Sítě UMTS

Autor: R. Bešťák, I. Pravda <pravdai(at)fel.cvut.cz>, Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL, Téma: Mobilní sítě, Vydáno dne: 30. 12. 2005

V posledních dvou letech řada evropských mobilních operátorů spustila mobilní síť 3. generace - UMTS. V České republice jako první spustil síť UMTS T-Mobile a do konce roku 2005 se přidá i Eurotel. V rámci toho článku se podíváme na základní vlastnosti a strukturu sítě UMTS.


UMTS networks
Abstract
During past two years several of European mobile operators have implemented 3rd generation mobile network – UMTS. In Czech Republic it was T-Mobile, who has it implemented first, and till the end of 2005 also Eurotel will start to implement it also. This paper describes basic characteristics and structure of UMTS networks.


Mobilní sítě 3. generace (označované též jako systémy 3G) jsou implementovány do existujících mobilních sítí 2. generace. Evropská verze systémů 3G se nazývá UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systém). Jeden z konceptů využití mobilních sítí 3. generace předpokládá alespoň zpočátku úplné pokrytí území systémem GSM/GPRS (Global System for Mobile Communication/General Packet Radio Service) a malé oblasti pokryté systémem UMTS. Pro telefonní služby se tedy alespoň v blízké budoucnosti může stále používat systém GSM (viz též článek Mobilní sítě).

Oproti GSM/GPRS systém UMTS přináší pro uživatele několik vylepšení. Mezi hlavní z nich patří podpora několika současně aktivních služeb. Uživatel může mít např. spuštěnu videokonferenci a současně si ze serveru stahovat své e-maily. Vlastnosti spojeni na rádiovém rozhranní (rychlost, zpoždění, chybovost, atd.) mohou být dohodnuty a optimalizovány dle konkrétní služby. Neboť není v současné době možné předvídat charakter a ráz budoucích služeb, není taktéž rozumné optimalizovat UMTS pouze pro určitou vybranou třídu služeb. Z tohoto důvodu jsou UMTS specifikace obecnějšího charakteru, jež umožňují podporu stávajících služeb a usnadní implementace nových služeb.

Pro mobilní sítě 3. generace byla zvolena na rádiovém rozhranní technologie CDMA (Code Division Multiple Access). Pro UMTS je použita varianta WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), širokopásmová přístupová metoda. V CDMA neexistuje žádné časové dělení a všichni uživatelé používají přidělené frekvenční pásmo po celou dobu komunikace. K rozeznání různých uživatelů, kteří používají jedno frekvenční pásmo současně, se používá uživateli přidělený binární kód.

V UMTS je úzko-pásmový uživatelský signál rozprostřen do frekvenčního pásma 5 MHz (šířka kanálu) vynásobením uživatelského bitového toku pseudonáhodnou bitovou sekvencí.

Důležitým milníkem v oblasti systémů 3G byl rok 1992. V únoru tohoto roku organizace ITU stanovila pro systémy 3G frekvenční pásma:

K výše uvedeným frekvenčním pásmům z roku 1992, byla v roce 2000 přidána další tři pásma: 806÷960MHz, 1710÷1885 MHz, a 2500÷2690 MHz. V rámci Evropy je nicméně použitelné pouze třetí z nich, prvé a druhé frekvenční pásmo je již obsazeno technologií GSM.

UMTS využívá pro duplexní přenos jak FDD (Frequency Division Duplex) pro párové pásmo tak TDD (Time Division Duplex) pro pásmo nepárové. Pro FDD byla zvolena přístupová metoda WCDMA, kdežto pro TDD přístupová metoda TD-CDMA (Time Divison CDMA).

UMTS_5

Tab.1 Frekvenční pásma v UMTS

Cílem systému GSM byl přenos hovorového signálu a mezinárodní roaming. Ve srovnání s tím, systém UMTS je zaměřen na multimediální služby a vysokorychlostní datové přenosy. Původní myšlenkou sítí UMTS bylo nabídnout tuto službu tam, kde se koncentrují potenciální zájemci, tedy ve velkých městech a v hustě obydlených oblastech. Například ve Švédsku, které je celoplošně pokryto sítí GSM/GPRS, se staví malé ostrůvky sítí UMTS pokrývající pouze největší švédská města. S malými modifikacemi by takový model měl, alespoň zpočátku po zavedení UMTS, fungovat v celé Evropě, tedy i v ČR. Předpokladem pro tento přechod je implementovaná technologie GSM/GPRS GSM.

Na obrázku 1 je zobrazena zjednodušená struktura systému UMTS. V nejvyšší úrovni se nachází páteřní síť CN (Core Network). Směrem k uživatelům dále následuje radiová přístupová síť UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network), a konečně uživatelé přistupují k UMTS síti pomocí uživatelských terminálů UE (User Equipment).

UMTS_1

Obr.1 Struktura systému UMTS

Přístupové síti UTRAN odpovídá v GSM oblasti subsystém základnových stanic BSS (Base Station Subsystem) a páteřní síti CN odpovídá síťový spojovací subsystém NSS (Network and Switching Subsystem).

Seznam použitých zkratek uveden též v závěru článku. (pozn. red.)

Uživatelský terminál

Uživatelský terminál (UE) je v podstatě "mobilní telefon", který se skládá ze dvou částí (viz obr.2). Je to jednak část označovaná jako ME (Mobile Equipment), jež se stará o navázání radiového spojení přes rádiové rozhraní. Druhá část, je podobně jako u sítí GSM, karta SIM. V UMTS se značí jako USIM (UMTS Subscriber Identity Module). USIM slouží k identifikaci uživatele, uchovává autorizační a šifrovací klíče plus některé další informace vyžadované terminálem.

V rámci UMTS struktury, uživatelský terminál nepatří do části UTRAN, jedná se o samostatnou součást systému UMTS.

UMTS_2

Obr.2 Schéma uživatelského terminálu

Přístupová síť

Přístupová síť (UTRAN) představuje část sítě, která umožňuje uživatelům mobilní přístup ke službám poskytovaným páteřní sítí CN pomocí rádiového prostředí (rozhranní Uu). V této souvislosti plní UTRAN dvě hlavní funkce:

Pro splnění těchto funkcí jsou definovány dvě síťové jednotky (viz obr.3):

Síť UTRAN se skládá z jednoho nebo více subsystémů rádiových sítí RNS (Radio Network Sub-system). Každý tento subsystém řídí jednotka RNC, která je připojena do páteřní sítě přes rozhranní Iu.

Oproti GSM, UMTS definuje propojení mezi RNC (rozhranní Iur). Jednotka RNC má na starost rádiové zdroje a jejich management pro určitou geografickou oblast, rozdělenou na jednotlivé buňky. O pokrytí jednotlivých buněk rádiovým signálem se starají základnové stanice, označované Node B. Základnové stanice jsou s RNC propojeny přes rozhranní Iub.

UMTS_3

Obr.3 Struktura a rozhranní přístupové sítě UTRAN

Při každém uskutečněném spojení pracuje jeden RNC jako tzv. Serving RNC (SRNC). Jedná se o RNC, který v průběhu spojení komunikuje s páteřní sítí. V případě přechodu účastníka do oblasti jiného RNC, slouží tento nový RNC jako tzv. Drift RNS (DRNC). Úkolem DRNC je podpora pro SRNC tím, že poskytuje rádiové prostředky v době, kdy spojení mezi UTRAN a UE vyžaduje použití buněk, kontrolovaných tímto RNC. V případě, že DRNC má přímé připojení k CN, může později převzít úlohu SRNC.

Základnová stanice

Základnová stanice (Node B) obsahuje rádiové přijímače, vysílače a anténní systém obsluhující jednu nebo více buněk a slouží jako jednotka, zprostředkující přenos dat mezi rádiovým rozhraním na jedné straně a pozemskou pevnou částí sítě na straně druhé. Node-B také může podporovat různé přístupové techniky (W-CDMA, TD-CDMA). Základními funkcemi jednotky Node-B jsou modulace a demodulace, vysílání a příjem, kódování fyzických kanálů, mikro diverzita, ochrana proti chybám a řízení vysílacího výkonu

Řídící jednotka rádiové sítě

Řídící jednotka rádiové sítě (RNC) kontroluje funkčnost jedné nebo několika základnových stanic. Má na starost přidělování rádiových prostředků (kódů, výkonu) a sledování pohyb (mobilitu) účastníka. Mezi funkce RNC patří řízení rádiových prostředků, přidělování rádiových kanálů, kontrola přístupu (zabezpečení), šifrování, řízení handoveru, řízení vysílacího výkonu, makro diverzita, segmentce a zpětné slučování a bezchybný přenos dat.

V přístupové síti UTRAN jsou definována čtyři logická rozhraní, která propojují jednotlivé funkční jednotky této sítě a propojují UTRAN s dalšími jednotkami systému UMTS:

Komunikace na výše zmíněných rozhraních je popsána souborem protokolů pro jednotlivé vrstvy v souladu s principem vrstvového modelu RM-OSI. Všechna tato rozhraní jsou využita pro přenos signalizace i informačních signálů.

Páteřní síť

Páteřní síť (CN) či jádro sítě UMTS zajišťuje spojovací funkce (propojení účastníků, směrování paketů), udržuje a aktualizuje důležité uživatelské informace (poloha, bezpečnost, účtování) a zajišťuje propojení do externích sítí (ISDN, X.25, PSTN, Internet, atd.). Jádro sítě UMTS je rozděleno na dvě domény – doména s přepojováním okruhů CS (Circuit Switched) a doména PN s přepojováním paketů (Packet Switched). Tyto dvě domény některé síťové jednotky sdílejí, jiné náleží pouze jedné doméně. Doména CS obsahuje telefonní ústředny MSC a GMSC, které mohou být s určitými změnami převzaty ze současných GSM sítí. Doména PS je složena ze síťových entit pro podporu GPRS (GSN), tj. SGSN a GGSN.

UMTS_4

Obr.4 Struktura a rozhranní UMTS

I v CN je opět definováno několik logických rozhraní. Konkrétně se jedná o rozhraní vůči přístupové síti UTRAN, tedy Iu-PS a Iu-CS. Mezi důležitá rozhraní patří například rozhraní Gn propojující jednotlivé uzly GSN. Rozhraní Gi umožňuje propojení s externími sítěmi založenými na protokolech IP nebo X.25. Další rozhraní jsou použita pro přenos signalizačních dat a jsou shodná s rozhraními v sítích GSM/GPRS. Pro spolupráci jednotlivých UMTS sítí a pro podporu roamingu je třeba definovat ještě rozhraní Gp. Rozhraní Gp slouží k propojení sítě s dalšími pozemskými mobilními telekomunikačními sítěmi PLMN (doména s přepojováním paketů).

Paketově orientovaná doména páteřní sítě pracuje na protokolu IP a z pohledu externí IP sítě se uzel GGSN jeví jako běžný IP směrovač (router). Pro podporu a správnou funkci protokolu IP by měl být v síti operátora dále provozován firewall, tedy ochrana proti nežádoucímu vniknutí z externích sítí. Dále pak služba doménových jmen DNS (Domain Name System) a určitým způsobem musí docházet k přidělování IP adres jednotlivým zařízením. Tuto funkci může plnit GGSN nebo server DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol).

Závěr

Od své prvé verze z roku 1999 (Release 99), vývoj systému UMTS pokračuje neustále kupředu. Nejnovější modifikace v systému umožňují zavedení několik zajímavých služeb (Push to talk, IP telefonii apod.) či zvýšit přenosové rychlosti na rádiovém rozhranní z dosavadních 2 Mbit/s až na 14 Mbit/s (ve směru od sítě k uživateli).

Tento příspěvek vznikl za podpory výzkumného záměru Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií č. MSM6840770014.

Seznam zkratek

BSSBase Station Subsystém
BTSBase Transceiver Station
BSCBase Station Controller
CDMACode Division Multiple Access
CNCore Network
DNSDomain Name System
FDDFrequency Division Duplex
GGSNGateway GPRS Support Node
GMSCGateway Mobile Switching Centre
GSMGlobal System for Mobile communication
GPRSGeneral Packet Radio Service
HLRHome Location Register
IPInternet Protocol
ISDNIntegrated Services Digital Network
ITUInternational Telecommunication Union
MEMobile Equipment
MSCMobile Switching Centre
MSSMobile Satelite Service
NSSNetwork and Switching Subsystem
OSIOpen System Interconnection
PLMNPublic Land Mobile Network
QoSQuality of Services
RNCRadio Network Controller
RNSRadio Network Sub-system
SGSNServing General Packet Radio Service Support Node
TDD Time Division Duplex
TDMATime Division Multiple Access
UEUser Equipment
UMTSUniversal Mobile Telecommunication Systém
USIM UMTS Subscriber Identity Module
UTRANUMTS Terrestrial Radio Access Network
VLRVisitor Location Register
WCDMAWideband Code Division Multiple Access

Literatura

[1] H. Holma, A. Toskala. WCDMA for UMTS, Radio Access for Third Generation Mobile Communications, second edition. John Wiley & Sons, Ltd. England 2002. ISBN 0-470-84467-1.
[2] J. Sanchez, M. Thioune. UMTS services, architecture et WCDMA. Hermes Science Publication. Paris 2001. ISBN 2-7462-0335-9.