Сети мобильной связи. Структура и принципы работы сетей мобильной связи: от GSM до 5G

alexxlabРазное
Как устроены сети мобильной связи разных поколений. Какие основные элементы входят в инфраструктуру GSM, UMTS, LTE. Чем отличаются сети с коммутацией каналов и пакетов. Как происходит передача голоса и данных в современных сотовых сетях.

Содержание

Эволюция сетей мобильной связи: от аналоговых до цифровых технологий

Мобильная связь прошла долгий путь развития от первых аналоговых сетей до современных высокоскоростных цифровых технологий. Рассмотрим основные этапы этой эволюции:

  • 1G — первое поколение аналоговых сетей (1980-е годы)
  • 2G — цифровые сети GSM (1990-е годы)
  • 3G — сети UMTS с поддержкой высокоскоростной передачи данных (2000-е годы)
  • 4G — сети LTE с полностью пакетной передачей (2010-е годы)
  • 5G — новейшее поколение с ультравысокими скоростями (с 2020 года)

Каждое новое поколение приносило значительное увеличение скорости передачи данных и расширение возможностей для абонентов. Если первые сети обеспечивали только голосовую связь, то современные технологии позволяют передавать большие объемы данных, видео высокого качества и поддерживать множество новых сервисов.


Ключевые элементы инфраструктуры сетей GSM

Сети второго поколения GSM заложили основу современной сотовой связи. Их инфраструктура включает следующие основные элементы:

  • Мобильные станции (MS) — сотовые телефоны абонентов
  • Базовые приемопередающие станции (BTS) — антенны для связи с телефонами
  • Контроллеры базовых станций (BSC) — управляют группой BTS
  • Центры коммутации (MSC) — осуществляют маршрутизацию вызовов
  • Регистры местоположения (HLR, VLR) — базы данных об абонентах
  • Центр аутентификации (AuC) — обеспечивает безопасность

Такая структура позволяет обеспечить широкое покрытие территории, надежную связь при перемещении абонентов между сотами и эффективное использование частотного ресурса.

Архитектура сетей третьего поколения UMTS

Сети 3G UMTS во многом базируются на инфраструктуре GSM, но имеют ряд важных отличий:

  • Вместо BTS используются узлы NodeB с расширенными возможностями
  • Контроллеры радиосети (RNC) заменяют BSC
  • Ядро сети разделяется на домены с коммутацией каналов и пакетов
  • Добавляются узлы SGSN и GGSN для обработки пакетных данных

Такая архитектура позволила значительно увеличить скорость передачи данных и внедрить новые мультимедийные сервисы. При этом сохранилась совместимость с сетями GSM.


Особенности архитектуры сетей четвертого поколения LTE

Сети 4G LTE построены на принципиально новой архитектуре:

  • Полностью IP-ориентированная инфраструктура
  • Упрощенная структура сети радиодоступа (eNodeB)
  • Новое ядро сети EPC (Evolved Packet Core)
  • Поддержка только пакетной передачи данных
  • Внедрение IMS для передачи голоса по IP (VoLTE)

Это позволило достичь скоростей передачи данных до 1 Гбит/с и заложить основу для перехода к сетям пятого поколения.

Принципы работы современных сотовых сетей

Несмотря на различия в архитектуре, все поколения сотовых сетей работают по схожим принципам:

  1. Территория покрытия разделяется на соты
  2. В каждой соте устанавливается базовая станция
  3. Мобильные устройства подключаются к ближайшей базовой станции
  4. При перемещении абонента происходит передача обслуживания между сотами
  5. Ядро сети обеспечивает маршрутизацию вызовов и данных

Такая структура позволяет эффективно использовать частотный ресурс и обеспечивать непрерывную связь при перемещении абонентов.


Передача голоса и данных в сетях разных поколений

Технологии передачи информации существенно различаются в сетях разных поколений:

  • 2G GSM — коммутация каналов для голоса, медленная пакетная передача данных GPRS
  • 3G UMTS — коммутация каналов для голоса, высокоскоростная пакетная передача данных
  • 4G LTE — только пакетная передача, голос передается по технологии VoLTE

Переход к полностью пакетной передаче в 4G позволил значительно повысить эффективность использования сетевых ресурсов.

Ключевые отличия сетей с коммутацией каналов и пакетов

Сети с коммутацией каналов и пакетов имеют принципиальные различия:

Коммутация каналовКоммутация пакетов
Выделенный канал на все время соединенияРазделение данных на пакеты
Гарантированное качество связиБолее эффективное использование ресурсов
Используется для голосовой связиПодходит для передачи данных

Современные сети используют преимущественно пакетную коммутацию, что позволяет повысить емкость сети и внедрять новые сервисы.


Перспективы развития сетей мобильной связи

Развитие мобильных сетей продолжается. Основные тенденции включают:

  • Внедрение сетей 5G с ультравысокими скоростями
  • Развитие технологий IoT и межмашинного взаимодействия
  • Виртуализация сетевых функций (NFV)
  • Программно-определяемые сети (SDN)
  • Развитие технологий edge computing

Это позволит существенно расширить возможности мобильных сетей и создать основу для новых инновационных сервисов.


Как устроена сеть сотовой связи GSM/UMTS / Хабр

В комментариях к постам про сеть WiMAX (1, 2) и про GPRS был выражен интерес к сетям сотовой связи, поэтому решил реализовать свою давнюю задумку и описать хабрасообществу как же устроены современные сети сотовой связи.

На приведённой картинке изображена общая структура сетей сотовой связи. Изначально сеть разделяется на 2 больших подсети — сеть радиодоступа (RAN — Radio Access Network) и сеть коммутации или опорную сеть (CN — Core Network).

Хочу подчеркнуть, что буду описывать именно существующие сети сотовой связи для СНГ, потому что в Европе, Америке и Азии сети более развиты и их структура несколько отличается от наших сетей, про это напишу как-нибудь позже, если будет интерес.

Сперва, хотелось бы рассказать в общих словах про сеть, а потом более подробно расскажу про функции каждого из элементов сети.

Существующие сети радиодоступа у наших операторов — продукт долгой эволюции, поэтому они состоят из сети радиодоступа к GSM (GERAN — GSM EDGE Radio Access Network) и сеть радиодоступа к UMTS (UTRAN — UMTS Terrestrial Radio Access Network). Сверху слева на картинке вы видите GERAN, внизу слева, соответственно UTRAN. Наибольшие изменения при переходе от GSM к UMTS происходят как раз в сети радиодоступа — оператору нужно построить вторую сеть и заново покрыть уже имеющиеся территории.

Сеть радиодоступа — эта та паутина, которой охвачены огромные территории городов и открытых местностей, за счёт неё как раз и обеспечивается то огромное погрытие, которое предоставляют сети сотовой связи.

Опорная сеть — ядро сетей сотовой связи. Название опорная — мой вольный перевод, в GSM эту часть сети называют сетью коммутации, в UMTS — Core Network, что по сути можно перевести как ядро сети. К этому ядру, как периферийные устройства к системному блоку, могут подключаться различные сети радиодоступа. Опорная сеть мало эволюционирует в связи с эволюцией от GSM к UMTS, эта сильная эволюция происходит немного позже — её уже прошли западные и азиатские операторы, у нас же она только начинается.

Опорная сеть на приведённой выше картинке разделена на 2 части — верхняя правая часть отвечает за голосовые соединения, или CS-соединения (Circuit Switch), нижняя правая часть отвечает за пакетные соединения, или же PS-соединения (Packet Switch).

Опорная сеть сосредоточена в одном или нескольких зданий, принадлежащих оператору сотовой связи, в больших машинных залах — проще говоря огроменнейшая серверная, где стоит большое количество шкафов оборудования, их ещё холодильниками иногда называют, потому что с виду очень похожи 🙂

HLR — Home Location Register, Регистр положения домашних абонентов.
По сути это большая база данных, в которой хранится всё об абоненте данной сети. В крупных сетях, таких, как у операторов большой тройки, таких узлов несколько — они разбросаны по регионам. Их количество измеряется единицами штук. Для того, чтобы понимать порядки — в Питере такой узел один, в Москве другой, на Урале ещё один, ещё на Кавказе, в Сибири — 3-4 штучки… На практике это может быть распределённая БД, потому что ёмкости одного HLR может не хватить для хранения данных обо всех абонентах. Тогда оператор докупает ещё один HLR (физическое устройство) и организует распределённую БД.

Какая же информация там хранится? По большей части, это информация об услугах, подключенных у абонента:
— может ли абонент совершать исходящие звонки
— может ли абонент отправлять/принимать SMS
— разрешена ли услуга конференц-связи
— ну и все остальные возможные услуги
Также здесь хранится такая важная информация, как идентификатор того MSC, в зоне действия которого сейчас находится абонент. Позже мы увидим для чего это может быть нужно.

MSC — Mobile Switching Center, центр коммутации для мобильных абонентов;
VLR — Visitor Location Register, регистр положения гостевых абонентов.
Логически это 2 раздельных узла, но на практике, это реализовано в одном и том же устройстве.

VLR хранит в себе копию тех данных, которые записаны в HLR с той лишь разницей, что тут уже нет информации о том MSC, в зоне действия которого находится абонент. Здесь хранится информация о том, в зоне действия какого BSC находится данный абонент. Ну и здесь, естественно, хранятся данные только о тех абонентах, которые сейчас находятся в зоне действия того MSC, к которому подключен данный VLR.

MSC — классический коммутатор (конечно, не такой классический, который можно увидеть в музеях, где сидели бабушки и перетыкали проводки). Основные его функции — для исходящего вызова — определить куда переключить вызов, для входящего же соединения — определить на какой BSC отправить вызов. Для выполнения этих то функций он и обращается в VLR за хранящейся там информацией. Здесь стоит заметить, что это плюс разнесения HLR и VLR — MSC не будет стучаться в HLR каждый раз, когда абоненту что-то нужно, а будет всё делать своими силами. Также MSC собирает данные для биллинга, далее эти данные скармливаются соответствующим системам.

AUC — AUthentication Center, центр аутентификации абонентов. Этот узел отвечает за то, чтобы злоумышленник не мог получить доступ к сети от вашего лица. Также этот узел генерирует ключи шифрования, с помощью которых шифруется ваше соединение с сетью в самом уязвимом месте — на радиоинтерфейсе.

GMSC — Gateway MSC, шлюзовой коммутатор. Этот узел сети используется только при входящих вызовах. У операторов есть определённая номерная ёмкость, этой номерной ёмкости сопоставляются шлюзовые коммутаторы сетей связи (сотовых, фиксированных). Когда вы набираете номер друга, ваш звонок доходит до коммутатора (MSC) вашей сети и он определяет куда дальше отправить этот вызов на основе имеющихся у него соответствий между номерами и шлюзами сетей. Звонок отправляется на GMSC сотового оператора, которым пользуется ваш друг. Далее GMSC делает запрос в HLR и узнаёт в зоне действия какого MSC сейчас находится вызываемый абонент. Туда дальше и перенаправляется вызов.

SGSN — Serving GPRS Support Node, обслуживающий узел поддержки GPRS. Этот узел отвечает за то, чтобы определить каким образом предоставлять услуги на основе запрошенной APN (Access Point Name, точки доступа, например, mms.beeline.ru). Также на этом узле осуществляется посчёт трафика.

GGSN — Gateway GPRS Support Node, шлюзовой узел поддержки GPRS. Ну это шлюз, отвечает за правильную доставку пакетов до пользователя.

BSC — Base Station Controller, контроллер базовых станций. Узел, к которому подключаются базовые станции, дальше он осуществляет управление базовыми станциями — назначает какому абоненту где сколько ресурсов выделить, определяет каким образом осуществляются хэндоверы. Когда с MSC приходит сигнал о входящем соединении для абонента, контроллер осуществляет процедуру пейджинга — через все подчинённые ему базовые станции посылает вызов данному абоненту, который должен отозваться через одну из базовых станций.

TRC — TRansCoder, транскодер. Устройство, отвечающее за перекодирование речи из формата GSM в стандартный формат телефонии, используемый в фиксированных сетях связи и обратно. Таким образом, получается, что речь передаётся в формате сетей фиксированной связи в сети GSM на участке от GMSC до TRC.

BTS — Base Transceiver Station, базовая приёмопередающая станция. Это то, что непосредственно находится близко к самому пользователю. Именно базовые станции образуют ту самую паутину, которой накрывают операторы сотовой связи, именно от их количества зависит территория, на которой предоставляют услуги операторы сотовой связи. По сути — довольно глупое устройство, оно обеспечивает выделение пользователям отдельных каналов связи, преобразует сигнал в высокочастотный, который будет передаваться в эфир, ну и выдаёт этот самый высокочастотный сигнал на антенны. А вот антенны то мы и можем наблюдать каждый день.

Хочу заметить, что антеннки — это не есть базовая станция 🙂 Базовая станция похожа на холодильник — шкафчик с модулями, который стоит в специальном месте. Это специальное место — например, синенькие вагончики, которые ставятся под красно-белыми вышками где-нибудь в пригороде.

Более подробно можно почитать в недавно опубликованной статье про базовые станции.

RNC — Radio Network Controller, контроллер сети радиодоступа. По сути выступает в той же роли, что BSC в GERAN.

NodeB, базовая станция в UMTS. Аналог BTS в GSM.

В целом, здесь описаны все жизненно важные элементы сети GSM/UMTS. Здесь я не упоминал ещё некоторые узлы, такие как SMS-C (SMS-Center), MMS-C (MMS-Center), WAP-GW (WAP-Gateway).

Если статья вызовет интерес, то в дальнейшем могу рассказать более подробно про сети радиодоступа GERAN и UTRAN, потому что я занимаюсь по большей части именно радийными вещами.

Также уже есть идеи для ряда статей на основе вопросов, вызвавших интерес, в комментариях к статьям по телекоммуникациям, пока не буду раскрывать интригу — задавайте интересные вопросы — будут интересные статьи! 😉

UPD: в комментариях отписались эксперты в своих областях, что очень интересно почитать:
1. Ветка про ПО, устанавливаемом на оборудовании;
2. Ветка про отличия наших (СНГшных) сетей и сетей в Европе/США/Азии;
3. Комментрии от пользователя DeSh с поправлениями и уточнениями: тыц, тыц.
Да и вообще в комментариях довольно много всего интересного всплыло помимо выделенных мной комментариев.

ЧТО ТАКОЕ СОТОВАЯ СВЯЗЬ? Улучшение качества сотовой связи, усиление сигнала GSM

Сотовая связь — один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть.
Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами). Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.

Основные составляющие сотовой сети — это сотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией идет по одному из цифровых протоколов (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS, LTE). Если телефон выходит из поля действия базовой станции (или качество радио сигнала сервисной соты ухудшается), он налаживает связь с другой (англ. handover). Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие. Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные. Операторы могут заключать между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Как правило, это осуществляется по повышенным тарифам.

Сайт www.GSMport.ru носит исключительно информационный характер и никакая информация, опубликованная на нём ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями пункта 2 статьи 437 Гражданского кодекса Российской Федерации. Для получения подробной информации о реализуемых товарах, работах и услугах и их цене необходимо обращаться к менеджерам ООО «СЕТЕВЫЕ СИСТЕМЫ».

Copyright 2005-2015

При использовании материалов в сети Интернет гиперссылка на www.GSMport.ru обязательна

Мы продаем оборудование — GSM репитеры PicoCell и материалы для систем усиления сотовой связи. Производим монтажные работы и гарантийное обслуживание, постгарантийное обслуживание (цена договорная). Мы поможем ВАМ оперативно купить усилитель сигнала сотовой связи и решить любой вопрос по улучшению сигнала связи на любом объекте — дача, квартира и т. д.

Руководство для начинающих по инфраструктуре мобильной связи

Введение

За последние несколько десятилетий, начиная с появления мобильной сети первого поколения (1G) в начале 1980-х годов, в 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 .
…
Коммутация пакетов может быть противопоставлена ​​ коммутации каналов , в которой 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, поскольку стоимость канала 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 соединениях , таких как электронная почта или передача файлов, такие колебания, вероятно, не вызывают большого беспокойства, 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 по стандарту 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 услуг 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 подключается к базовой приемопередающей станции (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:

  • Мобильный коммутационный центр (MSC) — управляет маршрутизацией вызовов, установкой вызова и базовым переключением. MSC обрабатывает несколько BSC, а также координирует свои действия с другими MSC.
  • Шлюзовый центр коммутации мобильной связи (GMSC) — Направляет вызовы абонентов в/из сети мобильной связи.
  • Home Location Register (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

General Packet Radio System (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-связи (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, 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 900 11 . 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 9.0064 [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 построен 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 несколько меняется инфраструктура, 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

В то время как 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, 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 правил политик и тарификации (PCRF) — поддерживает обнаружение потоков служебных данных, применение политик и тарификацию на основе потоков.

VoLTE/IMS

Voice over 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, используя базовую сеть IP Multimedia Subsystem (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 множество компонентов, которые выходят далеко за рамки этой статьи. Тем не менее, 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 медиа-шлюзами (MGCF) — управляет медиа-шлюзами, 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, 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 минимальной мощности 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. [20]

Архитектура

Разделение уровней управления и пользователя (CUPS)

CUPS (Разделение уровней управления и пользователя) — важная эволюция 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 распределения ресурсов между компонентами плоскости пользователя или плоскости управления.


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

Сервисная архитектура (SBA)

Базовая сеть 5G будет основана на так называемой «Сервисной архитектуре » (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).


Рис. 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 плоскости пользователя) — аналогичны ролям, которые выполняет шлюз обслуживания/пакетов 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

  1. «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. ↩︎

  2. «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. ↩︎

  3. «GSM — подсистема базовой станции (BSS) — Tutorialspoint». https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_base_station_subsystem.htm. По состоянию на 6 марта 2019 г.. ↩︎

  4. «GSM — подсистема базовой станции (BSS) — Tutorialspoint». https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_base_station_subsystem.htm. По состоянию на 6 марта 2019 г. ↩︎

  5. «GSM — подсистема сетевой коммутации (NSS) — CoderLessons.com». https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_network_switching_subsystem.htm. По состоянию на 6 марта 2019 г. ↩︎

  6. «GSM — подсистема сетевой коммутации (NSS) — CoderLessons.com». https://www.tutorialspoint.com/gsm/gsm_network_switching_subsystem.htm. По состоянию на 6 марта 2019 г.. ↩︎

  7. «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. ↩︎

  8. «Архитектура GPRS — Tutorialspoint». https://www.tutorialspoint.com/gprs/gprs_architecture.htm. По состоянию на 7 марта 2019 г. ↩︎

  9. «Cellular Concepts Edge — Tutorialspoint». https://www.tutorialspoint.com/umts/umts_cellular_concepts_edge.htm. По состоянию на 7 марта 2019 г. ↩︎

  10. «eNodeB — Википедия». https://en.wikipedia.org/wiki/ENodeB. По состоянию на 8 марта 2019 г. ↩︎

  11. «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. ↩︎

  12. «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. ↩︎

  13. «Архитектура сети LTE — CoderLessons.com». https://www.tutorialspoint.com/lte/lte_network_architecture.htm. По состоянию на 8 марта 2019 г. ↩︎

  14. «Архитектура сети LTE — CoderLessons.com». https://www.tutorialspoint.com/lte/lte_network_architecture.htm. По состоянию на 8 марта 2019 г. ↩︎

  15. «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. . ↩︎

  16. «От низкочастотного диапазона к миллиметровому: 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. ↩︎

  17. «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. ↩︎

  18. «От низкочастотного диапазона к миллиметровому: 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. ↩︎

  19. «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. ↩︎

  20. «5G — Википедия». https://en.wikipedia.org/wiki/5G. По состоянию на 11 марта 2019 г. ↩︎

  21. «Сетевая архитектура 5G и FMC — ITU». https://www.itu.int/en/ITU-T/Workshops-and-Seminars/201707/Documents/Joe-Wilke-%205G%20Network%20Architecture%20and%20FMC.pdf. По состоянию на 12 марта 2019 г.. ↩︎

  22. «UPF — функция плоскости пользователя — спиритическая». https://www.mpirical.com/glossary/upf-user-plane-function. По состоянию на 11 марта 2019 г. ↩︎

  23. «Архитектура на основе услуг 5G (SBA) — 5G NR — средний». 20 октября 2018 г., https://medium.com/5g-nr/5g-service-based-architecture-sba-47900b0ded0a. По состоянию на 11 марта 2019 г. ↩︎

  24. «NSSF — Функция выбора сетевого сегмента — MPirical». https://www.mpirical.com/glossary/nssf-network-slice-selection-function. По состоянию на 11 марта 2019 г.. ↩︎

Введение в мобильную связь — Javatpoint

следующий → ← предыдущая

Мобильная связь — это использование технологии, которая позволяет нам общаться с другими людьми в разных местах без использования какого-либо физического соединения (проводов или кабелей). Мобильная связь делает нашу жизнь проще, экономит время и силы.

Мобильный телефон (также называемый мобильной сотовой сетью, сотовым телефоном или переносным телефоном) является примером мобильной связи (беспроводной связи). Это электрическое устройство, используемое для полнодуплексной двусторонней радиосвязи по сотовой сети базовых станций, известной как сотовая связь.

Особенности мобильной связи

Особенности мобильной связи:

  • Балансировка нагрузки высокой емкости: Каждая проводная или беспроводная инфраструктура должна включать балансировку нагрузки высокой емкости.
    Балансировка нагрузки с высокой пропускной способностью означает, что при перегрузке одной точки доступа система будет активно переключать пользователей с одной точки доступа на другую в зависимости от доступной емкости.
  • Масштабируемость: Рост популярности новых беспроводных устройств постоянно увеличивается день ото дня. Беспроводные сети могут начинаться с малого, если это необходимо, но расширяться с точки зрения покрытия и пропускной способности по мере необходимости — без необходимости капитального ремонта или строительства совершенно новой сети.
  • Система управления сетью: В наши дни беспроводные сети намного сложнее и могут состоять из сотен или даже тысяч точек доступа, брандмауэров, коммутаторов, управляемого питания и различных других компонентов.
    Беспроводные сети имеют более разумный способ управления всей сетью из централизованной точки.
  • Управление доступом на основе ролей: Управление доступом на основе ролей (RBAC) позволяет назначать роли в зависимости от того, что, кто, где, когда и как пользователь или устройство пытается получить доступ к вашей сети.
    После определения конечного пользователя или роли устройств можно применять политики или правила управления доступом.
    • Варианты покрытия как внутри помещения, так и снаружи: Важно, чтобы ваша беспроводная система имела возможность добавления покрытия как внутри помещения, так и снаружи.
    • Контроль доступа к сети: Контроль доступа к сети также может называться регистрацией мобильного устройства. Очень важно иметь безопасную регистрацию.
      Управление доступом к сети (NAC) контролирует роль пользователя и применяет политики. NAC может разрешить вашим пользователям регистрироваться в сети. Это полезная функция, которая улучшает пользовательский опыт.
    • Управление мобильными устройствами: Предположим, к вашей беспроводной сети подключено множество мобильных устройств; теперь подумайте о тысячах приложений, работающих на этих мобильных устройствах.
      Как вы планируете управлять всеми этими устройствами и их приложениями, особенно когда устройства приходят и уходят из вашего бизнеса?
      Управление мобильными устройствами может обеспечить контроль над тем, как вы будете управлять доступом к программам и приложениям. Даже вы можете удаленно стереть устройство, если оно потеряно или украдено.
    • Роуминг: Вам не нужно беспокоиться об обрывах соединения, снижении скорости или каких-либо сбоях в обслуживании, когда вы перемещаетесь по офису или даже из здания в здание. Беспроводная связь должна быть в первую очередь мобильной.
      Роуминг позволяет вашим конечным пользователям успешно перемещаться с одной точки доступа на другую, не замечая снижения производительности.
      Например, разрешить учащемуся проверять свою почту, когда он переходит из одного класса в другой.
    • Избыточность: Уровень или объем резервирования, требуемый вашей беспроводной системе, зависит от конкретной среды и потребностей.
    • Например: В больничной среде потребуется более высокий уровень резервирования, чем в кофейне. Однако, в конце концов, им обоим необходимо иметь запасной план.
    • Надлежащая безопасность означает использование правильного брандмауэра: Основой системы является сетевой брандмауэр. Установив правильный брандмауэр, вы сможете:
      • Просматривайте и контролируйте как свои приложения, так и конечных пользователей.
      • Создайте правильный баланс между безопасностью и производительностью.
      • Уменьшите сложность с помощью:
        • Антивирусная защита.
        • Глубокая проверка пакетов (DPI)
        • Фильтрация приложений
      • Защитите свою сеть и конечных пользователей от известных и неизвестных потоков, включая:
        • Нулевой день.
        • Зашифрованное вредоносное ПО.
        • Программы-вымогатели.
        • Вредоносные ботнеты.
    • Коммутация: По сути, сетевой коммутатор — это регулировщик трафика вашей беспроводной сети, который следит за тем, чтобы все и каждое устройство попадали туда, куда им нужно. Коммутация
      является неотъемлемой частью любой быстрой и безопасной беспроводной сети по нескольким причинам:
      • Повышает эффективность трафика в вашей сети.
      • Минимизирует ненужный трафик.
      • Улучшает взаимодействие с пользователем, гарантируя, что ваш трафик направляется в нужные места.

    Преимущества мобильной связи

    Преимущества мобильной связи: