте распространяется дальше и лучше проникает внутрь зданий
1800 МГц — сигнал распространяется на более короткие расстояния, но позволяет установить большее количество передатчиков на 1 секторе
2100 МГц — Сеть 3G

Вот так выглядит шкаф с 3G оборудованием:

На Базовые Станции в полях и деревнях устанавливают передатчики 900 МГц, а в городе, где Базовые Станции натыканы как иглы у ежика, в основном, связь осуществляется на частоте 1800 МГц, хотя на любой Базовой Станции могут присутствовать передатчики всех трех диапазонов одновременно.

Сигнал частотой 900 МГц может бить до 35 километров, хотя «дальность» некоторых Базовых Станций, стоящих вдоль трасс, может доходить до 70 километров, за счет снижения числа одновременно обслуживаемых абонентов на станции в два раза. Соответственно, наш телефон с его маленькой встроенной антенной также может передавать сигнал на расстояние до 70 километров…

Все Базовые Станции проектируются таким образом, чтобы обеспечить оптимальное покрытие радиосигналом на уровне земли. Поэтому, несмотря на дальность в 35 километров, на высоту полета самолетов радиосигнал просто не посылается. Тем не менее, некоторые авиакомпании уже начали устанавливать на своих самолетах маломощные базовые станции, которые обеспечивают покрытие внутри самолета. Такая БС соединяется с наземной сотовой сетью с помощью спутникового канала. Система дополняется панелью управления, которая позволяет экипажу включать и выключать систему, а также отдельные типы услуг, например, выключать голос на ночных рейсах.

Телефон может измерять уровень сигнала от 32 Базовых Станций одновременно. Информацию о 6-ти лучших (по уровню сигнала) он отправляет по служебному каналу, и уже контроллер (BSC) решает, какой БС передать текущий звонок (Handover), если вы находитесь в движении. Иногда телефон может ошибиться и перебросить вас на БС с худшим сигналом, в этом случае разговор может прерваться. Также может оказаться, что на Базовой Станции, которую выбрал ваш телефон, все голосовые линии заняты. В этом случае разговор также прервется.

Еще мне рассказали о так называемой «проблеме верхних этажей». Если вы живете в пентхаусе, то иногда, при переходе из одной комнаты в другую, разговор может прерываться. Это происходит потому, что в одной комнате телефон может «видеть» одну БС, а во второй — другую, если она выходит на другую сторону дома, и, при этом эти 2 Базовые Станции находятся на большом удалении друг от друга и не прописаны как «соседние» у сотового оператора. В этом случае передача звонка с одной БС на другую происходить не будет:

Связь в метро обеспечивается так же, как и на улице: Базовая Станция – контроллер – коммутатор, с той лишь разницей, что применяются там маленькие Базовые Станции, а в тоннеле покрытие обеспечивается не обычной антенной, а специальным излучающим кабелем.

Как я уже писал выше, одна БС может производить до 432 звонков одновременно. Обычно этой мощности хватает за глаза, но, например, во время некоторых праздников БС может не справиться с количеством желающих позвонить. Обычно это случается на Новый Год, когда все начинают поздравлять друг друга.

SMS передаются по служебным каналам. На 8 марта и 23 февраля люди предпочитают поздравлять друг друга с помощью SMS, пересылая смешные стишки, и телефоны зачастую не могут договориться с БС о выделении голосового канала.

Мне рассказали интересный случай. Из одного района Москвы стали поступать жалобы от абонентов о том, что они не могут никуда дозвониться. Технические специалисты стали разбираться. Большинство голосовых каналов было свободно, а все служебные были заняты. Оказалось, что рядом с этой БС находился институт, в котором шли экзамены и студенты беспрерывно обменивались эсэмэсками.

Длинные SMS телефон делит на несколько коротких и отправляет каждое отдельно. Сотрудники технической службы советуют отправлять такие поздравления с помощью MMS. Это будет быстрее и дешевле.

С Базовой Станции звонок попадает на контроллер. Выглядит он так же скучно, как и сама БС — это просто набор шкафов:

В зависимости от оборудования, контроллер может обслуживать до 60 Базовых Станций. Связь между БС и контроллером (BSC) может осуществляться по радиорелейному каналу либо по оптике. Контроллер осуществляет управление работой радиоканалов, в т.ч. контролирует передвижение абонента, передачу сигнала с одной БС на другую.

Гораздо интереснее выглядит коммутатор:

Каждый коммутатор обслуживает от 2 до 30 контроллеров. Он занимает уже большой зал, заставленный различными шкафами с оборудованием:

10.

11.

12.

Коммутатор осуществляет управление трафиком. Помните старые фильмы, где люди сначала дозванивались до «девушки», а затем она уже соединяла их с другим абонентом, перетыкивая проводки? Этим же занимаются и современные коммутаторы:

13.

Для контроля за сетью у Билайна есть несколько автомобилей, которые они ласково называют «ежики». Они передвигаются по городу и измеряют уровень сигнала собственной сети, а также уровень сети коллег из «Большой Тройки»:

14.

Вся крыша такого автомобиля утыкана антеннами:

15.

Внутри стоит оборудование, осуществляющее сотни звонков и снимающее информацию:

16.

Круглосуточный контроль за коммутаторами и контроллерами осуществляется из ~~Центра Управления Полетами~~ Центра Контроля Сети (ЦКС):

17.

Существует 3 основных направления по контролю за сотовой сетью: аварийность, статистика и обратная связь от абонентов.

Так же, как и в самолетах, на всем оборудовании сотовой сети стоят датчики, которые посылают сигнал в ЦКС и выводят информацию на компьютеры диспетчеров. Если какое-то оборудование вышло из строя, то на мониторе начнет «мигать лампочка».

ЦКС также отслеживает статистику по всем коммутаторам и контроллерам. Он анализирует ее, сравнивая с предыдущими периодами (часом, сутками, неделей и т.д.). Если статистика какого-то из узлов стала резко отличаться от предыдущих показателей, то на мониторе опять начнет «мигать лампочка».

Обратную связь принимают операторы абонентской службы. Если они не могут решить проблему, то звонок переводится на технического специалиста. Если же и он оказывается бессильным, то в компании создается «инцидент», который решают инженеры, занимающиеся эксплуатацией соответствующего оборудования.

За коммутаторами круглосуточно следят по 2 инженера:

18.

На графике показана активность московских коммутаторов. Хорошо видно, что ночью практически никто не звонит:

19.

Контроль за контроллерами (простите за тавтологию) осуществляется со второго этажа Центра Контроля Сети:

22.

21.

Понимаю, что у вас осталась куча вопросов о том, как устроена сотовая сеть. Тема сложная, и я попросил специалиста из «Билайн» помочь мне отвечать на ваши комментарии. Единственная просьба — придерживайтесь темы. А вопросы типа «Билайн редиски. Украли у меня 3 рубля со счета» — адресуйте абонентской службе 0611.

Завтра будет пост о том, как передо мной выпрыгнул кит, а я не успел его сфотографировать. Stay Tuned!

Основы беспроводных сигналов и сотовых сетей

Четверг 10.10.19 09:16

Автор: Christine Jorgensen

Up0
Down0

Продукты Qualcomm, упомянутые в этом сообщении, предлагаются
Qualcomm Technologies, Inc. и/или ее дочерними компаниями.

Независимо от того, оцениваете ли вы аппаратные компоненты для своего следующего проекта или пытаетесь спланировать 5G, важно иметь общее представление о том, как работают беспроводные сигналы и как функционируют существующие сотовые сети. Обладая этими знаниями, вы сможете принимать более обоснованные решения о своих требованиях к подключению и иметь основу для понимания новых стандартов подключения.

Имея это в виду, давайте рассмотрим некоторые основы, которые помогли сформировать наш мир благодаря беспроводной сотовой связи.

Беспроводные сигналы. Основы

Основой физики, которая делает возможной беспроводную связь, являются электромагнитные волны, распространяющиеся по воздуху. Эти волны генерируются наэлектризованным куском металла, таким как антенна, которая формирует волны, когда на нее подается напряжение.

Аппаратура, генерирующая эти волны, называется передатчиком, а аппаратура, принимающая эти волны, называется приемником. Мобильное устройство, которое содержит оба типа оборудования, часто называют двусторонней радиосвязью или приемопередатчиком. Передатчики и приемники кодируют и декодируют информацию в этих волнах и из них различными способами, что обеспечивает основу для беспроводных сигналов.

Уровень энергии, используемый в передатчике, влияет на расстояние, на которое могут распространяться излучаемые волны, поэтому необходимо тщательно выбирать уровни энергии, чтобы избежать помех. Точно так же необходимо тщательно выбирать приемники с таким отношением сигнал/шум, которое обеспечивает оптимальные характеристики приема.

Одним из основных свойств этих волн является их частота, которая указывает на то, насколько быстро они могут колебаться. Весь диапазон или радиоспектр (радиоспектр — это лишь один из многих частотных диапазонов, встречающихся в электромагнитном спектре) частот, доступных для радиоустройств, находится в диапазоне от 3 кГц до 300 ГГц, в то время как традиционное использование колеблется от 10 МГц до 5 ГГц для различных устройств. Приложения.

Рис. 1. Визуализация простого беспроводного сигнала.

Начало диапазона частот (например, 2,4 ГГц) в пределах радиоспектра называется диапазоном. Различные частоты в пределах каждой полосы выделяются как каналы, по которым может осуществляться связь. Например, в диапазоне 2,4 ГГц 14 каналов. Канал 1 выделен на 2412 МГц, канал 2 выделен на 2437 МГц и так далее до канала 14, который выделен на 2484 МГц.

К сожалению, у радиосвязи есть одна основная проблема: каналы могут перекрываться. Это происходит потому, что сигналы, передаваемые на заданной частоте данного канала, также передаются окружающими частотами в различной степени. При изображении в виде графика эти поддиапазоны частот для каналов и степень, в которой различные частоты в каждом поддиапазоне несут сигнал канала, отображаются в виде серии горбов:

Рисунок 2. Визуализация, показывающая частоты, выделенные каналам 1, 6, 11 и 14 в диапазоне 2,4 ГГц. Обратите внимание на диапазоны частот, окружающие каждый из этих четырех каналов, которые также в разной степени несут сигнал канала.

Это означает, что вы не сможете одновременно использовать все или даже определенные диапазоны каналов, поскольку поддиапазоны последовательных каналов могут перекрываться и вызывать помехи. Это видно на рисунке 3, на котором показано перекрытие поддиапазонов для каналов 1, 3 и 6:

Рисунок 3. Визуализация, показывающая перекрытие частот, окружающих каналы 1, 3 и 6.

К счастью, другие диапазоны, такие как диапазон 5 ГГц, намного шире, что позволяет использовать значительно больше каналов, которые не перекрываются, поэтому его можно проще найти не мешающие каналы для целей вашего устройства. При проектировании или выборе устройства для использования в данном регионе обязательно определите каналы, наиболее часто используемые в этом регионе, чтобы избежать перекрытия каналов.

Использование этих диапазонов и каналов обычно регулируется правительствами, поэтому управление использованием спектра само по себе является сложной и важной темой. При оценке беспроводного устройства важно понимать местные правила, в которых ваше устройство предназначено для работы, чтобы убедиться, что оно соответствует назначенному использованию спектра для этой области. Например, в диапазоне 2,4 ГГц имеется 14 каналов, но в США каналы с 12 по 14 не могут использоваться для Wi-Fi, поскольку они используются телевидением и спутниковыми службами. Другими словами, ваш пробег может отличаться!

Кроме того, разные диапазоны частот имеют разные атрибуты, которые делают их более подходящими для определенных приложений. Например, более низкие частоты могут довольно хорошо проходить сквозь стены и могут распространяться довольно далеко в заданной среде, в то время как более высокие частоты обычно имеют большую полосу пропускания для передачи большего количества данных, но могут не распространяться так далеко. Одним из захватывающих аспектов 5G является возможность использовать более высокие частоты, чем те, которые не использовались в прошлом.

Другим важным аспектом этих волн является их модуляция, которая относится к изменению частоты и амплитуды волны. Это изменение делает сигналы от разных типов устройств несовместимыми (например, сигнал FM-радио и сигнал Wi-Fi нельзя использовать для связи между соответствующими типами устройств).

Рисунок 4 – Визуализация частотной модуляции для аналогового сигнала.

Различные схемы, такие как фазовая манипуляция (PSK), модулируют частоты (эти модулированные волны часто называют несущим сигналом или несущей) с использованием дискретных сигналов для облегчения цифровой модуляции для передачи цифровых данных. При проектировании или выборе устройства важно определить тип(ы) метода(ов) модуляции, используемые в данной сетевой архитектуре, чтобы обеспечить совместимость и оптимальную производительность для вашего приложения.

Архитектура сотовой сети

На протяжении многих лет беспроводные сигналы использовались для самых разных приложений, включая радио и телевидение, но именно изобретение сотовой сети сделало возможным обмен голосом и цифровыми данными практически в любой точке мира.

Сотовая сеть состоит из разделенных областей, называемых сотами или сотовыми узлами, распределенных по обширной географической области. Каждая сотовая станция состоит из одного или нескольких приемопередатчиков (обычно на базовой станции), которые обеспечивают радиопокрытие для своей области. Сотовому узлу назначается несколько частот, которые отличаются от соседних сот, чтобы избежать помех и обеспечить надлежащее качество обслуживания. Следовательно, обычное сотовое устройство (например, мобильный телефон) передает сигналы с достаточной мощностью — обычно 0,6 или 3 Вт — для работы в текущей соте, тем самым резервируя другие сигналы дальше для других вызывающих абонентов. Соты также подключены к телефонным станциям, что обеспечивает связь с наземными линиями и доступ в Интернет.

Соты размещаются рядом друг с другом, чтобы обеспечить радиопокрытие на большой территории и передавать связь с мобильными устройствами, которые перемещаются по сотам (например, сотовый телефон в движущемся автомобиле). Во время передачи обслуживания базовая станция обычно ищет и выбирает новый канал для мобильного устройства. Затем базовая станция дает команду устройству переключиться на новый канал и переключает вызов на него. Система также может поддерживать мягкую передачу обслуживания, когда мобильное устройство устанавливает радиоканалы с несколькими сотовыми узлами.

Размещение сот требует тщательного планирования со стороны операторов связи, которые должны учитывать многие факторы, включая характеристики местности и приема. Ячейки обычно имеют форму шестиугольников, но также могут быть квадратами или кругами. Независимо от их формы, их покрытие сигнала обычно перекрывает покрытие соседних сот, чтобы гарантировать, что пользователи всегда находятся в зоне покрытия. Дальность действия соты также может широко варьироваться от примерно 10 метров до более 25 миль, в зависимости от таких факторов, как ее конфигурация, размер, характеристики окружающей среды и т. д. Кроме того, ретрансляторы сот могут использоваться для расширения покрытия на больших территориях.

Рис. 5. Пример расположения смежных ячеек в форме шестиугольника.

Башни в сотовой сети могут использовать направленные или всенаправленные приемопередатчики. Направленные антенны могут быть секторными, которые излучают круговые волны под определенным углом, или сфокусированными антеннами, излучающими узкие лучи. Например, соты с высоким трафиком обычно располагают своими башнями на пересечении трех шестиугольников, и каждая из них оснащена тремя направленными антеннами, направленными в трех направлениях. В этой конфигурации каждая антенна обеспечивает 120 градусов покрытия, что в сумме составляет 360 градусов, и каждая принимает и передает в соседние соты на разных частотах.

Сотовые технологии

Сотовые сети используются для связи мобильных устройств, поскольку радиочастоты являются ограниченным общим ресурсом, а архитектура сотовой связи была разработана для совместного использования этого ресурса в широких географических областях и между многими устройствами.

Для стандартизации связи в сотовых сетях был разработан ряд спецификаций, разработанных для поколений сотовых технологий, включая GSM, GPRS, EDGE, UMTS, LTE, а теперь и 5G NR (примечание: эти стандарты контролируются Партнерским проектом третьего поколения). ). Внедрение GSM с 2G, возможно, определило многие из основных элементов, которые мы знаем сегодня в наших сотовых сетях.

В совокупности такие стандарты определяют не только архитектуру соответствующих поколений сотовых сетей, но также технологии и подходы, которые выполняют функции этих систем, включая:

использование методов доступа к каналу для различения сигналов от разных одновременные пользователи
безопасность
управление мобильностью, которое использует обновления местоположения между устройством и сотовой сетью для обеспечения передачи обслуживания, роуминга и т. д.
регистрация устройства и настройка вызова, а также
сервисные возможности, включая SMS и MMS.

Заключение

Сотовые сети претерпели значительные изменения на протяжении поколений, и каждое поколение приводило к новым спецификациям, технологиям и решениям. Более того, сотовые сети стали базовой платформой подключения для новых приложений, включая устройства IoT, робототехнику, виртуальную и дополненную реальность и мобильные игры. И теперь 5G обретает форму и открывает новые возможности, такие как эпоха изобретений, благодаря обещанию более высоких скоростей, меньшей задержки и использования ранее неиспользованных частотных диапазонов.

Теперь, когда вы ознакомились с основами, проверьте свои знания, перейдя на нашу страницу мобильных процессоров и ознакомившись с некоторыми сотовыми характеристиками таких устройств, как наша мобильная платформа Snapdragon® 855+. На нашей странице «Подключение» в QDN также рассматривается ряд инструментов, которые у нас есть для технологий подключения ближнего и дальнего действия. Обязательно следите за обновлениями QDN, так как у нас будет больше дискуссий о беспроводных технологиях и эволюции 5G.

Snapdragon является продуктом Qualcomm Technologies, Inc. и/или ее дочерних компаний.

Руководство для начинающих по инфраструктуре мобильной связи

Введение

За последние несколько десятилетий с момента появления мобильной сети первого поколения (1G) в начале 1980-х годов в области мобильной беспроводной связи произошел ряд достижений. Эта эволюция стандартов мобильной связи является прямым результатом постоянно растущего глобального спроса на большее количество абонентов и соединений по всему миру.

В этой статье мы рассмотрим инфраструктуру и компоненты, лежащие в основе каждой из этих мобильных технологий — от 1G до будущего 5G. Цель состоит в том, чтобы к концу этой статьи диаграммы, подобные приведенной ниже, стали намного более удобоваримыми!

Рисунок 1 — Инфраструктура 2G, 3G, 4G.

CS против PS

Прежде чем мы начнем, есть два ключевых термина, которые важно понимать при изучении мобильных беспроводных инфраструктур — CS (коммутация каналов) и PS (коммутация пакетов) .

Для того, чтобы определить и объяснить различия каждого из них, следующий отрывок из bpastudio.csudh.edu описывает его идеально,

Сети TCP/IP маршрутизируют данные между хостами в пакетах и пакетах, а пакеты от многих хостов перемежаются по ссылке, это называется
коммутация пакетов .
…
Переключение пакетов можно противопоставить переключению каналов , в котором канал предназначен исключительно для сеанса на время его продолжительности. Телефонная сеть является известным примером коммутации каналов. Выделенный физический канал устанавливается между двумя точками с момента начала вызова и до его окончания.
Коммутация пакетов более эффективна, так как стоимость соединения распределяется между многими пользователями. Когда вы делаете телефонный звонок с коммутацией каналов, линия занята на время разговора, говорите ли вы, молчите или находитесь на удержании.
Преимущество коммутации каналов заключается в том, что производительность предсказуема и может быть гарантирована. Поток пакетов от другого приложения не может временно снизить производительность. Качество обслуживания

( QOS ) предсказуемо.
В асинхронных сообщениях, таких как электронная почта или передача файлов, такие колебания, вероятно, не представляют большой проблемы, но для таких приложений, как передача голоса по IP ( VOIP ), они могут вызвать ощутимые задержки и потерю или искажение слов. Задержки также неприятны в интерактивных приложениях, где пользователь ожидает ответа от сервера.
…
Коммутация каналов традиционно использовалась для телефонной связи, но наблюдается тенденция к коммутации пакетов.

1G

Появившийся в 1980-х годах 1G был первым поколением беспроводной мобильной связи.

1G был основан на аналоговых сигналах с помощью технологии коммутации каналов и обеспечивал только голосовую связь (т.е. без данных).

2G

GSM

Второе поколение мобильных сотовых сетей было запущено в 1991 в соответствии со стандартом GSM (Глобальная система мобильной связи) . ^[1]

Основное отличие 2G (по сравнению с 1G) заключается в использовании цифровой передачи вместо аналоговой. Этот первоначальный выпуск 2G был в основном создан для голосовых служб с медленной передачей данных для текстовых SMS-сообщений. ^[2] Кроме того, 2G обеспечил цифровое шифрование телефонных разговоров и более высокий уровень проникновения беспроводной связи благодаря большей эффективности использования спектра.

Инфраструктура GSM начинается с мобильной станции (MS) , каждая из которых содержит модуль идентификации абонента, также известный как SIM . Через свою радиочастотную антенну он соединяется с базовой приемопередающей станцией (BTS) .

Рисунок 2 — Инфраструктура GSM.

BTS содержит радиотрансиверы, которые обрабатывают протоколы радиоканала от MS. Далее у нас есть BSC (контроллер базовой станции)

Это управляет радиоресурсами для одной или нескольких BTS. Он обрабатывает настройку радиоканала, скачкообразную перестройку частоты и передачу обслуживания. BSC — это соединение между мобильным телефоном и Мобильный коммутационный центр (MSC) . ^[3] И BTS, и BSC образуют BSS (подсистему базовой станции) .

Система сетевой коммутации (NSS) , основной частью которой является MSC, выполняет коммутацию вызовов между мобильными и другими пользователями фиксированной или мобильной сети, а также управление мобильными услугами, такими как аутентификация. ^[4] NSS содержит следующие элементы:

Центр коммутации мобильной связи (MSC) — Обрабатывает маршрутизацию вызовов, настройку вызова и базовое переключение. MSC обрабатывает несколько BSC, а также координирует свои действия с другими MSC.

Шлюзовый центр коммутации мобильной связи (GMSC) — Направляет абонентские вызовы в/из сети мобильной связи.
Домашний регистр местонахождения (HLR) — База данных, используемая для хранения и управления подписками. Например, профиль обслуживания абонентов, местоположение и статус активности. ^[5]
Регистр местоположения посетителей (VLR) — Временная база данных, которая обновляется через HLR каждый раз, когда новая MS входит в его зону.
Регистр идентификации оборудования (EIR) — База данных, содержащая список всего допустимого оборудования в сети. Затем оборудование помечается как разрешенное, запрещенное или ограниченное.
Центр аутентификации (AUC) — Предоставляет защищенную базу данных, в которой хранится копия секретного ключа, хранящегося на SIM-карте каждого абонента. ^[6]

GPRS

Общая система пакетной радиосвязи (GPRS) — это **пакетная **услуга передачи данных, предоставляемая сетью GSM со скоростью передачи данных от 56 до 114 кбит/с . Эта комбинация 2G и GPRS обычно описывается как 2.5G , ^[7] и позволяет использовать услуги передачи данных, такие как WAP, MMS и услуги интернет-коммуникаций (такие как электронная почта и доступ к всемирной паутине).

GPRS требует внесения некоторых изменений как в базовую сеть, так и в сеть радиодоступа (RAN). Во-первых, в RAN, чтобы позволить BSC направлять трафик данных в сеть GPRS, в BSC требовался дополнительный аппаратный модуль, называемый PCU (блок управления пакетами). Кроме того, на BTS также требовалось обновление программного обеспечения.

Что касается ядра, то требуются дополнительные компоненты, такие как GSN (узлы поддержки GPRS).

SGSN (обслуживающий узел поддержки GPRS) — отвечает за аутентификацию мобильных телефонов GPRS, регистрацию мобильных телефонов в сети, управление мобильностью и сбор информации о взимании платы за использование радиоинтерфейса. ^[8]
GGSN (узел поддержки шлюза GPRS) — действует как интерфейс и маршрутизатор для внешних сетей. Содержит информацию о маршрутизации для мобильных телефонов GPRS, которая используется для туннелирования пакетов через внутреннюю IP-сеть к соответствующему SGSN. Также собирает данные о начислении платы и может обеспечивать фильтрацию пакетов для входящего трафика.

Рисунок 3 — Инфраструктура GPRS.

EDGE

Повышенная скорость передачи данных для GSM Evolution ( EDGE ), также известная как 2.75G , представляет собой эволюцию GPRS и обеспечивает более высокую скорость передачи данных до 384 кбит/с . Это увеличение скорости достигается за счет новых усовершенствований модуляции и протокола в существующих сетях GSM/GPRS. На самом деле никаких изменений в существующей базовой сетевой инфраструктуре для поддержки EDGE не требуется 9.0165 [9] , и для включения услуг EDGE требуется только «дополнение» к BSS.

3G

Запущенный в 2001 году и основанный на стандарте GSM, 3G представляет собой третье поколение мобильной связи. Стандартизированный 3GPP как универсальная система мобильной связи (UMTS) , 3G обеспечивает более высокую скорость загрузки по сравнению с предыдущими поколениями до 3,1 Мбит/с . Это, в свою очередь, позволило сделать возможными видеозвонки и бесшовную потоковую передачу видео.

3G строится поверх существующей инфраструктуры 2G, при этом многие серверные компоненты являются общими. Основное различие между 2G и 3G заключается в пределах RAN (сеть радиодоступа), которая также называется UTRAN (наземная сеть радиодоступа UMTS). Здесь BTS радиомачты заменены узлами NodeB, которые поддерживают более высокие скорости передачи данных вместе с RNC (контроллером радиосети). Еще одно небольшое отличие заключается в том, что мобильная станция (MS) упоминается как UE (пользовательское оборудование).

Рисунок 4 — Инфраструктура 3G.

HSPA (высокоскоростной пакетный доступ)

HSPA (3.75G) основан на двух протоколах — HSDPA и HSUPA. Эти протоколы расширяют и улучшают производительность существующих телекоммуникаций 3G через протоколы WCDMA.

Высокоскоростной пакетный доступ по нисходящей линии связи (HSDPA) — часть стандарта 3GPP версии 5, позволяющая сетям на основе UMTS иметь более высокие скорости передачи данных до 14,4 Мбит/с. Это также называется 3,5G.
Высокоскоростной пакетный доступ по восходящему каналу (HSUPA) — часть стандарта 3GPP версии 6. HSUPA — это вторая эволюция UMTS. Обеспечивает более высокую скорость передачи данных и пропускную способность до 5,8 Мбит/с.

HSPA+ (развитый высокоскоростной пакетный доступ)

Дальнейшее развитие HSPA (3GPP версии 7 и выше) привело к выпуску HSPA+, также известного как 3.9G. Это обеспечивает скорость передачи данных до 28 Мбит/с (загрузка) и 11 Мбит/с (отправка).

4G

Инициированное в 2010 году, 4-е поколение полностью основано на системе IP-сети . Цель 4G — обеспечить высокую скорость, повысить безопасность, а также снизить стоимость услуг передачи голоса и данных по IP.

4G предлагает два типа технологий LTE и WiMAX, обе из которых преследуют одни и те же цели. Однако преобладающей технологией, используемой сегодня, является LTE, и в рамках данного раздела мы рассмотрим именно эту технологию. По скорости передачи данных LTE обеспечивает 100 Мбит/с для связи с высокой мобильностью и 1 Гбит/с для связи с низкой мобильностью.

С 4G инфраструктура несколько меняется, как в отношении RAN, так и ядра. Во-первых, давайте посмотрим на 4G RAN . Традиционно NodeB имеет минимальную функциональность и управляется контроллером радиосети (RNC). Однако в eNodeB нет отдельного элемента контроллера. Это упрощает архитектуру и позволяет сократить время отклика. ^[10]

Рисунок 5 — Инфраструктура 4G.

EPC

Где сетевые архитектуры 2G и 3G обрабатывают и коммутируют голос и данные через два отдельных поддомена: с коммутацией каналов (CS) для голоса и с коммутацией пакетов (PS) для данных. 4G представляет Evolved Packet Core (EPC) . EPC объединяет голос и данные в сервисной архитектуре Интернет-протокола (IP), а голос рассматривается как просто еще одно IP-приложение . ^[11]

Ключевыми компонентами EPC являются:

Домашний абонентский сервер (HSS) — центральная база данных, содержащая информацию обо всех абонентах оператора сети.
Объект управления мобильностью (MME) — управляет состояниями сеанса, а также аутентифицирует и отслеживает пользователя в сети. ^[12]
Обслуживающий шлюз (SGW) — Обслуживающий шлюз (SGW) действует как маршрутизатор и пересылает данные между базовой станцией и шлюзом PDN. ^[13] Кроме того, SGW также будет подключаться к другим SGSN и RNC для инфраструктур предыдущего поколения.
Шлюз узла пакетных данных (PGW) — действует как интерфейс между сетью LTE и другими сетями пакетных данных, управляет качеством обслуживания (QoS) и обеспечивает глубокую проверку пакетов (DPI). ^[14]
Функция политик и правил начисления платы (PCRF) — поддерживает обнаружение потоков служебных данных, применение политик и начисление на основе потоков.

VoLTE/IMS

Передача голоса через LTE или VoLTE — это стандарт для доставки услуг (голос/SMS), в настоящее время предоставляемый через коммутацию каналов (2G/3G) в сети LTE только с коммутацией пакетов, использование базовой сети Мультимедийной IP-подсистемы (IMS) .

Мультимедийная IP-подсистема (IMS) представляет собой эталонную архитектуру, определенную 3GPP для предоставления коммуникационных услуг, основанных на Интернет-протоколе (IP). Наряду с предоставлением основы для перехода от классической телефонии с коммутацией каналов (CS) к телефонии с коммутацией пакетов (PS). ^[15]

Рис. 6 . Базовая эталонная архитектура IMS согласно 3GPP.

Ядро IMS содержит много компонентов , которые выходят далеко за рамки этой статьи. Однако со ссылкой на рис. 6 ниже показаны ключевые компоненты и точки соединения между EPC и IMS:

Функция управления сеансом связи (CSCF) — CSCF отвечает за установление, мониторинг, поддержку и освобождение мультимедийных сеансов
Функция управления медиашлюзом (MGCF) — управляет медиашлюзами, при необходимости преобразует кодеки и может служить выходом в сеть с коммутацией каналов.

5G

5G — мобильная связь последнего поколения**. Он приходит на смену предыдущим системам 2G, 3G и 4G, обеспечивая высокую производительность (20 Гбит/с), уменьшенную задержку и большую плотность пользователей . Ключевыми случаями/приложениями использования 5G будут Интернет вещей, виртуальная реальность, беспилотные автомобили и мобильная широкополосная связь. 5G использует ряд технологий:

Миллиметровые волны — это волны небольшого размера с длиной волны от 10 до 1 миллиметра. Это чрезвычайно эффективная полоса спектра с большой пропускной способностью, но она также очень чувствительна к внешним переменным — будь то стены, деревья или даже просто дождь. ^[16]
Малые соты — это портативные небольшие базовые станции, требующие минимального питания и размещаемые в городах для предотвращения потери сигнала. ^[17]
Massive MIMO описывает беспроводные системы, которые используют два или более передатчика и приемника для отправки и получения большего количества данных одновременно. Massive MIMO выводит эту концепцию на новый уровень, объединяя десятки антенн в одном массиве. ^[18]
Beamforming — это система сигнализации трафика для базовых станций сотовой связи, которая определяет наиболее эффективный маршрут доставки данных конкретному пользователю. ^[19]

** Первый этап спецификаций 5G в Release-15 будет завершен к апрелю 2019 г.чтобы приспособиться к раннему коммерческому развертыванию. Второй этап Релиза-16 должен быть завершен к апрелю 2020 года. в рамках инфраструктуры 5G. Как следует из названия, он разделяет элементы управления и плоскости пользователя, наблюдаемые в 4G EPC, на отдельные компоненты. Например, разделение компонентов PGW и SGW на элементы пользовательской плоскости и плоскости управления, то есть PGW-C и PGW-U. Наглядное представление можно увидеть на схеме ниже.

Это обеспечивает ряд преимуществ, главным образом, гибкость в отношении независимого масштабирования и выделения ресурсов компонентам плоскости пользователя или плоскости управления.

Рисунок 7 — Архитектура EPC для 5G CUPS. ^[21]

Архитектура на основе услуг (SBA)

Базовая сеть 5G будет основана на так называемой «архитектуре на основе услуг » (SBA), сосредоточенной вокруг сервисов , которые могут регистрироваться и подписываться к другим службам. Все через единую шину сообщений SBI (Service-Based Interface), к которой каждый сетевой элемент подключается через свой SBI.

Рисунок 8 — Архитектура SBA 5G.

NG-RAN

Далее, RAN теперь называется Next Generation-RAN (NG-RAN) или New Radio (NR) . В NG-RAN у нас есть gNodeB, также известные как приемопередатчики. Из-за потребности в небольших сотах большее количество меньших приемопередатчиков (gNodeB) размещается вместо приемопередатчиков предыдущих поколений (2G, 3G, 4G).

Рисунок 9 — Архитектура 5G на основе 3GPP версии 15.

5GCN

Внутри ядра, которое теперь называется 5G Core-Network (5GCN), , есть несколько отличий. Как с архитектурой (как обсуждалось ранее, CUPS/SOA), так и с ее компонентами.

Ниже перечислены все компоненты:

UPF (функция пользовательского уровня) — аналогичны ролям, которые выполняет обслуживающий/пакетный шлюз в системе 4G LTE. UPF поддерживает функции и возможности, облегчающие работу плоскости пользователя. ^[22]
AMF (функция доступа и мобильности ) выполняет большинство функций, которые MME выполняет в сети 4G. ^[23]
SMF (функция управления сеансом) отвечает за сигнализацию, связанную с трафиком пользовательских данных (установление сеанса и т. д.).
AUSF (функция сервера аутентификации) используется для облегчения процессов безопасности 5G.
NSSF (функция выбора сетевого сегмента) может использоваться AMF для помощи в выборе экземпляров сетевого сегмента, которые будут обслуживать конкретное устройство. ^[24]
NEF (функция доступа к сети) обеспечивает внешний доступ к возможностям сетевых функций. Например, возможность мониторинга, возможность подготовки, влияние приложения на маршрутизацию трафика и возможность политики/тарификации.
NRF (функция сетевого репозитория) обеспечивает поддержку управления службами NF, включая регистрацию, отмену регистрации, авторизацию и обнаружение.
UDM (унифицированное управление данными) хранит долгосрочные учетные данные безопасности, а также информацию о подписке.
PCF (функция управления политикой) предоставляет правила политики для управления функциями плоскости.
AF (функция приложения) взаимодействует с базовой сетью для предоставления таких услуг, как влияние приложения на маршрутизацию трафика.

Дополнительные ресурсы

Если вы хотите узнать больше по любой из тем в этой статье, отличный ресурс — www.tutorialspoint.com. Ссылки на различные статьи приведены ниже:

https://www.tutorialspoint.com/gsm
https://www.tutorialspoint.com/gprs
https://www.tutorialspoint.com/umts
https://www.tutorialspoint.com/lte
https://www. tutorialspoint.com/5g

Outro

На этом наше руководство для начинающих по инфраструктуре мобильной беспроводной связи завершается. Как вы понимаете, мы коснулись многих тем лишь поверхностно. Но я надеюсь, что после прочтения этого руководства у вас появилось базовое понимание, которое поможет вам на вашем пути в мире мобильной беспроводной связи.

Ссылки

«2G/3G/4G — Все дело в скорости — МикроЭлектроника.» 27 мая. 2016 г., https://www.mikroe.com/blog/2g-3g-4g-speed. По состоянию на 6 марта 2019 г. ↩︎
«2G/3G/4G — Все дело в скорости — МикроЭлектроника.» 27 мая. 2016 г., https://www.mikroe.com/blog/2g-3g-4g-speed. По состоянию на 6 марта 2019 г. ↩︎
«GSM — подсистема базовой станции (BSS) — Tutorialspoint». https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_base_station_subsystem.htm. По состоянию на 6 марта 2019 г.. ↩︎
«GSM — подсистема базовой станции (BSS) — Tutorialspoint». https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_base_station_subsystem.htm. По состоянию на 6 марта 2019 г. ↩︎
«GSM — Подсистема сетевой коммутации (NSS) — CoderLessons.com». https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_network_switching_subsystem.htm. По состоянию на 6 марта 2019 г. ↩︎
«GSM — Подсистема сетевой коммутации (NSS) — CoderLessons.com». https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_network_switching_subsystem.htm. По состоянию на 6 марта 2019 г.. ↩︎
«2G/3G/4G — Все дело в скорости — МикроЭлектроника.» 27 мая. 2016 г., https://www.mikroe.com/blog/2g-3g-4g-speed. По состоянию на 6 марта 2019 г. ↩︎
«Архитектура GPRS — Tutorialspoint». https://www.tutorialspoint.com/gprs/gprs_architecture.htm. По состоянию на 7 марта 2019 г. ↩︎
«Cellular Concepts Edge — Tutorialspoint». https://www.tutorialspoint.com/umts/umts_cellular_concepts_edge.htm. По состоянию на 7 марта 2019 г. ↩︎
«eNodeB — Википедия». https://en.wikipedia.org/wiki/ENodeB. По состоянию на 8 марта 2019 г. ↩︎
«Что такое Evolved Packet Core (EPC)? — Определение с сайта WhatIs.com». https://searchnetworking.techtarget.com/definition/Evolved-Packet-Core-EPC. По состоянию на 8 марта 2019 г. ↩︎
«Что такое Evolved Packet Core (EPC)? — Определение с сайта WhatIs.com». https://searchnetworking.techtarget.com/definition/Evolved-Packet-Core-EPC. По состоянию на 8 марта 2019 г. ↩︎
«Архитектура сети LTE — CoderLessons.com». https://www.tutorialspoint.com/lte/lte_network_architecture.htm. По состоянию на 8 марта 2019 г. ↩︎
«Архитектура сети LTE — CoderLessons.com». https://www.tutorialspoint.com/lte/lte_network_architecture.htm. По состоянию на 8 марта 2019 г. ↩︎
«Что такое мультимедийная IP-подсистема (IMS)? — Metaswitch». https://www.metaswitch.com/knowledge-center/reference/what-is-ims-ip-multimedia-subsystem. По состоянию на 8 марта 2019 г. . ↩︎
«От низкочастотного до миллиметрового диапазона: различные типы 5G и … — цифровые тенденции». 6 января 2019 г., https://www.digitaltrends.com/mobile/5g-spectrum-variants/. По состоянию на 11 марта 2019 г. ↩︎
«Все, что вам нужно знать о 5G — IEEE Spectrum». 27 января 2017 г., https://spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/everything-you-need-to-know-about-5g. По состоянию на 11 марта 2019 г. ↩︎
«От низкочастотного до миллиметрового диапазона: различные типы 5G и … — цифровые тенденции». 6 января 2019 г., https://www.digitaltrends.com/mobile/5g-spectrum-variants/. По состоянию на 11 марта 2019 г. ↩︎
«Все, что вам нужно знать о 5G — IEEE Spectrum». 27 января 2017 г., https://spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/everything-you-need-to-know-about-5g. По состоянию на 11 марта 2019 г. ↩︎
«5G — Википедия». https://en.wikipedia.org/wiki/5G. По состоянию на 11 марта 2019 г.