CC BY
152
АВТОМАТИКА, ЭЛЕКТРОНИКА И СРЕДСТВА СВЯЗИ
УДК 621.396.94
Г.Г. Павлова, А.В. Надымов, В.В. Петросьянц, Цао Чженьюй
ПАВЛОВА Галина Геннадьевна - доцент кафедры электроники и средств связи Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: pgg06@rambler.ru
НАДЫМОВ Алексей Владимирович - ассистент кафедры электроники и средств связи Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: alexeyrus@mail15.com
ПЕТРОСЬЯНЦ Виктор Владимирович - кандидат технических наук, профессор кафедры электроники и средств связи Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: petrosyantsvv@gmail.com
ЦАО Чженьюй - магистрант 2 года направления 210700.68 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).
E-mail: czy575@mail.ru
ПЕРСПЕКТИВЫ МОДЕРНИЗАЦИИ СЕТЕЙ СВЯЗИ: ОТ 2G/3G К LTE
С точки зрения инженерного планирования сетей четвертого поколения, помимо создания завершенной ультрасовременной мобильной системы, необходима интеграция в существующую на данной территории концепцию мобильной связи. Данная стратегия подразумевает создание объединенной сети с учетом условий, необходимых для поддержания взаимодействия сети 4G с существующими сетями 2G/3G.
Ключевые слова: сетевые решения, стандарт LTE, сети мобильной связи, интеграция 3G/LTE.
© Павлова Г.Г., Надымов А.В., Петросьянц В.В., Цао Чженьюй, 2013
The prospects for the development of communication networks. Galina G. Pavlova, Aleksey V. Nadymov, Victor V. Petrosyants, Cao Zhenyu, School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
Nowadays, no consumer of wireless traffic may be impressed by the terms "mobile communication of the fourth generation" and "4G networks". However from the point of view of engineering planning of the fourth generation wireless networks, it should be realised that, in addition to establishing an accomplished ultra-modern mobile system, it is necessary that it should be integrated into the mobile communication system existing on a given territory. The strategy implies an establishment of a united network, in which interaction between the 4G network and the existing 2G/3G networks must be secured.
Key words: network decisions, LTE standard, networks of mobile communication, integration 3G/LTE.
Основной целью создания стандарта четвертого поколения LTE (англ. Long Term Evolution) можно назвать наращивание возможностей высокоскоростных систем мобильной связи, уменьшение стоимости передачи данных, возможность предоставления широкого спектра всевозможных услуг. LTE сеть кардинально отличается от сетей 2G/3G, во-первых, принципиально иным методом формирования группового радиосигнала, во-вторых, значительно расширенным логическим уровнем и отличным программным обеспечением, в-третьих, повышенной абонентской емкостью, намного большими скоростями передачи в восходящем и нисходящем каналах, более разумным использованием частотного ресурса. Повышение скорости передачи данных означает и повышение уровня поставляемых услуг, что, в свою очередь, способствует внедрению современных мультимедийных сервисов, таких как многопользовательские игры, телевидение, видеоконференции и др. в мобильные приложения [1].
Известно, что 2G - цифровая мобильная связь с коммутацией каналов (стандарты GSM 900/1800 и cdmaOne). 3G - стандарты UMTS и CDMA2000, которые предусматривают наряду с коммутацией каналов и пакетную передачу данных. Основой для создания семейства стандартов 3G стала технология радиодоступа WCDMA (англ. Wideband Code Division Multiple Access). Сети, разработанные на основе WCDMA, имеют все функции и возможности GSM и радиоинтерфейс WCDMA, который обеспечивает передачу данных с теоретической скоростью до 7 Мбит/с (при использовании высокоскоростного сервиса HSDPA). В радиоканале используется частотный диапазон 5 ГГц.
Стандарт четвертого поколения LTE характеризует беспроводную мобильную сеть, которая позволяет достигнуть скорости передачи данных до 300 Мбит/с. При этом стандартом предусмотрена возможность работы сети в нескольких радиочастотных диапазонах, начиная от 700 МГц, заканчивая 4 ГГц, с вариативным дуплексом FDD (частотный дуплекс) или TDD (временной дуплекс).
В настоящей работе ставится перспективная задача модернизации существующих сетей 2G и 3G путем их преобразования и интеграции, что позволит перейти к сетям 4G.
Телекоммуникационный разрыв
Разница в скорости технологий беспроводной связи в мире уже такова, что операторы по всему миру готовы к переменам и даже многие из них уже приступили к сворачиванию/модернизации сетей 2-го и 3-го поколений. В то же время еще очень велико количество стран, в которых нет национальных операторов, запустивших собственные сети 4-го поколения.
По причине значительного роста спроса на беспроводный широкополосный доступ от операторов требуется обладание достаточным частотным ресурсом и возможностью обеспечить требуемую пропускную способность сети. Поэтому операторам необходимо гарантировать качество своих услуг при переводе действующего радиоресурса сетей 2G/3G под услуги 4G. Слияние технологии 4G с сетями предыдущих поколений позволит плавно перейти от устаревших сетей к современным, со всеми вытекающими последствиями, а также сохранит традиционные услуги связи, такие, как например, голосовые звонки и обмен текстовыми сообщениями SMS.
Сетевые решения
В интегрированных сетях необходимо использовать уже развернутые в сетях 2G/3G элементы основной сети, такие как SGSN и GGSN.
Так, SGSN (англ. Serving GPRS Support Node) - это узел обслуживания абонентов GPRS, основной компонент GPRS-системы по реализации всех функций обработки пакетной информации. Он является точкой соединения между системой базовых станций (BSS) сети радиодоступа (RAN) и базовой сетью (CN), взаимодействующей с HLR (англ. Home Location Register) - централизованной базой данных, которая содержит информацию о каждом абоненте данной сети. SGSN можно назвать аналогом коммутатора MSC сети GSM. SGSN выполняет следующие функции:
• контроль доставки пакетов данных пользователям;
• взаимодействие с реестром собственных абонентов сети HLR или аутентификация;
• мониторинг пользователей, находящихся в режиме online;
• преобразование кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP глобальной компьютерной сети Internet;
• регистрация абонентов, вновь «появившихся» в зоне действия сети;
• шифрование данных в соответствии с алгоритмом шифрования в технологии GPRS;
• сбор поступающей биллинговой информации, т.е. информации об использовании телекоммуникационных услуг, их тарификацию, выставление счетов абонентам и т.д.
В свою очередь, GGSN (англ. GPRS Gateway Service Node) - это узел, входящий в состав GPRS Core Network и обеспечивающий маршрутизацию данных между GPRS Core network (GTP) и внешними IP сетями. Помимо маршрутизации, GGSN обеспечивает запросы на аутентификацию к RADIUS серверу, а также взаимодействие с DNS серверами для определения IP адреса, запрошенного пользователем. Основной функцией GGSN является роуминг (маршрутизация) данных, идущих к абоненту и от него через SGSN.
Функциями GGSN являются:
• адресация данных;
• динамическая выдача IP-адресов;
• отслеживание информации о внешних сетях и собственных абонентах;
• хранение маршрутизирующей базы данных, базы данных с адресами и фильтрующей базы данных основной сети, после введения LTE сети, что необходимо для поддержки функций, выполняемых MME (англ. Mobility Management Entity - узел управления мобильностью) и SAE-GW (SGW) (англ. Serving Gateway - обслуживающий шлюз) [2].
Одним из вариантов сетевого решения рассматриваемой интеграции является сохранение в так называемых независимых сетях 2G/3G доступа существующих элементов основной сети - SGSN и GGSN, а также включение новых устройств, таких как MME, SAE-GW (SGW), которые с учетом передачи межсистемных функций поддерживают LTE доступ (рис. 1).
ММЕ (англ. Mobility Management Entity - узел управления мобильностью) - это ключевой контролирующий модуль для сети доступа LTE. Он отвечает за процедуры обеспечения мобильности, хэндовера, слежения и пейджинга UE (англ. User Equipment -пользовательское устройство), а также участвует в процессах активации/дезактивации сетевых ресурсов.
SAE-GW (SGW) (англ. Serving Gateway - обслуживающий шлюз) предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных, поступающих из/в подсистему базовых станций. SGW маршрутизирует и направляет пакеты с пользовательскими данными, в то же время выполняя роль узла управления мобильностью (англ. mobility anchor) для пользовательских данных между базовыми станциями, также являясь узлом управления мобильностью между сетью LTE и сетями с другими технологиями (рис.1).
Регистр местоположения абонента HLR/HSS (англ. Home Location Register/Home Subscriber Server), который является расширением HLR, включает в себя всю административную информацию по каждому абоненту, зарегистрированному в этой сети, информацию о разрешенных услугах и информацию о текущем местоположении мобильной станции в форме адреса сигнализации текущего гостевого регистра местоположения VLR (англ. Visitor Location Register).
Преимущества внедрения независимых (интегрированных) сетей:
• LTE сеть является сетью вторичного развертывания и планирования, что служит фактором, исключающим негативное влияние существующей сети (2G/3G);
• внедрение LTE сети не снижает качества услуги 2G/3G.
Недостатком внедрения независимых (интегрированных) сетей является:
• низкая эффективность передачи между 2G/3G и LTE;
• увеличение оборудование ядра сети;
• увеличение эксплуатационных расходов.
Рис. 1. Независимые сети
Другим вариантом сетевого решения является создание так называемых гибридных сетей путем обновления старого SGSN (узла обслуживания абонентов GPRS) с тем, чтобы он поддерживал функции MME (узла управления мобильностью), или же, наоборот, подключение ММЕ, поддерживающего функции старого SGSN, и, соответственно подключение нового SAE-GW - обслуживающего шлюза (рис. 2).
Рис. 2. Гибридные сети
Преимуществом внедрения гибридных сетей являются:
• возможность распространения опорной сети на основе существующих сетей, что избавляет от необходимости повторного разворачивания сети;
• возможность совместного использования сетевых ресурсов 2G/3G и LTE сетей;
• высокая эффективность передачи информации между 2G/3G и LTE. Недостатком является то, что:
• новая сеть снижает качество услуги 2G/3G;
• существующим сетям необходимо обновление с тем, чтобы поддерживать функции MME [4].
Третьим вариантом сетевого решения является создание так называемых независимых 2G-сетей, в результате отделения старых узлов SGSN и GGSN для поддержания 2G-сети и подключения MME и SAE-GW/PGW для 3G/LTE (рис. 3).
Рис. 3. Независимые 2G-ce™
Преимуществом внедрения независимых 2G-сетей является постепенное снижение сетевого тарифа 2G.
Недостатками их внедрения являются:
• необходимость дополнительных подключений для дальнейшего отделения 2G от существующих смешанных 2G/3G сетей;
• увеличение затрат на техническое обслуживание.
Итак, первоочередной задачей при создании сетей LTE в городах и густонаселенных районах является наличие условий, необходимых для поддержания взаимодействия сетей LTE с существующими сетями 2G/3G. Таким образом, на основании вышеизложенных критериев наиболее рациональным является первый вариант сетевых решений (независимые сети).
На последующем этапе построения сетей LTE необходимо постепенное обновление узла обслуживания абонентов SGSN, поддерживающего функцию MME. Так как MME обеспечивает доступ сети 2G/3G для управления плоскостью сетевой интеграции, то услуги сети плавно перейдут от 2G/3G к LTE. Таким образом, для выполнения вышеизложенных условий наиболее приемлемой является второй вариант сетевых решений (гибридные сети).
На конечном этапе построения сетей LTE, при увеличении числа пользователей сетями LTE, происходит полное обновление всех сетей при поддержке MME функции MME/SGSN. Постепенная интеграция 3G и LTE сетей устранит 2G-сеть, поэтому для конечного этапа построения сетей LTE можно использовать третий вариант сетевых решений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Lecuyer P., Thierry L. Evolved Packet System (EPS): the LTE and SAE Evolution of 3G UMTS, IohnWiley&Sons, 2008. URL: http://ru.scribd.com/doc/72797363/Evolved-Packet-System-the-LTE-and-SAE-Evolution-of-3g-Umts-Mar (дата обращения: 2.09.2012).
2. LTE технология, сети LTE. URL: http://www.yota-system.ru/info/333/ (дата обращения: 10.10.2012).
3. 3GGP TS 32.299 V8.7.0 2009-06 3rd Generation Partnership Project: Technical Specification Group Services and System Aspects: Telecommunication management: Charging management: Diameter charging applications // 3GPP TS 21.101 V8.1.0 (2009-06) (Release 8). URL: www.quintillion.co.jp/3GPP/.../21101-810 (дата обращения: 12.10.2012).
