Embed Size (px)
Citation preview
ANOTACE
Diplomová práce se zaměřuje na rozbor signalizace v mobilní síti 3. generace UMTS. V první části diplomové práce je rozebrána problematika obecného popisu standardu
IMT-2000 zaměřená především na mnohonásobnou přístupovou metodu WCDMA, obecný popis struktury s popisem jednotlivých části a zpracování signálu.
V druhé části diplomové práce je popsána signalizace společně s rozborem protokolární struktury na jednotlivých rozhraní. Zaměřuje se především na procedury signalizace sestavení a ukončení spojení s domovskou sítí a externí síti, procedur autentizace, procedury soft-handoveru, intersystem-handoveru a relokaci mobilního terminálu v rámci dvou ústředen MSC.
V třetí části diplomové práce je rozebrána problematika návrhu sítě UMTS ve zvolené lokalitě s praktickým rozmístěním základnových stanic.
Klíčová slova: Protokol, signál, rozhraní, výkon, provozní zatížení
ABSTRACT
Master thesis is focused on signalling analysis of third-generation mobile network UMTS.
In first part of master thesis is described a question of standard IMT-2000, introduces the principles of the WCDMA air interface, gives a wide overview of the UMTS system architecture and signal processing.
In second part of master thesis is described a question of signalling analysis, including general protocol model for UTRAN terrestrial interfaces. This chapter is focused on elementary procedures, Radio Resource Management procedure examples, Mobility Management procedure examples and Call Control procedure examples in the first place.
Last chapter of master thesis is focused on radio network planning of UMTS with practical location of basic station Node-B.
. Keywords: Protocol, signal, interface, load, service load
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že svojí diplomovou práci na téma Rozbor signalizace v UMTS jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího semestrálního projektu a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce.
Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením tohoto projektu jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č.121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne ............... ..................................... (podpis autora)
PODĚKOVÁNÍ
Děkuji vedoucímu diplomové práce Ing. Dušanovi Havelkovi za velmi užitečnou metodickou pomoc a cenné rady při zpracování diplomové práce.
V Brně dne …………… ………………………..
(podpis autora)
SEZNAM ZKRATEK 3GPP 3rd Generation partnership project (produces WCDMA standard) AAL2 ATM Adaptation Layer type 2 AAL5 ATM Adaptation Layer type 5 ACK Acknowledgement AICH Acquisition indication channel ALCAP Access link control application part AMR Adaptive Multi-Rate Speech Coding ATM Asynchronous transfer mode AuC Authentication Centre BCFE Broadcast control functional entity BCFE Broadcast Control Function Entity BCCH Broadcast channel (logical channel) BCH Broadcast channel (transport channel) BCH Broadcast channel (transport channel) BPSK Binary phase shift keying CA-ICH Channel assignment indication channel CC Call Control CCCH Common control channel (logical channel) CD-ICH Collision detection indication channel CDMA Code division multiple access CCH Common transport channel CCH Control channel CN Core network CPCH Common packet channel CPICH Common pilot channel CRC Cyclic redundancy check CS Circuit Switched CSICH CPCH status indication channel CTCH Common traffic channel DCFE Dedicated Control Function Entity DCCH Dedicated control channel (logical channel) DCH Dedicated channel (transport channel) DPCCH Dedicated physical control channel DPDCH Dedicated physical data channel DRNC Drift RNC DS-CDMA Direct spread code division multiple access DSCH Downlink shared channel DTCH Dedicated traffic channel DTX Discontinous Transmission EDGE Enhanced data rates for GSM evolution E-DCH Enhanced uplink DCH EIR Equipment Identity Register FACH Forward access channel FBI Feedback Information FDD Frequency division duplex FDMA Frequency division multiple access FH-CDMA Frequency Hopping-CDMA FP Frame protocol
FPLMTS Future Public Land Mobile Telecommunication Systém GGSN Gateway GPRS support node GMSC Gateway MSC GPRS General packet radio system GPS Global positioning system GSM Global system for mobile communications HLR Home location register HSCSD High Speed Circuit Switched Data HS-DPCCH Uplink high speed dedicated physical control channel HS-DSCH High speed downlink shared channel HS-SCCH High speed shared control channel HSUPA High speed uplink packet access ID Identity IMS IP multimedia sub-system IMSI International mobile subscriber identity IMT-2000 International mobile telephony IP Internet protocol ITU International telecommunications union IWF Inter-Working Functionality L1 Layer 1 of UMTS protocol architecture L2 Layer 2 of UMTS protocol architecture L3 Layer 3 of UMTS protocol architecture LAI Location area identity MAC Medium access control MM Mobility management MS Mobile station MSC/VLR Mobile services switching centre/visitor location register MSISDN Mobile Subscriber ISDN Number MSRN Mobile Station Roaming Number NBAP Node B application part NBAP Node-B Application Protocol OCQPSK Orthogonal Complex Quadratur Phase Shift Keying OFDMA Orthogonal frequency division multiple access OVSF Orthogonal Variable Spreading Code PCCCH Physical common control channel PCCPCH Primary common control physical channel PCCH Paging channel (logical channel) PCPCH Physical common packet channel PCS Personal Communication Systém PDSCH Physical downlink shared channel PDU Protocol data unit PCH Paging channel (transport channel) PICH Paging indicator channel PNFE Paging and Notifivation Control Entity PRACH Physical random access channel PS Packet switched PSCH Physical shared channel PSTN Public switched telephone network QoS Quality of service QPSK Quadrature phase shift keying
RAB Radio access bearer RACH Random access channel RB Radio bearer RLC Radio link control RNC Radio network controller RNS Radio network sub-system RNSAP Radio Network Sublayer Protocol RRC Radio resource control RRM Radio resource management RSVP Resource reservation protocol SCCP Signalling connection control part SCCPCH Secondary common control physical channel SF Spreading Factor SGSN Serving GPRS support node SHO Soft handover SCH Synchronisation channel SIB System information block SIP Session initiation protocol SRNC Serving RNC SRNS Serving RNS SSCOP Service specific connection oriented protocol TD/CDMA Time division CDMA TDD Time division duplex TDMA Time division multiple access TF Transport Format TFCI Transport Format Combination Identifier TFI Transport format indicator TFS Transport Format Set TH-CDMA Time Hopping-CDMA TCH Traffic channel TMSI Temporary mobile subscriber identity TPC Transmit Power Control UBR Unspecified Bit Rate UE User equipment UMTS Universal mobile telecommunication services URA UTRAN registration area USIM UMTS subscriber identity module UTRAN UMTS Terrestrial radio access network VBR Variable Bit Rate VLR Visitor Location Register VoIP Voice over IP WARC World administrative radio conference WCDMA Wideband CDMA, Code division multiple access
SEZNAM VELIČIN A [erl] Celkové provozní zatížení EIRP [dBm] Ekvivalentní vyzářený výkon mobilního terminálu E [%] Požadované ztráty obsluhy Eb/N0 [dB] Představuje velikost energie jednoho bitu ku spektrální hustotě šumu F [dB] Šumové číslo přijímače základnové stanice GP [dB] Procesní zisk základnové stanice GRX [dBi] Zisk přijímače základnové stanice GSH [dB] Zisk soft handoveru GTX [dBi] Zisk antény mobilního terminálu LIN [dB] Ztráty uvnitř místností LMAX [dB] Maximální ztráty přenosové cesty LRX [dB] Ztráty na přívodní kabelech a konektorech LTX [dB] Ztráty způsobené tělem mobilního terminálu MFF [dB] Rezerva pro eliminaci rychlého úniku MI [dB] Rezerva pro interference MSF [dB] Rezerva na eliminaci pomalého úniku N [-] Počet obsluhovaných kanálů N0 [dBm] Spektrální hustota šumu nu [-] Počet uživatelů PNRX [dBm] Celkový přijímaný šumový výkon Node-B PRX,MIN [dBm] Citlivost přijímače základnové stanice PTX [dBm] Vysílací výkon mobilního terminálu ρOBY [OBY/km2] Hustoty obyvatel Sb [km2] Aktuální plocha buňky SOBY [km2] Celkové zastavěné oblasti
1
OBSAH
SEZNAM OBRÁZKŮ ...................................................................................................................... 4
SEZNAM TABULEK ....................................................................................................................... 5
ÚVOD................................................................................................................................................. 6
1 VÝVOJ MOBILNÍCH SÍTÍ .................................................................................................... 7
1.1 1. Generace ........................................................................................................................... 7
1.2 2. Generace ........................................................................................................................... 7
1.3 3. Generace ........................................................................................................................... 7
2 RÁDIOVÉ ROZHRANÍ .......................................................................................................... 9
2.1 Mnohonásobný přístup........................................................................................................ 9 2.1.1 DS-WCDMA FDD .......................................................................................................... 10 2.1.2 DS-WCDMA TDD.......................................................................................................... 10
2.2 Přidělení kmitočtů.............................................................................................................. 11
2.3 Handover ............................................................................................................................ 12 2.3.1 Tvrdý handover................................................................................................................ 12 2.3.2 Měkký handover .............................................................................................................. 12 2.3.3 Měkčí handover ............................................................................................................... 12
2.4 Dýchání buněk.................................................................................................................... 13
2.5 Řízení výkonu ..................................................................................................................... 13
3 ZÁKLADNÍ STRUKTURA .................................................................................................. 14
3.1 Uživatelský terminál .......................................................................................................... 14
3.2 Subsystém rádiové přístupové sítě.................................................................................... 14 3.2.1 Node B – základnová stanice........................................................................................... 14 3.2.2 RNC................................................................................................................................. 15
3.3 Síťový spojovací subsystém............................................................................................... 15 3.3.1 MSC................................................................................................................................. 16 3.3.2 SGSN............................................................................................................................... 16
4 ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU.................................................................................................... 17
4.1 Kódováni řečových signálů ............................................................................................... 17
4.2 Kódování kanálů ................................................................................................................ 17
2
4.3 Skramblování ..................................................................................................................... 17
4.4 Modulace............................................................................................................................. 18
5 PROTOKOLÁRNÍ STRUKTURA....................................................................................... 19
5.1 Protokolární struktura na radiovém rozhraní Uu.......................................................... 19 5.1.1 MAC vrstva ..................................................................................................................... 19 5.1.2 RLC vrstva....................................................................................................................... 20 5.1.3 RRC vrstva ...................................................................................................................... 20
5.2 Protokolární struktura na rozhraní Iu ............................................................................ 20 5.2.1 Protokoly řídící úrovně CS domény ................................................................................ 20 5.2.2 Protokoly řídící úrovně PS domény................................................................................. 21 5.2.3 Protokoly uživatelské úrovně PS domény ....................................................................... 21 5.2.4 RANAP protokol ............................................................................................................. 21
5.3 Protokolární struktura na rozhraní Iur a Iub................................................................. 21 5.3.1 RNSAP protokol.............................................................................................................. 21 5.3.2 NBAP protokol ................................................................................................................ 21
6 KOMUNIKAČNÍ KANÁLY ................................................................................................. 22
6.1 Logické kanály ................................................................................................................... 22 6.1.1 Řídící kanály.................................................................................................................... 22 6.1.2 Datové kanály .................................................................................................................. 22 6.1.3 Mapování logických kanálů do transportních kanálů ...................................................... 22
6.2 Transportní kanály ............................................................................................................ 23 6.2.1 Společné transportní kanály............................................................................................. 23 6.2.2 Vyhrazené transportní kanály .......................................................................................... 23 6.2.3 Mapování transportních kanálu do fyzických kanálů ...................................................... 24 6.2.4 Transportní bloky ............................................................................................................ 24
6.3 Fyzické kanály .................................................................................................................... 25 6.3.1 Společné fyzické kanály pro řízení komunikace ............................................................. 25 6.3.2 Společné fyzické kanály pro přenos transportních kanálů............................................... 25 6.3.3 Vyhrazené fyzické kanály pro řízení komunikace........................................................... 26 6.3.4 Vyhrazené fyzické kanály pro přenos transportních kanálů ............................................ 26 6.3.5 Multiplexování................................................................................................................. 26 6.3.6 Struktura rámců na fyzické vrstvě ................................................................................... 26
7 PROCESY KOMUNIKACE V UMTS................................................................................. 28
7.1 Průběh komunikace mezi terminály................................................................................. 28
7.2 Signalizační procedury na fyzické vrstvě......................................................................... 28
7.3 Procedura hledání buňky „Cell search“ .......................................................................... 28 7.3.1 Procedura RACH............................................................................................................. 29 7.3.2 Procedura CPCH.............................................................................................................. 29
7.4 RRC signalizace.................................................................................................................. 29 7.4.1 RRC protokol................................................................................................................... 30
3
7.4.2 Broadcast systémových informací ................................................................................... 30 7.4.3 Paging .............................................................................................................................. 30 7.4.4 RRC spojení..................................................................................................................... 31
7.5 RRM (Radio Resource Management) procedury ........................................................... 34 7.5.1 Soft handover................................................................................................................... 34 7.5.2 Intersystem Handover z UTRAN .................................................................................... 35 7.5.3 Intersystem Handover do UTRAN .................................................................................. 35
7.6 MM (Mobility Management) procedury.......................................................................... 36 7.6.1 Změna polohy mobilní stanice v rámci dvou MSC stanic............................................... 36
7.7 CC (Call Control) procedury ............................................................................................ 37
8 ZHODNOCENÍ UMTS A GSM............................................................................................ 38
8.1 WCDMA versus FDMA/TDMA ....................................................................................... 38
8.2 ATM a IP ............................................................................................................................ 38
8.3 IMS...................................................................................................................................... 39
8.4 Bezpečnost .......................................................................................................................... 39
8.5 Handover ............................................................................................................................ 39
9 NÁVRH SÍTĚ UMTS............................................................................................................. 40
9.1 Úvod .................................................................................................................................... 40
9.2 Radio Network Planning ................................................................................................... 40 9.2.1 Návrh maximální velikosti buňky ................................................................................... 40 9.2.2 Kapacita buňky ................................................................................................................ 47 9.2.3 Stanovení počtu buněk..................................................................................................... 48 9.2.4 Spoluplánování ................................................................................................................ 51 9.2.5 Mezioperátorové interference .......................................................................................... 52 9.2.6 Rozmístění základnových stanic...................................................................................... 52 9.2.7 Seznam BTS stanic .......................................................................................................... 56
10 ZÁVĚR................................................................................................................................ 57
LITERATURA................................................................................................................................ 58
4
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 DS-WCDMA.............................................................................................................. 9 Obr. 2 Spektrum kmitočtů ................................................................................................... 12 Obr. 3 Základní struktura UMTS......................................................................................... 16 Obr. 4 Kanálové kódování ................................................................................................... 18 Obr. 5 QPSK modulace ....................................................................................................... 18 Obr. 6 Mapování logických kanálů...................................................................................... 23 Obr. 7 Mapování transportních kanálů ................................................................................ 24 Obr. 8 Přenos transportních bloků ....................................................................................... 24 Obr. 9 Struktura uplink rámce ............................................................................................. 27 Obr. 10 Struktura downlink rámce ...................................................................................... 27 Obr. 11 RRC sestavení spojení ............................................................................................ 32 Obr. 12 Autentizace UE....................................................................................................... 32 Obr. 13 Sestavení DTCH kanálu ......................................................................................... 33 Obr. 14 Ukončení RRC spojení ........................................................................................... 33 Obr. 15 Soft handover.......................................................................................................... 34 Obr. 16 Intersystem Handover............................................................................................. 35 Obr. 17 Handover v rámci dvou MSC stanic....................................................................... 36 Obr. 18 Volání z externí sítě PS .......................................................................................... 37 Obr. 19 Mapa návrhu systému UMTS................................................................................. 41 Obr. 20 Směrové charakteristiky ......................................................................................... 42 Obr. 21 Navrhovaná oblast směr Karlova Studánka............................................................ 53 Obr. 22 Navrhovaná oblast směr Krnov .............................................................................. 54 Obr. 23 Navrhovaná oblast směr Olomouc a Rýmařov....................................................... 54 Obr. 24 Oblast návrhu Bruntál............................................................................................. 55
5
SEZNAM TABULEK Tab. 1 Přehled parametrů FDD............................................................................................ 10 Tab. 2 Přehled parametrů TDD............................................................................................ 10 Tab. 3 Druhy kódů pro transportní kanály........................................................................... 26 Tab. 4 Parametry mobilního terminálu ................................................................................ 41 Tab. 5 Parametry základnové stanice .................................................................................. 41 Tab. 6 Tabulka hodnot Eb/N0 pro hlasovou službu.............................................................. 43 Tab. 7 Tabulka hodnot Eb/N0 pro datové služby.................................................................. 43 Tab. 8 Přenosové a uživatelské rychlosti pro různé služby ................................................. 45 Tab. 9 Maximální velikosti makrobuněk při pohybu mobilního terminálu do 3 km/h ....... 46 Tab. 10 Maximální velikosti makrobuněk při pohybu mobilního terminálu do 120 km/h . 46 Tab. 11 Maximální velikosti mikrobuněk při pohybu mobilního terminálu do 3 km/h a 120 km/h ............................................................................................................... 46 Tab. 12 Počet uživatelů pro navrhované služby a maximální rychlosti pohybu UE ........... 48 Tab. 13 Statistické údaje o hustotě obyvatel okresu Bruntál ............................................... 48 Tab. 14 Rozdělení obyvatel podle druhu využívané služby ................................................ 49 Tab. 15 Počet buněk pro hlasovou službu s maximální rychlosti pohybu UE do 3 km/h ... 49 Tab. 16 Počet buněk pro hlasovou službu s maximální rychlosti pohybu UE do 120 km/h50 Tab. 17 Počet buněk pro datovou a hlasovou službu s maximální rychlostí pohybu UE do 3 km/h ............................................................................................................................. 50 Tab. 18 Počet buněk pro datovou a hlasovou službu s maximální rychlosti pohybu UE do 120 km/h .............................................................................................................................. 50 Tab. 19 Počet základnových stanic...................................................................................... 51 Tab. 20 Srovnání dovolených ztrát šíření signálu u GSM a UMTS.................................... 51
6
ÚVOD
Tato práce se zabývá problematikou mobilní sítě 3. generace UMTS. Na začátku je popsán vývoj mobilních sítí od první generace až po soudobou třetí generaci. Je nastíněn vývoj od prvotních telematických služeb až po vyspěle datové přenosy a multimediální přenosy hlasu a obrazu známé jako videohovory 3G. Vývoj však směřoval i k integraci jednotlivých typů sítí a propracovanému systému zabezpečení přenosu proti odposlechu zvenčí. Bez nadsázky můžeme říct, že rozmach mobilních sítí během posledních 10ti let nabyl velkého významu a jejich vliv na trhu stále roste. Jistě si dnes už každý dovede představit svůj mobilní telefon jako bezdrátové multimediální zařízení poskytující řadu služeb komunikující ze světem v reálném čase prostřednictvím vysokorychlostních technologií, se kterými se mohou připojit ke kterékoliv pevné síti.
V druhé kapitole je nastíněna problematika přidělení kmitočtů pro obě duplexní přístupové technologie v Evropě a ostatních částech světa. Je zde popsána nová přístupová technologie s rozprostřením signálu CDMA a další funkce, kterými se systém UMTS odlišuje od GSM a které umožňují minimalizaci rušení a interferencí na jednotlivých datových přenosech. V poslední řadě jsou zde popsány jednotlivé druhy handoveru sítě UMTS.
V třetí kapitole je popsána struktura sítě UMTS. Poukazuje na skutečnost, že implementace systému UMTS umožňuje koexistenci se systémy GSM, což je určitě výhodné pro uživatele, kteří si nemusí kupovat dva mobilní přístroje.
Ve čtvrté kapitole je pospána problematika zpracování signálu. Jednotlivé kroky jsou hierarchicky seřazeny od zdrojového kódování, kanálového kódování a scramblování až po konečnou modulaci.
Následující kapitoly se zabývají procesy signalizace v UMTS. Nejdříve je nastíněna struktura protokolů na jednotlivých rozhraní a druhy přenosových kanálů, do kterých jsou mapovány jednotlivé přenosové bloky. Jako praktická část jsou uvedeny příklady jednotlivých procedur komunikace. Jedná se o základní procesy předávání zpráv znázorňující postup komunikace a signalizace na jednotlivých rozhraních sítě UMTS.
V poslední kapitole teoretické části jsou uvedeny rozdíly mezi mobilními sítěmi 2. a 3. generace.
V praktické části je rozebrána problematika návrhu sítě UMTS v lokalitě okresu Bruntál. Především se zabývá návrhem velikosti buňky v závislosti na poskytované službě a rychlosti, dále návrhem kapacity buněk v závislosti na provozním zatížení. Z navržených hodnot jsou vypočítány počty potřebných buněk pro pokrytí dané oblasti. Na závěr jsou navrženy polohy jednotlivých základnových stanic podle kritérií pokrytí signálu.
7
1 VÝVOJ MOBILNÍCH SÍTÍ 1.1 1. Generace
Na začátku 80tých let 20.stol. vzniká analogový systém pro bezdrátovou mobilní komunikaci zvaný NMT(Nordic Mobile Telephone). Tento systém začal novou éru vývoje bezdrátové komunikace a stal se průkopníkem novodobých moderních digitálních mobilních systémů, které v dnešní době hrají u většiny populace významnou roli.
V první fázi vývoje bezdrátových mobilních služeb byl kladen důraz především na služby týkající se klasického přenosu hlasu mezi přihlášené uživatele. Byla zavedena hlasová schránka, účastník může provozovat více hovorů najednou, může mezi jednotlivými hovory přepínat aniž by jednotlivá spojení ztratil, při dočasném vyřazení mobilní stanice muže účastník přesměrovat své hovory na jiný mobil a atd. [15]
1.2 2. Generace Díky růstu počtu uživatelů, snaze globalizovat a digitalizovat systém vznikl digitální
celulární sytém GSM (Global Systém for Mobile Communication). Jelikož došlo ke digitalizaci přenášených dat, zařazujeme ke klasickým hovorovým službám služby týkající se přenosu dat. V počátku se jedná především o přenos krátkých textových zpráv ve formě sms (Short Message Service). Navrhovaný systém musel však splňovat určitá kritéria:
• Kvalitní přenos řeči, • nízká cena, • mezinárodní roaming, • frekvenční hospodárnost, • efektivita.
S rozvojem datových služeb vznikal problém nedostatečné rychlosti přenášených dat.
První krokem byl softwarový zásah do systému přenášených dat a to tak, že byl snížen počet zabezpečovacích bitů a celková rychlost vzrostla z 9,6 kbit/s na 14,4 kbit/s. Tento sytém byl pojmenován jako HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). Druhá technologie GPRS (General Packet Radio Servis) vyžadovala hardwarovou úpravu GSM sítě. Byly vytvořeny další uzly, které umožňovaly přepojování dat ve formě datových paketů. S technologií GPRS lze teoreticky dosáhnout přenosové rychlosti 171,2 kbit/s. Poslední vylepšením 2. generace vznikl systém EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) založen na přepojování paketů v obvodově spojované síti s 8 stavovou modulací. Díky 8 stavové modulaci lze s touto technologií dosáhnout teoretické rychlosti 384 kbit/s, ale hardwarové změny musí podstoupit i mobilní stanice [15].
1.3 3. Generace Už před koncem standardizace GSM sytému v roce 1986 společnost ITU
(International Telecommunication Union) začala pracovat na projektu pro budoucí mobilní komunikační sytém 3. generace. Tento budoucí sytém nazvala příznačně jako FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication Systém). V roce 1992 Světový administrativní kongres pro rádio označovaný zkratkou WRC vyměřil pro sytém FPLMTS rádiové pásmo o délce 230MHz (1885-2025 MHz a 2110-2200 MHz). Během vývoje vznikl soubor platných doporučení pro celosvětový standard označovaný jako IMT-2000 (International Mobile Telecommunications for the time after year 2000).
8
Mezi hlavní požadavky na standard IMT-2000 jsou:
• Standardizována přenosová rychlost signálu až 2048 kbit/s pro mobilní stanice v klidu,
• standardizována přenosová rychlost signálu až 384 kbit/s pro mobilní stanice pohybující se rychlostí do 120 km/h,
• standardizována přenosová rychlost signálu až 144 kbit/s pro mobilní stanice pohybující se rychlostí nad 120 km/h,
• národní a mezinárodní roaming, • podpora služeb s přepínáním okruhů a přepínáním paketů, • podpora multimediálních služeb v reálném čase, • integrace služeb v pevných a mobilních sítích • vysoké zabezpečení před odposlechy, • schopnost implementace nových služeb do systému, • koexistence systému 2. a 3. generace, • koexistence TDD a FDD.
V České republice byly poskytnuty 3 licence od Českého telekomunikačního úřadu ve výběrovém řízení, které se uskutečnilo do 14.12.2001. Licence získali tehdejší společnosti RadioMobil a.s. a Eurotel Praha. Provoz UMTS (Universal Mobile Telephone Standard) byl zahájen od 1. ledna 2005 [15].
9
2 RÁDIOVÉ ROZHRANÍ 2.1 Mnohonásobný přístup
Mobilní systém 3. generace využívá metodu mnohonásobného přístupu CDMA (Code Division Multiple Access) s kombinací FDMA (Frequency Division Multiple Access). To znamená, že kmitočtové pásmo je rozděleno frekvenčně na jednotlivé rádiové subkanály a na takto vyseparované kanály jsou mapovány jednotlivé uživatelské kanály, přičemž se každý od ostatních odlišuje jedinečnou kódovou sekvencí. To znamená, že neexistuje žádné časové dělení a všichni uživatelé používají po celou dobu komunikace totéž přidělené pásmo. Jelikož se jako kódová sekvence používá širokopásmový signál, dochází k rozprostření spektra vysílaného signálu. Proto se metoda mnohonásobného přístupu označuje jako WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). V praxi se setkáme se třemi druhy těchto přístupů:
• DS-CDMA – Direct Sequnce-CDMA – přímé rozprostření spektra pomocí nekorelovaných posloupností,
• FH-CDMA – Frequency Hopping-CDMA – rozprostření spektra s přeskakováním kmitočtů,
• TH-CDMA – Time Hopping-CDMA – rozprostření spektra s přeskakování časových slotů.
UMTS využívá mnohonásobný přístup s přímým rozprostřením spektra DS-CDMA. Princip této modulační techniky je zobrazen na obrázku Obr.1 a spočívá v tom, že je úzkopásmový datový signál sečten metodou XOR s kódovou sekvencí, jehož výkonové spektrum je mnohem širší než je výkonové spektrum datového signálu. Po rozprostření signálu se jeden bit posloupnosti nazývá chip a poměr čipové rychlosti ku bitové rychlosti nazýváme činitel rozprostření SF (Spreading Factor). Takto rozprostřený signál je namodulován na vysokofrekvenční nosnou vlnu a přenesen k příjemci. Důvod proč se využívá techniky rozprostření signálu je, že takto rozprostřený signál je odolný vůči širokopásmovému a úzkopásmovému rušení [2].
Obr. 1 DS-WCDMA
10
2.1.1 DS-WCDMA FDD Technologie FDD (Frequency Division Duplex) je použita pro komunikaci ve městech
a na vesnicích. Poskytuje minimální přenosovou rychlost 384 kbit/s. Mezi její výhody patří vysoká mobilita, variabilní přenosová rychlost, která je závislá na uživateli. Uživatelská data jsou vkládány do rámců délky 10 ms a tyto rámce jsou dále rozděleny na 15 časových intervalů (timeslot) o délce 2/3 ms. 72 rámců tvoří jeden superrámec, trvající 720 ms [3]. Tab. 1 Přehled parametrů FDD
Mnohonásobný přístup W-CDMA (DS-CDMA)
Šířka pásma 5 MHz Bezpečnostní vzdálenost 1
Modulace QPSK Čipová rychlost 3,84 Mčipů/s
Max. přenosová rychlost 384 kbit/s Rozprostírající faktor 4-256
Handover Soft, softer (mezi frekvencemi : hard)
Délka rámce 10 ms Trvání časového interalu 667 μs
2.1.2 DS-WCDMA TDD TDD(Time Division Duplex) technologie je využita především pro účely komunikace
uvnitř budov, kde je vysoká koncentrace lidí. Nabízí také vyšší přenosové rychlosti dosahující až 2 Mbit/s, avšak to platí pro nižší mobilitu. Rozdíl oproti FDD je možnost vytvoření asymetrické komunikace, to znamená, že je pro uplink a downlink použita jiná přenosová rychlost, což je možné využít pro přístup do různých podnikových sítí či k Internetu. Uživatelská data jsou vkládány do rámců o délce 10ms. Rámce jsou dále děleny na 15 timeslotů , které jsou pak přidělovány jednotlivým uživatelům [3].
Tab. 2 Přehled parametrů TDD
Mnohonásobný přístup TD-CDMA Šířka pásma 5 MHz
Bezpečnostní vzdálenost 1 Modulace QPSK
Čipová rychlost 3,84 Mčipů/s Max. přenosová rychlost 2 Mbit/s
Rozprostírající faktor 1, 2, 4, 8, 16 Handover Hard
Délka rámce 10 ms Trvání časového intervalu 667 μs
11
2.2 Přidělení kmitočtů World Administrative Radio Conference WARC ze společnosti ITU (Internacional
Telecommunication Unit) stanovila v roce 1992 pro mobilní sítě 3. generace rádiové pásmo kolem 2 GHz. Celkem bylo vyhrazeno pro 3. generaci 6 pásem. Jedno párové pásmo pro DS-WCDMA FDD, dvě pásma pro DS-WCDMA TDD a dvě pro satelitní služby UMTS. Rozložení pásem pro jednotlivé technologie v Evropě je názorně zobrazeno na Obr. 2 [1].
Pro technologii WCDMA-FDD jsou vyhrazena pásma o šířce 60 MHz: • 2110 – 2170 MHz pro downlink, • 1920 – 1980 MHz pro uplink.
Pro WCDMA-TDD jsou vyhrazena pásma:
• 1900 – 1920 MHz o šířce 10 MHz, • 2010 – 2025 MHz o šířce 15 MHz.
Pro mobilní satelitní služby MSS (Mobile Satellite Service) jsou vyhrazena pásma o šířce 30 MHz:
• 1980-2010 MHz, • 2170-2200 MHz.
V Evropě je úloha alokace kmitočtových pásem jasně daná. Jak je vidět na Obr.2 síť
UMTS je implementována do existující sítě 2. generace GSM. Obě generace mohou spolu koexistovat bez problému.
Stejná situace není však v ostatních částech světa. Největší nesnáze jsou v USA, kde jsou na domluvených kmitočtech pro FDD a TDD WCDMA již alokována pásma pro systém 2. genenerace PCS (Personal Communication System). Podobná omezení čekají na země Asie. Konkrétně v Japonsku je na kmitočtech 1893,5 – 1919,6 MHz používán PHS systém (Personal Handyphone System).
Důsledkem toho se v květnu 2000 znovu sešla konference WARC, která identifikovala nová pásma pro sítě 3. generace:
• 1710-1885 MHz, • 2500-2650 MHz, • 806-960 MHz.
Konkrétně pro USA byla alokována pásma o šířce 60 MHz:
• 1710 – 1770 MHz pro uplink, • 2110 – 2170 MHz pro downlink.
Pro globální sytém UMTS je alokováno pásmo o šířce 190 MHz:
• 2500 – 2690 MHz.
12
Obr. 2 Spektrum kmitočtů
2.3 Handover Pohybuje-li se účastník mobilní stanice mezi jednotlivými buňkami, dochází bez jeho
povšimnutí k přeladění terminálu na jinou základnovou stanici. Tomuto procesu se odborně říká handover. Pokud je mobilní stanice přihlášena na jinou základnovou stanici, ale ke komunikaci používá stejný kmitočet jako předtím, označujeme tento typ handoveru jako Intra-frequency handover. Pokud dojde i ke změně kmitočtu, jedná se Inter-frequency handover. V systému UMTS rozlišujeme 3 druhy handoveru [4]:
• Tvrdý handover – Hard handover, • měkký handover – Soft handover, • měkčí handover – Softer handover.
2.3.1 Tvrdý handover Tento typ handoveru se používá v systémech GSM a pro sítě UMTS je implementován
pro přístupovou metodu WCDMA – TDD. Účastník komunikuje pouze s jednou základnovou stanicí a pokaždé, když je potřeba, dochází ke změně komunikačního kanálu (Inter-frequency handover). Pokud je řídící jednotkou vyhodnoceno, že má dojít k handoveru, nejdřív je zrušen kanál původní a až poté je připojen na kanál nový [4].
2.3.2 Měkký handover Tento typ handoveru se výhradně používá u systému UMTS přístupové metody
WCDMA - FDD. Mobilní stanice na rozhraní buněk neustále komunikuje se dvěmi a více základnovými stanicemi zároveň, což klade větší nároky na provoz sítě. Musí však platit, že základnové stanice Node-B používají rádiové kanály na stejným kmitočtem. V downlink je přijímaný signál od více Node-B v přijímači sečítán pro lepší kvalitu a v uplinku je využit proces makrodiverzity, kdy je signál z jedné mobilní stanice přijímán dvěmi a více základnovými stanicemi a takto přijaté signály jsou na každé základnové stanici sečteny a tím se zvýší kvalita přijímaného signálu a pravděpodobnost úspěšného přijetí v RNC jednotce [4].
2.3.3 Měkčí handover Jedná se o nadstandard měkkého handover. Používá se uvnitř buňky patřící jedné
základnové stanici, kde se mobilní stanice pohybuje v rámci sektorů [4].
13
K handoveru může dojít i mezi systémy UMTS a GSM. Tento handover označujeme jako Intersystem handover a je výrazně komplikovanější než handover uvnitř systému. Nutností je, aby mobilní stanice pracovala v obou systémech a dále se musí počítat s větší časovou prodlevou při přepínání mezi systémy [4].
2.4 Dýchání buněk Dýchání buněk je proces, při kterém se nestále mění velikost buňky v závislosti na
velikosti nežádoucích interferencí vysílaných signálu z jednoho Node-B. To znamená, pokud je úroveň interference vysoká, dochází ke zmenšení efektivní plochy buňky, což vede ke snížení počtu uživatelů v buňce, ale i ke snížení úrovně interference.
Nežádoucí interference vznikají důsledkem mnohacestného šíření signálu, který se odrazem od překážek mění na signál neortogonální. U každé vzdálenější mobilní stanici se přijímaný signál od Node-B s růstem intervence zhoršuje, což vede ke ztrátě spojení. Celkový počet uživatelů není v jedné buňce fixní, ale je limitován velikosti úrovně interference [2].
2.5 Řízení výkonu Řízení výkonu patří mezi nedůležitější činnost sytému UMTS. Především pro uplink,
kde vysílá mobilní stanice. Problém do systému přináší samostatná přístupová metoda CDMA, která dovoluje několika uživatelům komunikovat na stejném kmitočtu. Problém proč se zavádí metoda řízení výkonu je problém blízké a vzdálené stanice (near-far problem). Nachází li se ve stejné buňce dva uživatelé komunikující na stejném kmitočtu a vysílající stejným výkonem, bude preferován terminál, který je blíže k Node-B a vzdálenější bude silně rušena. Pro systém UMTS jsou k dispozici dva principy kontroly výkonu:
• Zpětná uzavřená smyčka (Closed Loop Power Control) – Node-B měří SIR (Signal to Interference Ratio) přijímaného signálu od všech mobilních stanic a porovnává jej s cílovou hodnotou SIRtarget. Podle toho, jak se jednotlivé hodnoty SIR liší od cílové hodnoty, posílá každé mobilní stanici pokyn ke zvýšení nebo naopak snížení vysílacího výkonu.
• Zpětná otevřená smyčka (Open Loop Power Control) - Mobilní stanice nastavuje svůj vysílací výkon podle úrovně přijatého pilotního signálu od základnové stanice [2].
14
3 ZÁKLADNÍ STRUKTURA
Síť 3. generace je přímo implementována do sítě 2. generace GSM a jejich struktury se od sebe příliš neodlišují. Stejně jako GSM se skládá ze 3 základních subsystémů, které spolu komunikují přes dohodnutá rozhraní. Jednotlivé subsystémy jsou postupně rozebrány a popsány v následujících kapitolách. Na obrázku Obr.3 je zobrazena základní struktura UMTS sítě.
3.1 Uživatelský terminál Uživatelský terminál UE má podobu mobilního přístroje, který je v dané síti
identifikován pomocí jednoznačných čísel uložených na kartě USIM (User Services Identity Module). Tato karta je umístěná uvnitř mobilního terminálu a bez této karty nelze přistoupit do mobilní sítě. Může být uživatelem blokována čtyřmístným kódem PIN proti neoprávněnému používání. Je reprezentována jedinečnými čísly [2,3,4]:
• IMSI (International Mobile Subscriber Identity): Identifikuje mobilní stanici v rámci celého světa.
• TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity): Jedná se o dočasné číslo, které slouží pro ochranu čísla IMSI. Pro každou buňku systému připadá jiné TMSI číslo.
• MSRN číslo (Mobile Station Roaming Number): Číslo uživatele, pod kterým je dosažitelný pro ostatní účastníky.
• MSISDN číslo (Mobile Subscriber ISDN Number): MSRN je dočasné číslo volané stanice specifikující konkrétní adresu stanice v síti GSM v době volání.
Na rozdíl od terminálů pracujících v sítí GSM, jsou na terminály pro sítě 3G kladeny
větší nároky na procesory zpracování signálu a zároveň síť umožňuje mobilní stanici přistupovat do sítě ve třech možných módech. Popis těchto módů je v kapitole 3.3 Síťový spojovací subsystém.
Mobilní terminál komunikuje se základnovou stanicí prostřednictvím rádiového rozhraní Uu.
3.2 Subsystém rádiové přístupové sítě Tato část sítě plní stejné funkce jako subsystém základnových stanic BSS u sítě GSM.
Pro síť UMTS se nazývá UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) zajišťuje rádiový přístup mobilního terminálu ke službám, které poskytuje páteřní síť. Skládá se ze dvou podstatných složek, které opět mezi sebou komunikují podle dohodnutých pravidel. Subsystém rádiového přístupu RNS (Radio Network Subsystem) se skládá [3]:
• Základnová stanice - Node B, • řídící jednotka rádiové sítě RNC (Radio Network Controller).
3.2.1 Node B – základnová stanice Tato jednotka má podobu anténního systému obsahující vysílač a přijímač rádiového
signálu a spolu s mobilním terminálem komunikuje prostřednictvím rozhraní Uu a RNC pomocí rozhraní Iub. Zpravidla pokrývá určitou oblast zvanou buňka. Podle toho, o jakou oblast pokrytí jde, rozdělujeme buňky podle velikosti na:
• Makrobuňky – rozsáhlé oblasti s nízkou koncentrací účastníků, mají rozlohu v průměru 5-6 km, maximální garantovaná přístupová rychlost je 144 kbit/s,
15
• mikrobuňky – pokrývají oblast o rozloze 300-600 metrů v průměru, jedná se především o městské zástavby s maximální přístupovou rychlostí do 384 kbit/s,
• pikobuňky – jedná se o nejmenší zabíranou oblast signále, používají se pro malé podnikové sítě pokrývající oblast velikosti 50 metrů, maximální přístupová rychlost je do 2 Mbit/s.
Kromě příjmu a vysílání rádiového signálu umožňuje Node B pracovat v obou
přístupových režimech TDD a FDD. Pracují v asynchronním režimu. Mezi základní funkce podporované základnovou stanicí patří:
• Kmitočtová a časová synchronizace MS se sítí, • převod signálu z transportních kanálů na WCDMA fyzické kanály, • modulace, demodulace, • kódování fyzických kanálu CDMA, • řízení výkonu (Closed Loop Power Control - Zpětná uzavřená smyčka), • ochrana proti chybám.
3.2.2 RNC Tato jednotka má na starosti management několika základnových stanic Node B.
Stejně jako BSC u GSM má na starosti přidělování kanálů, monitorování a kontrolu základnových stanic. Mezi další funkce patří:
• Řízení handoveru, • řízení výkonu (Open Loop Power Control - Zpětná otevřená smyčka), • vysílání informací o jednotlivých buňkách, • kontrolování přístupu a šifrování.
RNC komunikuje s páteřní sítí prostřednictvím rozhraní Iu. Pokud je řídící jednotka
napojena na doménu se spojováním okruhů páteřní sítě komunikují prostřednictvím rozhraní Iu-CS, pokud je požadováno spojení na doménu s přepojováním paketů, komunikace probíhá na rozhraní Iu-PS. Novinkou, která u GSM nefungovala, byla vzájemná komunikace mezi jednotlivými RNC. Tato komunikace je uskutečňována prostřednictvím rozhraní Iur a slouží k přenášení signalizace.
Pokud dojde k navázání spojení řídící stanice je označována jako obsluhující – Serving-RNC. Dojde-li k handoveru mobilní stanice mezi dvěmi RNC, tak nová obslužná řídící stanice se označuje jako drift-RNC. Nemá však všechny funkce Serving-RNC, proto je definované rozhraní Iur. Drift-RNC přebírá pouze část povinnosti ze Serving-RNC [3,4].
3.3 Síťový spojovací subsystém Subsystém síťového spojování obsluhuje několik subsystému UTRAN. Zajišťuje
spojování hovorů, přepojování paketů, spojení s externími sítěmi (ISDN, Internet, PSTN,…), udržuje důležitá data o jednotlivých uživatelů a řídí management sítě. Podle druhu služby, o kterou má účastník zájem (přenášení dat, hovor, videokonference,…), rozlišujeme uvnitř páteřní sítě dva bloky [3,4]:
• Blok přepínání okruhů (Core Network Circuit Switched Domain – CN-CS Domain),
• Blok přepínání paketů (Core Network Packet Switched Domain – CN-PS Domain).
Mobilní stanice může přistupovat k sítí ve třech možných módech. Buď bude připojena pouze k doméně CN-CS a bude využívat pouze její služby, nebo bude připojena
16
k doméně CN-PS a bude taktéž využívat jen její služby a nebo bude připojena k obou doménám a využívat všech služeb.
Mezi základní uzly páteřní sítě patří: • Mobilní radiotelefonní ústředna MSC (Mobile Switching Centre), • domovský lokační registr HLR (Home Location Register), • návštěvnický lokační registr VLR (Visitor Location Register), • SGSN Serving GPRS Support Node, • centrum autentičnosti AuC (Authentication Centre), • identifikační registr mobilních stanic EIR (Equipment Identity Register), • jednotka spolupráce s externími sítěmi IWF (Inter-Working Functionality), • GMSC (Gateway MSC), • GGSN (Gateway GPRS Support Node).
3.3.1 MSC Tento blok stejně jako u GSM plní funkci radiotelefonní ústředny, tedy přepojuje
hovory mezi účastníky. V systému UMTS je součásti domény CN-CS pro přepojování okruhů a s rádiovou přístupovou sítí komunikuje pomocí rozhraní Iu. Její součástí je registr VLR, ve kterém jsou uloženy data SIM karet účastníků nacházející se právě pod její kontrolou. Tyto data jsou získána z domovského registru HLR, ve kterém jsou uložené informace všech účastníků domácí sítě. Obsahuje důležitá čísla IMSI, MSISDN. Mimojité jsou zde uloženy typy služeb, které má uživatel aktivován.
Součásti síťového subsystému jsou centra zabývající se autentizací uživatelů. Jsou to autentizační centrum AuC, které má na starosti kontrolu uživatelů, zda jsou oprávněnými, ověřuje jejich identitu a řeší problémy šifrování. Centrum EIR zkoumá podle čísla IMEI totožnost mobilního zařízení. Umožňuje tak zamezit uživateli používaní daného mobilu, např. při krádeži.
Pro připojení uživatele k externí sítí (PSTN, ISDN,…) slouží blok brána GMSC se kterou komunikuje přes rozhraní Yu [3,4].
3.3.2 SGSN Tento datový uzel je zodpovědný za přepínání paketů směrem k rádiové přístupové
sítí, je součástí domény pro přepojování paketů CN-PS, zajišťuje zabezpečení, paketový paging a aktualizaci polohy UE. Stejně jako MSC domény CN-CS má přístup k VLR a HLR registrům a pro připojení k externím datovým sítím (PDN,…) slouží brána GGSN [3].
Obr. 3 Základní struktura UMTS
17
4 ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLU 4.1 Kódováni řečových signálů
Pro kódování řečových signálů se používá kódování s proměnnou přenosovou rychlostí AMR (Adaptive Multi-Rate Speech Coding). Kodér AMR využívá nespojitého přenosového schématu DTX (Discontinous Transmission), který se používá u systému GSM a techniky maskování signálu.Výstupní rychlost kodéru je závislá na řečové aktivitě mluvčího.
Vstupní signál je rozdělen do bloků reprezentující 20 ms řeči o délce 160 vzorků. Podle typu použitého kodeku jsou tyto bloky komprimovány na bloky o velikosti 95 až 244 bitů. Přepínač pro výběr signálu vybere zkomprimované bity a seskupí je do rámců AMR. Tyto rámce obsahují hlavičku (AMR leader), která obsahuje pole s informacemi o typu rámce (4 bity), indikátor kvality služeb (1 bit). Dalším blokem jsou obecné informace o přenášeném módu (3 bity), požadavek na mód (3bity) a kontrolní součet CRC (8 bitů). Posledním blokem je jádro rámce obsahující informace o parametrech řeči nebo rámec komfortního šumu.
Pokud mluvčí právě nehovoří, dekodér hlasové aktivity, vkládá do hovorových rámců informace o komfortním šumu, které jsou přenášeny v pravidelných intervalech v rámcích SID (Silence Descriptor) s nižší přenosovou rychlostí.
Přenosové rychlosti kodéru AMR se pohybují od 4,75 kbit/s do 12,2 kbit/s. Informace o komfortním šumu se přenáší rychlostí 1,8 kbit/s [2].
4.2 Kódování kanálů Kódování kanálů patří mezi důležité procedury zpracování signálu. Dochází
k rozprostření signálu v závislosti na použitém kódu respektive na rozprostírajícím činiteli SF. Kanálové kódování patří mezi základní vlastnosti fyzické vrstvy a používá se k rozlišení jednotlivých uživatelských kanálů. Jako rozprostírající kód se používá OVSF (Orthogonal Variable Spreading Code) kód založený na principu Walsových stromů. Jelikož chipová rychlost rozprostřeného signálu je konstantní ovlivňuje SF uživatelskou přenosovou rychlost. Při větší hodnotě SF (maximální hodnota SF=256) je větší odolnost signálu proti interferencím, ale jeho přenosová rychlost je naopak nižší. Opačný jev nastává při nižší hodnotě SF (min SF=4). Systém WCDMA teoreticky umožňuje použít SF=512. Na obrázku Obr. 4 je schéma kanálového kódování pro uplink, v downlinku jsou kanály pro přenos režie a kanály pro přenos uživatelských dat na transportní vrstvě vysílány součastně, proto musí být nejdříve převedeny sério-paralelním převodníkem do dvou větví I a Q [2].
4.3 Skramblování Další operací v pořadí je rozprostření pomocí pseudonáhodné posloupnosti bitů, která
není ortogonální. Chipová rychlost scramblovacího kódu je stejná jako chipová rychlost rozprostřeného signálu 3,84 Mchip/s. Scramblovacím procesem se odlišují jednotlivé terminály UE a základnové stanice Node-B. Ve směru uplink je počet těchto kódů neomezený, ve směru downlink je maximální počet použitelných kódů 512 [2].
18
Obr. 4 Kanálové kódování
4.4 Modulace UMTS systém používá jako modulační techniku kvadraturní fázové klíčováni (Obr.5).
Ve směru downlink se používá klasická QPSK (Quadratur Phase Shift Keying), naopak v uplinku se používá OCQPSK (Orthogonal Complex Quadratur Phase Shift Keying) označovaná jako hybridní metoda [2].
Obr. 5 QPSK modulace
19
5 PROTOKOLÁRNÍ STRUKTURA
Protokolární struktura přístupové sítě UTRAN systému UMTS je rozdělena na horizontální vrstvy a vertikální úrovně. Jednotlivé vrstvy a úrovně jsou navzájem logicky nezávislé a je-li je to potřebné, mohou být některé v budoucnu změněny a některé naopak zůstanou nedotčeny.
Protokolární struktura se skládá ze dvou hlavních horizontálních vrstev. První nižší vrstva nazývaná Transport Network Layer reprezentuje standardní transportní technologie a vyšší vrstva nazývaná Radio Network Layer definuje aplikační protokoly a všechny související problémy s UTRAN sítí jsou viditelné právě na této vrstvě.
Vertikální úrovně protokolární struktury jsou definovány také dvě. První úroveň nazývaná jako řídící úroveň (Control Plane) se používá pro signalizaci, obsahuje aplikační protokoly (RANAP na Iu rozhraní, RNSAP na Iur rozhraní a NBAP na Iub rozhraní) a radiové nosiče (Radio Bearer) pro přenos zpráv aplikačních protokolů. Druhá úroveň nazývaná jako uživatelská úroveň (User Plane) se zabývá posíláním a přijímáním všech informací samotným uživatelem v jednotlivých datových tocích. Pro přenos datových toků jsou používány datové nosiče (Data Bearer) [1].
5.1 Protokolární struktura na radiovém rozhraní Uu Protokoly na radiovém rozhraní slouží pro nastavení, konfiguraci a uvolnění služeb
probíhající na radiovém rozhraní. Protokolární struktura na radiovém rozhraní se skládá ze tří horizontálních vrstev
označovány písmeny „L“. Fyzická vrstva je označována jako L1, vrstva datových spojů (Data Link Layer) je označována jako L2 a síťová vrstva (Network Layer) je označována jako L3. V řídící úrovní je L2 vrstva dále rozdělena na dvě podvrstvy protokolů označovány jako MAC (Medium Access Control) a RLC (Radio Link Control). V uživatelské úrovni vrstvy L2 jsou dále protokoly PDCP (Packet Data Convergence Protocol) a BMC (Broadcast/Multicast Control Protocol). Nejvyšší vrstva L3 obsahuje jeden protokol nazývaný jako RRC (Radio Resource Control), který patří řídící úrovni.
5.1.1 MAC vrstva MAC (Medium Access Control) zodpovídá na rádiovém rozhraní za mapování
logických kanálů do transportních kanálů. MAC rozhraní je tedy zodpovědný za výběr vhodného formátu každého transportního kanálu. Celá procedura závisí na momentálním stavu UE, zvolené službě a množství přenesených dat [1].
MAC rozhraní se skládá ze 3 základních logických entit: 1) MAC-b entita ovládá všesměrový kanál BCH. 2) MAC-c/sh entita ovládá společné a sdílené kanály (PCH, RACH, FACH,
CPCH a DSCH). 3) MAC-d entita je zodpovědná za řízení vyhrazených kanálů DCH.
Kromě již zmíněných funkcí výše MAC protokol zodpovídá za multiplexování a
demultiplexování PDU transportních bloků doručených do nebo z fyzické vrstvy na společných a vyhrazených transportních kanálech. Dále zodpovídá za monitorování provozu sítě a šifrování dat.
20
5.1.2 RLC vrstva RLC (Radio Link Control) zodpovídá na rádiovém rozhraní za segmentaci a opětovné
sestavení různě dlouhých PDU transportních bloků na menší RLC bloky PU. Přitom jeden PDU blok nese jeden PU blok. Další funkcí je zřetězení jednotlivých segmentů SDU (Service Data Unit) tak, aby byla zaplněna celková délka PDU bloku. Pokud není zřetězení aplikovatelné, vyplňuje se zbytek PDU bloku vyplňovacími bity (Padding bits). Dále zajišťuje potvrzovaný, nepotvrzovaný a transparentní přenos uživatelských dat. Přitom pro potvrzovaný přenos zajišťuje při opakovaném přenosu korekci chyb. Zajišťuje kontrolu provozu, detekuje duplicitně přijaté PDU bloky, kontroluje sekvenční čísla a šifrování.
Každá RLC instance je konfigurována pomocí protokolu RRC (Radio Resource Control) a může operovat ve třech módech. Transparentní mód (Tr), potvrzovací mód (AM) a nepotvrzovací mód (UM) [1].
5.1.3 RRC vrstva RRC (Radio Resource Control) tvoří hlavní část řídící signalizace mezi UE a rádiovou
přístupovou sítí. Pomocí RRC zpráv jsou přenášeny všechny potřebné parametry pro nastavení, modifikování a uvolnění entit na 2. a 3 vrstvě protokolové architektury podle Obr. 6. V praxi to znamená, pohyb UE je monitorován a kontrolován (handover, měření výkonu, update buněk,…) tímto protokolem. K přenosu zpráv se používají tzv. rádiové nosiče (Radio Bearers) [1].
Tak jako u předchozích protokolů, je i RRC logická architektura rozdělen na jednotlivé funkčně propojené entity:
1) DCFE (Dedicated Control Function Entity) – řídí veškerou signalizaci s jednou jednotkou UE. Většinou používá nepotvrzovaný mód RLC.
2) PNFE (Paging and Notifivation Control Entity) – řídí paging všech stanic v idle módu. Používá PCCH logický kanál přes transparentní mód RLC.
3) BCFE (Broadcast Control Function Entity) – řídí broadcasting celého sytému. Používá BCCH a FACH logické kanály přes transparentní RLC mód.
4) RFE (Routing Function Entity) – i když se nachází mimo protokol RRC, stále náleží pod jeho činnost. Její úloha je směrování zpráv vyšších vrstev do různých CN domén.
5.2 Protokolární struktura na rozhraní Iu Na rozhraní mezi UTRAN rádiovou přístupovou sítí a CN subsystémem jsou
definovány na jednotlivých vrstvách následující protokolární struktury. Rozlišuje se však, zda-li se přenáší data přes doménu spínání okruhů (CN-CS Domain) nebo přes doménu spínání paketů (CN-PS Domain).
Nad fyzickou vrstvou je vrstva ATM (Asynchronous Transfer Mode), která je společná pro všechny protokolární úrovně. ATM vrstva podporuje dva typy adaptační vrstvy AAL2 (Adaptation Layer 2) pro přenos komprimovaného zvuku, AAL5 pro přenos signalizace a paketově orientovaných dat [1].
5.2.1 Protokoly řídící úrovně CS domény Mezi protokoly řídící úrovně patří protokoly RANAP (Radio Access Network
Application Protocol), SCCP (Signalling Conection Control Protocol), MTP3-b (Message Transfer Part) a SAAL-NNI (Signalling ATM Adaptation Layer for Network to Network Interfaces). SAAL-NNI vrstva je dále rozdělena na protokoly SSCF (Service Specific Coordination Function), SSCOP (Service Specific Connection Oriented Protocol) a ATM
21
adaptační vrstvu AAL5. Protokoly SSCF a SSCOP jsou určeny pro přenos signalizačních zpráv právě přes ATM sítě a zabezpečují řízení signalizace [1].
5.2.2 Protokoly řídící úrovně PS domény Stejně jako u CS domény, tak i zde je na vrcholu protokolární struktury aplikační
protokol RANAP. Stejný je i protokol SCCP. Odlišností je vrstva protokolů založena na protokolu IP (Internet Protocol). Tato vrstva se skládá z protokolů M3UA (SS7 MTP3-User Adaptation Layer), SCTP (Simple Control Transmission Protocol), již zmiňovaného IP protokolu a adaptační vrstvy AAL5, která je taktéž používána pro obě alternativy. Protokol SCTP je určen pro přenos signalizačních zpráv v Internetu [1].
5.2.3 Protokoly uživatelské úrovně PS domény V uživatelské úrovni dochází k multiplexování paketů datového toku do PVC
(Permanent Virtual Circuit). K tomu to slouží protokol GTP-U (User Plane part of the GPRS Tunnelling Protocol). Jednotlivé pakety používají nespojově orientovaný transportní protokol UDP (User Datagram Protocol) a adresování založené na protokolu IP. Stejně jako řídící úroveň používá uživatelská úroveň PS domény adaptační vrstvu AAL5 [1].
5.2.4 RANAP protokol Tento aplikační protokol se nachází na rozhraní Iu mezi řídící jednotkou RNC a CN a
zodpovídá za následující: • Kompletní řízení rádiových nosičů na rozhraní Iu. • Řízení Iu rozhraní. • Přenos řídících a informačních zpráv na rozhraní Iu. • Přenos paginových zpráv z CN do UE. • Řízení obecných chyb a přetížení v komunikaci. • Relokace – SRNS relokace, tvrdý handover, intersystem z/do GSM sítě.
5.3 Protokolární struktura na rozhraní Iur a Iub Protokolární struktura uvnitř UTRAN sítě se od protokolární struktury na rozhraní Iu
neliší, jedinou odlišností jsou aplikační protokoly v řídící úrovni.
5.3.1 RNSAP protokol Tento aplikační protokol slouží pro přenos signalizačních zpráv na rozhraní Iur mezi
dvěmi řídícími jednotkami (Serving-RNC a Drift-RNC). Zodpovídá za následující: • Řízení rádiových, fyzických a společných transportních linek. • Paging. • Řízení změny řídící jednotky. • Určení a měření zdrojů.
5.3.2 NBAP protokol Tento aplikační protokol slouží pro přenos signalizačních zpráv na rozhraní Iub mezi
základnovou stanicí Node-B a řídící jednotkou RNC a zodpovídá za následující: • Řízení společných kanálů, zdrojů a rádiových linek. • Konfigurace spojení. • Zajištění a kontrola měření parametrů sítě. • Synchronizace (TDD). • Oznamovaní chybových stavů v sítí.
22
6 KOMUNIKAČNÍ KANÁLY
V rámci modelu OSI je pro komunikaci na rádiovém rozhraní mezi mobilním terminálem a subsystémem rádiové přístupové sítě definováno několik kanálů, které umožňují přenos informací mezi jednotlivými vrstvami tohoto modelu. Na rádiovém rozhraní jsou pro fyzickou vrstvu L1 jsou používány fyzické kanály (Physical Channels), které využívají rádiového rozhraní pro komunikaci mobilní stanice s Node-B. Na transportní vrstvě L2 mezi fyzickou vrstvou a MAC (Medium Access Control) jsou definovány transportní kanály (Transport Channels) a mezi MAC a RLC (Radio Link Control), jsou definovány logické kanály.
6.1 Logické kanály Rozdělujeme je na řídící kanály (Control Channels), které slouží pro přenos řídících
informací a na datové kanály (Traffic Channels), které slouží pro přenos uživatelských dat. Na rozdíl od transportních kanálů může jeden logický kanál existovat pro oba směry [2].
6.1.1 Řídící kanály 1) BCCH (Broadcast Control Channel) – tento kanál se vysílá pouze ve směru
k terminálu a posílá specifické řídící informace o buňce. 2) PCCH (Paging Control Channel) – přenáší informace o paginové proceduře v e
směru k terminálu. 3) DCCH (Dedicated Control Channel) – přenáší řídící informace v obou
směrech. Slouží pro proceduru RRC (Resource Radio Control) spojení. 4) CCCH (Common Control Channel) – používá se v případě kdy není vytvořen
kanál DCCH a slouží pro přenos řídících informací v obou směrech.
6.1.2 Datové kanály 1) DTCH (Dedicated Traffic Channel) – vyhrazený kanál pro spojení point-to-
point jednoho UE.Přenáší uživatelská data pouze v jednom směru (uplink nebo dwonlink).
2) CTCH (Common Traffic Channel) – slouží pro spojení point-to-multipoint a vysílá se pouze ve směru od Node-B.
6.1.3 Mapování logických kanálů do transportních kanálů Na následujícím obrázku Obr.6 je vidět přiřazení logických kanálů do transportních
kanálů. O výběru transportního kanálu rozhoduje několik parametrů. Mezi základní parametry
patří typ služby, zatížení společných kanálů, úroveň interferencí na rádiovém rozhraní a objem přenesených dat.
1) Typ služby – pro požadavek malých zpoždění dat (videohovor) se využívají vyhrazené kanály DCH, pokud nejsou kladeny požadavky na minimální dilatace (E-mail, ftp,…) využívají se společné kanály CPCH.
2) Zatížení společných kanálů – časové dělení společných kanálů má za následek efektivního hospodaření s rozprostírajícím kódem, neboť každý uživatel využívá stejných prostředků. Pokud je však uživatelů na společném kanálu tolik, že doba
23
Obr. 6 Mapování logických kanálů
3) čekání na určitý požadavek přesahuje hranici požadovaného zpoždění, pak se přiřadí vyhrazený kanál DCH.
4) Úroveň interferencí – zvýší-li se počet uživatelů, kteří mají přidělen vyhrazený kanál DCH, zvýší se úroveň interference těchto kanálů. Důvodem je součastné vysílání kódově multiplexovaných vyhrazených kanálů.
5) Objem přenesených dat – pro přenos objemnějších dat se využívají vyhrazené kanály DCH. Společné kanály CPCH jsou časovým multiplexem využívány mnoha uživateli a frekvence střídání timeslotů je velmi časté [2].
6.2 Transportní kanály Jedná se o simplexní kanály, to znamená, že existují zvlášť pro uplink a downlink.
Nerozlišují se podle toho jaká data přenáší, odlišují se pouze na společná a vyhrazená.
6.2.1 Společné transportní kanály 1) BCH (Broadcast Channel) – slouží pro přenos systémových informací ve
směru downlink (k terminálům UE). 2) FACH (Forward Access Channel) – jedná se také od downlink kanál, který
přenáší řídící informace. Jsou vysílány s nižším výkonem než BCH. 3) PCH (Paging Channel) – slouží pro přenos informací pro paginovou
proceduru, to znamená,když chce sít inicializovat komunikaci s terminálem. 4) DSCH (Downlink Shared Channel) – v mnoha aspektech podobný kanál jako
FACH, je sdílen několika terminály a slouží pro přenos řídících informací směrem k terminálu. Podporuje různé bitové rychlosti a rychlé řízení výkonu. Jeho činnost není v systému povinná a o jeho použití rozhoduje operátor.
5) RACH (Random Access Channel) – slouží pro náhodnou přihlašovací proceduru do systému. Je vysílán ve směru uplink (od UE) a vysílá řídící informace pro jeho přístup do sítě. Slouží i pro přenos malého objemu dat.
6) CPCH (Common Packet Channel) – jedná se o uplink kanál, který je používán stejně jako RACH pro přenos řídících informací o UE. Na rozdíl od RACH využívá proceduru pro odstranění kolizí na rádiovém kanále a jeho doba trvání může být až 640 ms [2].
6.2.2 Vyhrazené transportní kanály 1) DCH (Dedicated Channel) – vyhrazený pro jeden terminál, slouží pro přenos
řídících a uživatelských dat. Používají se jak pro downlink tak pro uplink a navíc podporuje rychlé změny rychlosti.
24
Obr. 7 Mapování transportních kanálů
6.2.3 Mapování transportních kanálu do fyzických kanálů Různé transportní kanály jsou mapovány do různých fyzických kanálů, ačkoli některé
transportní kanály jsou přenášeny identickými fyzickými kanály. Takovou výjimku tvoří transportní kanály FACH a PCH, které jsou mapovány do stejného fyzického kanálu S-CCPCH. Důvod proč se používá jen jeden fyzický kanál je úspora vyzařovacího výkonu z Node-B. Oba transportní kanály jsou totiž vysílány s vysokou úrovni signálu kvůli dosažitelnosti UE za hranicemi buňky. Proto jsou oba transportní kanály multiplexovány do jednoho fyzického kanálu.
Naopak jeden transportní kanál DCH využívá dva fyzické kanály DPDCH a DPCCH. DPDCH kanál přenáší uživatelská data, zatím co DPCCH přenáší řídící data vyšších vrstev. Fyzické kanály SCH, CPICH, AICH, nejsou mapovány do transportních kanálů. Struktura mapování kanálů je názorně vidět na obrázku Obr.7.
6.2.4 Transportní bloky Transportní kanály přenáší data jednosměrně (uplink nebo downlink) ve formátu
transportních bloků. Vzhledem ke stanovené délce trvání rámce na fyzické vrstvě, je každých 10 ms protokolem MAC generován nový transportní blok. Jelikož přenáší služby s různou bitovou rychlostí, zajišťuje přenos několika transportních bloků v jednom transportním kanále jak je to vidět na obrázku Obr.8.
Formát transportního bloku TF (Transport Format) definuje množství přenesených dat v jednom transportním bloku a skládá se ze dvou částí. První část - semistatická definuje dobu trvání (TTI) přenosu jedné sady transportních bloků, CRC kontrolní součet a ochranu proti chybám. Přitom poslední dva údaje používá jen fyzická vrstva pro kanálové kódování a pro řízení kvality služeb. Dynamická část transportního bloku definuje velikosti transportních bloků a transportních sad TFS (Transport Format Set).
Každá změna transportních bloků (velikost TFS, množství dat přenesených v jednom bloku) musí být zaznamenaná v tzv. indikátoru transportního bloku TFI (Transport Format Indicator), který se přenáší před každou sadou [1,2].
Obr. 8 Přenos transportních bloků
25
6.3 Fyzické kanály Prostřednictví fyzických kanálů se přenášejí informace přes rádiové rozhraní směrem
k základnové stanici Node-B. Každý kanál má pevně definované parametry přenosu: • Kmitočet nosné, • unikátní rozprostírací kód, • dobu trvání kanálu.
Fyzické kanály rozdělujeme na společné kanály, které jsou sdíleny několika
uživatelskými stanicemi a vyhrazené kanály, které jsou vyhrazeny jen jednotlivým uživatelským stanicím. Podle účelu, rozdělujeme dále fyzické kanály na kanály pro přenos transportních kanálů a na kanály pro řízení komunikace.
6.3.1 Společné fyzické kanály pro řízení komunikace 1) CPICH (Common Pilot Channel) – jedná se o nemodulovaný kanál, který je
scramblovám pomocí specifického buňkového primárního kódu. Slouží pro přenos vzorků pro dekódování scramblovacího kódu buňky. Další funkcí je měření signálu sousedních buněk.
2) SCH (Synchronization Channel) – slouží pro hledání buňky. Skládá se ze dvou subkanálů.
3) AICH (Acquisition Indicator Channel) - požívá se při náhodné přistupovací metodě pomocí kanálu PRACH.
4) PICH – (Paging Indicator Channel) – indikátor paginové služby na kanále PCH.
5) CSICH – (CPCH Status Indication Channel) - slouží pro přístupovou metodu CPCH.
6) AP-AICH – (Access Preambule AICH) - slouží pro přístupovou metodu CPCH.
7) CD/CA-ICH – (Collision Detection Indicator Channel) - slouží pro přístupovou metodu CPCH.
6.3.2 Společné fyzické kanály pro přenos transportních kanálů 1) PRACH (Psysical Random Access Channel) – slouží pro přenos transportního
kanálu RACH pro náhodnou proceduru přístupu k síti. Pro regulaci vzdálenosti mezi UE a Node-B, využívají proceduru pro nastavení počáteční výkonové úrovně signálu.
2) PCPCH (Physical Common Packet Channel) – slouží pro přenos transportního kanálu CPCH. Přiřazuje se pomocí časového multiplexu. Stejně jako PRACH používá přístupovou proceduru pro nastavení počáteční výkonové úrovně.
3) P-CCPCH (Primary Common Control Physical Channel) – slouží pro přenos transportního kanálu BCH s konstantní přenosovou rychlostí 30 kbit/s.
4) S-CCPCH (Secondary Common Control Physical Channel) – slouží pro přenos transportních kanálů FACH a PCH. Využívá pro přenos variabilní rychlosti.
5) PDSCH (Physical Downlink Shared Channel) – slouží pro přenos transportního kanálu DSCH. Přiřazuje se časovým multiplexem a je součásti downlinku DPDCH informující UE o řízení výkonu, době přístupu, rozprostíracím kódu.
26
6.3.3 Vyhrazené fyzické kanály pro řízení komunikace 1) DPCCH (Dedicated Physical Control Channel) – je vysílán společně s DPDCH
kanálem. Slouží pro přenos informací o fyzické vrstvě potřebné pro správnou funkci systému.
6.3.4 Vyhrazené fyzické kanály pro přenos transportních kanálů 1) DPDCH (Dedicated Physical Data Channel) – slouží pro přenos datových
signálů transportních kanálů pro uplink i downlink.¨
6.3.5 Multiplexování Po přijetí transportního bloku z vyšších vrstev je první operace přidání CRC bloku.
CRC (Cyclic Redudancy Check) kontrolní součet slouží pro kontrolu chyb v transportním bloku a může nabývat velikostí 0, 8, 12, 16 a 24 bitů. Velikost CRC bloku závisí na tom, jak velkou pravděpodobnost neodhalení chyb jsme schopni připustit.
Po přidání CRC bloku je dalším krokem buď sřetězení jednotlivých transportních bloků dohromady, nebo jsou naopak segmentovány do různých kódových bloků. To závisí na situaci, jestli je celková délka po zřetězení je větší než je délka kódového bloku pro kanálové kódování.
V závislosti na typu transportního kanálu je nad každým transportním blokem provedeno kanálové kódování. V tabulce Tab.3 jsou uvedeny druhy kódů nad jednotlivými transportními kanály.
Tab. 3 Druhy kódů pro transportní kanály
Transportní kanál Druh kódu Kódovací poměr
BCH PCH
RACH 1/2
KOVOLUČNÍ KÓD
1/2, 1/3 TURBO KÓD 1/3 CPCH, DCH,
DSCH,FACH Bez kódování
Zakódovanému transportnímu bloku je v případě nutnosti přidán určitý počet
doplňujících bitů (Padding bit) tak, aby celková velikost byla celočíselným násobkem rámce TTI = 10 ms. Poté dochází k prvnímu blokovému prokládání (Interleaving). Data jsou segmentována do rádiových rámců (Radio Frame Segmentation) o délce 10 ms. Následuje vyrovnání bitové rychlosti (Rate Matching), což zaručuje stejný počet dat po multiplexování jako je množství dat pro rádiové rámce. Nakonec dochází k multiplexování jednotlivých zakódovaných transportních kanálů dohromady, což umožňuje využívat několik služeb součastně. Vzniká tak kompozitní transportní kanál CCTrCH (Coded Composite Transport Channel) [1].
6.3.6 Struktura rámců na fyzické vrstvě Data na fyzické vrstvě jsou uspořádá do rámců o délce 10 ms. Jeden rámec je rozdělen
na 15 timeslotů o celkové délce 667μs. Počet bitů je v každém timeslotu různý, ale po rozprostření signálu se v každém timeslotu nachází konstantních 2560 chipů, což odpovídá chipové rychlostí UMTS 3,84 Mbit/s. Bitová rychlost je rovna podílu chipové rychlosti ku činitele rozprostření SF (Spreading factor), který se mění v rozmezí od 4 do 256.
Formát rámců se liší podle toho, v jakém směru je vysílán. Ve směru uplink jsou definovány dva fyzické kanály, které jsou vysílány součastně prostřednictvím kódového
27
multiplexu. Jeden přenáší řídící informace a druhý uživatelská data. Počet bitů alokovaných do rámce je variabilní (10-640 bitů). Struktura uplink rámce je na obrázku Obr. 9.
Obr. 9 Struktura uplink rámce
Obr. 10 Struktura downlink rámce
• Pilot – blok bitů sloužící k měření podmínek přenosu a výpočtu SIR (Signal to Interference Radio).
• TFCI – (Transport Format Combination Identifier) – blok bitů informující Node-B o transportních formách.
• FBI – (Feedback Information) – blok bitů přenášející informace důležité pro zpětnou komunikaci UE a Node-b.
• TPC – (Transmit Power Control) – blok bitů přenášející příkazy o řízení výkonu.
Ve směru downlink jsou uživatelská a řídící data vysílány na základě časového
multiplexu. Význam polí však zůstává stejný jako u uplink rámce. Struktura downlink rámce je na obrázku Obr. 10 [2].
28
PROCESY KOMUNIKACE V UMTS 6.4 Průběh komunikace mezi terminály
1. Mobilní stanice posílá zprávu s MSISDN (Mobile Subsciber ISDN Number) číslem o navázání spojení směrem k ústředně ke které je přihlášen. Tato zpráva obsahuje důležité informace o volaném účastníkovi.
2. Ústředna MSC1 nejdříve zjistí, zda-li se volaný účastník nenachází v její správě. Prozkoumá návštěvní registr VLR1.Zároveň požádá volající stanici o autentizaci.
3. Pokud se volaný uživatel nachází v dané síti, MSC se odkáže na HLR registr a zjistí pod jakou MSC je volaný účastník právě spravován.
4. Nachází-li se volaný uživatel mimo domácí síť, je hovor přímo směrován na bránu GMSC.
5. Jinak HLR pošle žádost o volání VLR2 registru, který je právě spravován ústřednou MSC2.
6. VLR2 pošle požadované MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number) zpět do domácího registru HLR, který jej přepošle do ústředny MSC1.
7. Na základě MSRN čísla MSC1 nastaví telefonní spojení s ústřednou MSC2, kde je volaný účastník právě registrován.
8. Pokud ústředna MSC2 dosud nezná volaného účastníka, ověří si jeho uživatelské informace v registru VLR2.
9. Poté MSC2 zahájí paging do všech základnových stanic Node-B, které jsou pod jeho správou. Na tuto zprávu odpoví pouze terminál, kterého se hovor týká.
10. Spojení je úspěšně navázáno.
6.5 Signalizační procedury na fyzické vrstvě Fyzická vrstva CDMA systému zajišťuje mnoho procedur nezbytné pro systémové
operace. Například zahrnuje procedury synchronizace,procedury náhodného přístupu do sítě, rychlé řízení výkonu signálu, procedury pagingu, handover a operace diverzitního příjmu. Tyto procedury tvoří model CDMA specifikace pro UTRA-FDD fyzickou vrstvu a na některé procedury se podíváme v následujících kapitolách.
6.6 Procedura hledání buňky „Cell search“ Během této procedury pátrá terminál po buňce a zároveň zajišťuje přesné určení
downlink scramblovacího kódu a synchronizaci s touto buňkou. Tato procedura obvykle probíhá ve třech krocích [1]:
1. Synchronizace slotů - terminál použije primární synchronizační kód vysílaný
na kanále SCH pro synchronizaci slotů. Každá buňka má identický primární synchronizační kód.
2. Synchronizace rámců – terminál použije sekundární synchronizační kód pro synchronizaci rámců a určí kódovou skupinu buňky, která slouží pro zjištění scramblovacího kódu.
3. Určení scramblovacího kódu – terminál určí primární scramblovací kód.
29
6.6.1 Procedura RACH Procedura pro náhodný přístup se používá pro inicializaci přenosu, pokud neexistují
přesné znalosti o přenosovém výkonu. V přístupové síti probíhá RACH procedura v následujících fázích [1,5,8]:
• Terminál dekóduje broadcast kanál BCH vysílaný uzlem Node-B a zjišťuje dostupné RACH subkanály a jejich parametry (scramblovací kód, šifrování).
• Terminál vybere náhodný RACH subkanál a šifrování. • Terminál se naladí na výkonovou úroveň kanálu RACH a odešle v něm žádost
(hlavičku RACH kanálu) o přístup do sítě. Přitom každá první ms RACH záhlaví je zašifrovaná zvoleným kódem.
• Mobilní terminál poslouchá odpověď na AICH kanálu. Pokud nepřijde odpověď na jeho žádost, zvýší vysílací výkon a pošle žádost znovu.
• Pokud je terminálem detekována existence AICH kanálu, vysílá terminál zprávy o délce 10ms nebo 20ms na kanále RACH.
6.6.2 Procedura CPCH Tato procedura je na rozdíl od RACH procedury je jednodušší a využívá detekci kolizí
CD (Collision Detection). Proces je až do detekce kanálu AICH stejná jako u RACH procedury. Po detekci kanálu AICH vysílá terminál záhlaví pro detekci kolize se stejnou výkonovou úrovni jako záhlaví RACH směrem k Node-B. Rozdíl je pouze v použití jiného šifrovacího kódu. Poté je očekávána odezva na tuto zprávu na kanáke CD-ICH (Collision Detection – Indicate Channel) od Node-B a zároveň vytvoření na fyzické vrstvě metodu pro redukci kolizí. Po úspěšné inicializaci kolizní domény nastává přenos dat [1,5].
6.7 RRC signalizace Mobilní stanice se může během svého provozu nacházet ve dvou základních stavech.
V idle módu se nachází tehdy pokud je úspěšně přihlášen terminál do sítě, ale neprobíhá hovor nebo přenos dat. Během tohoto módu dochází k neustálému monitorování a měření parametrů přístupové sítě [1].
Connected mód rozdělujeme na 4 submódy podle toho jaký fyzický kanál mobilní terminál používá.
• Cell-DCH – Jsou alokovány vyhrazené fyzické kanály jak pro uplink tak pro downlink. V tomhle stavu terminál vykonává měření a výsledky tohoto měření posílá zpět RNC uzlu. Kromě DCH kanálu je možné použít i DSCH kanál a dochází zde i k monitorování provozu na FACH kanále, který slouží pro přenos systémových informací.
• Cell-FACH – Nejsou alokovány vyhrazené fyzické kanály. V tomhle stavu je mobilní terminál schopen poslouchat všesměrový kanál BCH k získání systémových informací. Dále vykonává update buňky, kdy používá zprávy Cell Update směrem k RNC uzlu. Pokud je to nařízeno ze strany RNC uzlu, mohou v tomhle stavu působit i kanály CPCH.
• Cell-PCH – Nejsou alokovány vyhrazené fyzické kanály. Mobilní terminál taktéž poslouchá systémové informace na BCH. Vykonává proceduru Cell Update buňky.
• URA-PCH – velmi jednoduchý stav podobný stavu Cell-PCH. Terminál však nevykonává Cell Update buňky po každé změně buňky. Místo toho čte identifikátor UTRAN Registration Area (URA) na všesměrovém kanále BCH a pokud dojde ke změně URA (po změně buňky), informuje Serving RNC o své poloze.
30
Mobilní stanice se vrací do idle módu tehdy, pokud je komunikace ukončena RRC connection released, nebo naopak spojení selhalo.
6.7.1 RRC protokol RRC protokol řídí hlavní část řídící signalizace mezi terminálem UE a přístupovou sítí
UTRAN. Mezi hlavní funkce patř [1]í: • Broadcast systémových informací, • Paging, • Inicializace buňky, její výběr a reselekce, • Sestavení, udržení a ukončení RRC spojení mezi UE a UTRAN, • Monitorování rádiových nosičů, transportních a fyzických kanálů, • Řízení zabezpečení a šifrování, • Řízení ochrany signalizačních zpráv, • Řízení výsledků měření UE, • Řízení výkonu mobilní stanice, • Podpora relokace Serving-RNC uzlu.
V následujících kapitolách jsou jednotlivé funkce a jejich procedury popsány
podrobněji.
6.7.2 Broadcast systémových informací Všesměrové systémové informace posílány ve formě zpráv na BCCH logickém
kanále, který je mapován do transportních kanálů BCH a FACH. Každá zpráva nese tzv. bloky systémových informací SIB (Systém Information Block). Mobilní terminál monitoruje na již zmíněných kanálech, zda-li se nějaké parametry v jednotlivých blocích SIB nezměnili. Přístupová síť UTRAN může informovat terminál o změnách systémových informací pomocí paginových zpráv posílané na transportním kanále PCH nebo pomocí zpráv System Information Change Indication na transportním kanále FACH [1].
6.7.3 Paging Paging procedura se používá pro přenos paginových zpráv pro výběr terminálů v idle
módu, Cell-PCH nebo URA-PCH stavu používající transportní kanál PCCH. Vyšší vrstvy v síti mohou vytvořit dotaz na paging, to znamená např. při sestavení spojení nebo pro přenos signalizace. UTRAN inicializuje paging pro zpuštění procedury aktualizace buňky (Cell update) a procedury aktualizace systémových informací (Update System Information Procedure). Pro přenos se používají dva typy pagingových zpráv. Zprávy Paging type 2 se používají v případě, že se terminál nenachází v idle módu a jedná se o vyhrazenou paginovou proceduru. Paginovou proceduru můžeme shrnout v následujících bodech [1]:
• Sestavení relace (hovoru) v subsystému CN a vzniká požadavek na paging. • Změna stavu UE z Cell-PCH nebo URA-PCH do stavu Cell-FACH • Zaznamenaná změna v systémových informací. V tomto případě RNC uzel
posílá paging zprávu s novými hodnotami uložených v SIB blocích.
31
6.7.4 RRC spojení K sestavení spojení RRC mezi UE a UTRAN přístupovou sítí dochází tehdy, když se
UE nachází v idle módu. Sestavení RRC spojení je vidět na obr.11. Pokud mobilní stanice zahajuje komunikaci, posílá na transportním kanále RACH pomocí protokolu RRC žádost o spojení zprávou Connection Request. Řídící jednotka žádost akceptuje a vytvoří mezi ní a základnovou stanicí Node-B rádiové spojení. Žádost a potvrzení řídí protokol NBAP. Zpráva, kterou RNC posílá Node-B obsahuje informace o formátu transportních bloků, informace o výkonu a použitém kódu. Po sestavení spojení dochází k rámcové synchronizaci na vzestupné i sestupné dráze rámcovým protokolem FP. Nakonec RNC uzel požádá mobilní stanici UE o nastavení spojení zprávou RRC Connection Setup. Zpráva obsahuje informace o vysílacím výkonu, formátu transportních bloků a rozprostíracích kódech. Mobilní stanice odpoví po úspěšném nastavení na transportním kanále DCH zprávou RRC Connection Setup complete. Při sestavení spojení jsou aktivovány obvykle 4 signalizační rádiové nosiče RB [7].
• RB-0 je rezervován pro signalizaci na CCCH kanále. • RB-1 se používá pro signalizaci zpráv na DCCH kanále a RLC-UM. • RB-2 se 2používá pro signalizaci zpráv na DCCH kanále a RLC-AM. • RB-3 se používají pro signalizaci zpráv na vyšších vrstvách s vyšší prioritou na
DCCH. • RB-4 se používají pro signalizaci zpráv na vyšších vrstvách s nižší prioritou na
DCCH.
Během sestavení spojení dochází k procesu autentizace mobilního terminálu. Tento proces se uskutečňuje těsně před začátkem hovoru a slouží ke kontrole uživatele, zda-li se nenachází v jiné sítí nebo nepoužívá falešnou USIM kartu. Přitom však systém musí znát IMSI identifikační číslo účastníka.
Síť UMTS je navržena tak, aby uživatel mohl pracovat v obou systémech bez toho, aniž by si musel kupovat nový přístroj, nebo snad používat novou identifikační kartu. Proto je proces ověření účastníka podobný jako u systému 2. generace GSM.
Proces autentizace závisí na porovnání odezvových signálů RES vypočítaných v UE a MSC. Na začátku pošle mobilní terminál své dočasné přidělené číslo TMSI. Ústředna MSC vyhodnotí účastníka, zdali se nachází v jeho lokálním registru VLR. Pokud to tak není, požádá mobilní stanici o identifikaci. Požádá mobilní stanici o zaslání jeho identifikátoru IMSI a použije jej jako žádost o autetizaci, kterou přepošle domácímu registru HLR, u kterého je mobilní terminál registrován. Autetizační centrum AuC vygeneruje autentinzační vektor obsahující náhodné číslo RAND, odpovídající odezvu na tohle náhodné číslo XRES, autentizační token AUTN a odešle spolu s klíčem integrity IK a šifrovacím klíčem CK. Tato zpráva je poslána zpět do ústředny, ke které je mobilní terminál přihlášen. Dočasný registr VLR uloží autentizační vektor a mobilní stanici pošle odezvu ve formě žádosti o autentizaci. Zpráva obsahuje náhodné číslo RAND a autentizační token AUTN. Autentizačni token slouží k identifikaci sítě. Pokud vypočítaná odezva na AUTN není správná, mobilní terminál zprávu zahazuje. Mobilní terminál na základě uložených autentizačního klíče vypočítá odezvu RES a tu pošle zpět. Ústředna porovná dané odezvy RES a SRES a pokud se shodují je mobilní terminál úspěšně autentizován. Po uložení nové lokality mobilní stanice v HLR a jeho potvrzení dojde k nastavení šifrování a mezi UE a Node-B a UE obdrží nové TMSI. Signalizační procedura je přehledně ukázaná na obrázku Obr.12 [6].
32
Obr. 11 RRC sestavení spojení
Obr. 12 Autentizace UE
Po úspěšné autentizaci a nastavení šifrování mezi UE a přístupovou sítí UTRAN,
požádá UE o sestavení volání na transportním kanále DCH zprávou Initial Direkt Transfer {Call Setup}. Tato zpráva obsahuje informace o identifikátorech přenosu (Stream ID, Transaction ID), informace o maximální bitové rychlosti, garantované bitové rychlosti a třídě QoS. Mobilní ústředna MSC zpracuje požadavky mobilního terminálu UE a zprávou RAB assignment Request pošle UE unikátní RAB (Radio Access Bearer) a parametry QoS. Po nastavení daných parametrů se vytvoří rádiové spojení mezi UE a CN. Sestavení transportního kanálu je na obrázku Obr. 13 [7].
33
Obr. 13 Sestavení DTCH kanálu
Obr. 14 Ukončení RRC spojení
Volaná stanice UE je o přicházejícím hovoru informována příslušnou mobilní ústřednou MSC prostřednictvím paginových zpráv. Poté nastávají stejné procedury jako u mobilní stanice uskutečňující hovor.
Ukončení hovoru je signalizováno zprávami Direkt Transfer (CC-Disconnect). Mobilní ústředna požádá UE o uvolnění rádiových prostředků mezi Node-B a UE zprávou Iu Release Command. Nakonec je mobilní ústřednou ukončeno RRC spojení zprávou RRC Connection Release a uvolnění rádiových prostředků mezi RNC a MSC. Procedura ukončení spojení je na obrázku Obr.14 [7].
34
6.8 RRM (Radio Resource Management) procedury UE stanice je v aktivním módu, to znamená, že existuje RRC spojení. V pravidelných
intervalech skenuje primární synchronizační kanál P-SCH sousedních buněk komunikující na stejné frekvenci. Po zasynchronizování provádí UE měření výkonu pilotních kanálů CPICH a určuje, ke kterým buňkám naměřené výsledky náleží. Po zpracování výsledků posílá naměřené výsledky RNC uzlu, který se postará o handover [7]. V následujících kapitolách jsou uvedeny příklady signalizačních procedur při handoveru.
6.8.1 Soft handover Popis soft handoveru je popsán v kapitole 2.3.2. Průběh signalizační procedury
spočívá neustálém monitorování vedlejších řídících jednotek RNC zprávami Measurement Report. Na základě těchto zpráv pak SRNC jednotka zprávami Aktive Set Update přidá nebo zruší rádiová spojení se základnovými stanicemi Node-B. Průběh procedury přidání spojení do aktivní skupiny je na obrázku Obr.15.
Obr. 15 Soft handover
35
Obr. 16 Intersystem Handover
6.8.2 Intersystem Handover z UTRAN Intersystem handover je zobrazen na obrázku Obr.16. Tento proces se používá
v případech, pokud dojde k handoveru mezi různými sítěmi, v našem případě z UMTS do GSM.
V prvním kroku obdrží terminál UE systémové informace ze sousední buňky GSM. Tyto zprávy jsou vysílány ve formě zpráv na BCCH a DCCH kanálech. Výsledky měření jsou terminálem poslány ve formě zprávy Measurement Report na kanál DCCH a jejich základě RNC uzel rozhodne o handoveru. Po rezervování prostředků (kanál, timeslot) od BSS (Base station Subsystem) RNC uzel pošle zprávu Handover From UTRAN Command, která nese příkazy k handoveru pro UE. V tomhle bodě GSM RR protokol v UE řídí handover s BSC stanicí v GSM. Základnové stanici posílá zprávu GSM handover access a po úspěšném dokončení handoveru, BSS uvolní zdroje v UTRAN sítí UMTS [1,7].
6.8.3 Intersystem Handover do UTRAN Nyní se zaměříme na handover z GSM sítě do sítě UMTS. Průběh procedury je
podobný jako u předcházejícím intersystem-handoveru. Mobilní stanice opět obdrží systémové informace o sousední buňce sítě UMTS tentokrát však na transportních kanálech BCCH (Broadcast Control Channel) a SACCH (Slow Asociace Control Channel) sítě GSM. Mezi parametry, které jsou vyhodnocovány patří kmitočet, scramblovací kód, šířka pásma. Výsledky měření posílá mobilní stanice ve formě zprávy Measurement Report na kanál SACCH. Na základě přijatých výsledků řídící jednotka sítě GSM se rozhodne o handoveru. Kontaktuje příslušnou UTRAN přístupovou síť a požádá ji o rezervaci prostředků pro mobilní terminál. BSC stanice pošle zprávu GSM Inter-System Handover Command s informacemi Handover To UTRAN Command message pro handover UE. Nakonec po rekonfiguraci terminál ukončí proceduru zprávou Handover To UTRAN Complete na kanál DCCH nebo DCH. RNC uzel nakonec vyzve řídící jednotku BSC o uvolnění zdrojů [1,7].
36
6.9 MM (Mobility Management) procedury 6.9.1 Změna polohy mobilní stanice v rámci dvou MSC stanic Při pohybu mobilního terminálu UE dochází k relokaci (Location Area Update) mezi základnovými stanicemi podle toho, která stanice má pro spojení lepší přenosové parametry. Pokud se mobilní terminál přihlásí k Node-B, která je řízená jinou telefonní ústřednou MSC, dojde ke změně parametru LAI (Location Area Identifier) uloženého v domácím registru HLR. Průběh procedury je popsán v následujícím textu [7]:
1. Mobilní terminál UE analyzuje výsledky měření rozhodujících parametrů
všech Node-b stanic, se kterými komunikuje.Tyto informace přicházejí na BCCH kanále.
2. Node-B stanici s nejlepšími parametry pošle žádost o aktualizaci zprávou MM Location Update Reguest. Tato zpráva obsahuje staré LAI, nové LAI a TMSI číslo.
3. Nová MSC (VLR) ústředna použije pro identifikaci nového uživatele IMSI identifikační číslo a staré LAI. S touto žádostí pošle HLR registru zprávu MAP Send Parametr.
4. Poté nová MSC (VLR) zažádá o autentizaci mobilní stanice. Proces autentizace je popsán v kapitole 6.3.4 RRC Spojení.
5. Po úspěšné autentizaci mobilní stanice zažádá nový VLR registr o identifikační data (profil uživatele, poskytované služby,..) mobilního účastníka od HLR registru. HLR registr zároveň informuje původní VLR registr o ukončení působení dané mobilní stanice v dané oblasti.
6. Mobilní stanici UE je jako potvrzení roamingu posláno nové TMSI identifikační číslo.
Stavový diagram o průběhu relokace mezi dvěmi mobilními stanicemi je popsán na
obrázku Obr.17.
Obr. 17 Relokace v rámci dvou MSC stanic
37
6.10 CC (Call Control) procedury V této proceduře dochází k navázání spojení s mobilním terminálem v síti UMTS a
externí pevnou sítí (ISND, PSTN). Ke snadné lokalizaci volaného účastníka slouží MSISDN číslo. Jednotlivé procesy jsou popsány v bodech následujících bodech a názorně ukázána na obrázku Obr.18.
1. Přicházející hovor od účastníka z externí sítě je zachycen v bráně GMSC. Zpráva o inicializaci volání obsahuje směrovací informace o volaném účastníkovi (MSISDN číslo).
2. GSMC blok zahájí za pomocí čísla MSISDN spojení s domácím registrem HLR a nastaví s nim signalizační spojení.
3. HLR registr informuje VLR registr ústředny MSC, v které je volaný účastník právě registrovaný. Pro identifikaci volaného účastníka použije jeho IMSI číslo.
4. VLR registr na dotaz odpoví zprávou obsahující směrovací číslo účastníka MSRN (Mobile Subscriber Roaming Numer).
5. HLR registr přepošle MSRN číslo zpět bráně GMSC. 6. Na základě MSRN čísla zahájí GMSC volání do dané sítě spravované danou
ústřednou. 7. MSC zahájí paging na všechny UTRAN přístupové sítě. Zpráva obsahuje
identifikační číslo volaného IMSI. 8. Ta UTRAN sít, ke které je volaný účastník přihlášen odpoví na paginovou
zprávu. Předtím však dochází k zahájení RRC spojení s RNC uzlem. 9. Ústředna MSC po přijetí odpovědí zažádá o autentizaci volaného účastníka a
nastaví zabezpečení a šifrování. 10. Po nastavení spojení a alokaci rádiových nosičů s MSC uzlem dochází
k přímému spojení s PSTN sítí a k uskutečnění hovoru [7].
Obr. 18 Volání z externí sítě PS
38
ZHODNOCENÍ UMTS A GSM
Velkou výhodou UMTS sítí je jejich kompatibilita se stávající sítí GSM. Důvod je takový, že pokud dojde k přetížení jedné síti, může být hovor přepojen na druhou síť, která je momentálně volná. Při používání vysokorychlostních datových přenosů u UMTS sítí v oblastech se slabým signálem, může dojít k přepojení na pomalejší verzi GPRS nebo EDGE GSM sítě.
6.11 WCDMA versus FDMA/TDMA To co dělá 3G mobilní sítě tak výjimečné je právě přístupová metoda s kódovým
dělením. V sítích GSM je každý rádiový kanál metodou TDMA rozdělen na jednotlivé časové kanály. To znamená, že každému účastníkovi je přidělen jeden timeslot, na kterém komunikuje. V celém systému to pak vypadá, jakoby se účastníci na jednotlivých kmitočtech v komunikaci střídali.
V sítích UMTS je každému účastníkovi přidělen unikátní binární kód, který rozlišuje jednotlivé účastníky. Přitom však všichni uživatelé využívají celé přidělené rádiové pásmo. Násobením XOR tohoto binárního kódu s přenášenými daty vzniká širokopásmový signál.
Tím, že účastník může využívat celou šířku kmitočtového pásma (5 MHz včetně postranních ochranných pásem), je tato metoda vhodná pro služby pracují v širokém pásmu (videohovory, příjem digitálního televizního signálu, vysokorychlostní datové přenosy typu best effort). Mezi technologie zvyšující kvalitu a rychlost (řádově Mbit/s) datových přenosů patří HSPDA (High-Speed Downlink Packet Access) a HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access).
Výhodou rozprostřeného signálu u WCDMA technologie je také odolnost vůči širokopásmovému a úzkopásmovému šumu a interferencím. Rozprostřený signál má taktéž dvakrát větší spektrální účinnost než u sítí GSM. Problém mnohacestného šíření signálu je odstraněna přijímačem RAKE a složitá technika ekvalizace u GSM je nahrazena technologií mnohauživatelské detekce MUD (Multiuser Detection) [8].
6.12 ATM a IP Velkou změnou ve struktuře sítě UMTS je implementace technologie ATM a
implementace protokolu IP na síťové vrstvě páteřní sítě. Je jasné, že implementace protokolu IP je velice perspektivní a umožní tak snadnou komunikaci s jinými sítěmi (hlavně s počítačovými sítěmi). Implementace ATM technologie založené na asynchronním přepínáním buněk a umožňuje zavést různé třídy kvality nabízených služeb podle požadavků uživatele.
Zajištění kvality služeb QoS patří v dnešní době mezi rozhodující. Již v sítích GSM byla kvalita hovorových služeb zabezpečena určitým procentem volných kanálů, které umožňovaly, aby při handoveru do nové buňky byly právě poskytnuty danému účastníkovi. Pokud by nebyly volné kanály, mohlo by dojít ke zrušení hovoru. Dalším problémem, který je u GSM řešen, je eliminace vícecestného šíření signálu. Pokud je signál rušen dlouhodobými nebo krátkodobými úniky, nedojde ke zrušení hovoru v daném časovém intervalu. V dané situaci je o mnoho lepší chvíli neslyšet volaného, než ho znovu vytáčet. U technologie GPRS (General Packet Radio Services) a EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) založené na přepojování paketů je kvalita služby řešena pomocí tříd jednotlivých parametrů, mezi něž patří priorita, spolehlivost, zpoždění a propustnost [9].
V sítích UMTS jsou definované dvě adaptační vrstvy ATM. Vrstva AAL 2 je použita pro přenos spojově orientovaných dat (zkomprimovaného hlasu) s proměnlivou rychlostí
39
VBR (Variable Bit Rate) a nízkým zpožděním a AAL 5 pro přenos paketově orientových dat a signalizace s nespecifikovanou přenosovou rychlostí UBR (Unspecified Bit Rate).
Vývoj sítí 3G však směřuje ke spojení obou domén a sjednocení obou služeb na bázi ATM, nebo IP přes ATM, nebo jen na bázi IP. Poslední varianta je, jak už bylo zmíněno díky velkému rozšíření Internetu, velice pravděpodobná. Struktura, která bude schopna umožňovat spojení obou služeb do jedné je popsána v následující kapitole.
6.13 IMS Subsystém konvergence IMS (IP Multimedia Subsystem) je definován v UMTS
Release 4 a umožňuje spojení přenosu hlasu (nasazení VOIP) a dat na bázi protokolu IP. Je tedy prvním krokem ke spojení pevných a mobilních sítí. Hlavní změnou bude tedy přechod na jednotnou IP síť zcela nezávislou na rádiové přístupové síti, která bude podporovat všechny typy služeb.
Struktura IMS architektury se skládá ze tří vrstev, vrstvu služeb poskytující služby, propojovací vrstvu zahrnující přístupovou síť a páteřní vrstvu pracující na protokolu IP (IPv6 a IPv4). Mezi nejdůležitější protokoly patří SIP (Session Initiation Protocol), který pracuje jako klient-server protokol na aplikační vrstvě a slouží k sestavení, udržení, dohledu a rušení spojení v IP sítích. Koncepce protokolu SIP je podobná protokolu HTTP (Hypertext Transfer Protocol) a protokolu SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) [10]. Dalším významným protokolem je DIAMETER, který umožňuje přenos signalizace pro autentizaci, autorizaci a kontrolu rámců pro aplikace[11,12].
Problém IMS subsystému jsou další investiční výdaje a provozní náklady. Především běžní uživatele si musí pořídit mobilní telefon, který bude IMS podporovat. Důvod je takový, že systém neumí zapouzdřit data běžného hovoru do IP paketu.
6.14 Bezpečnost Zabezpečení komunikace v sítích UMTS staví na stejných principech jako sítě GSM.
Autentizace je založena na porovnávání odezvových signálů RES=SRES, avšak zabezpečení v UMTS přináší řadu zlepšení, jako je oboustranná autentnizace (jak uživatele, tak i sítě prostřednictvím AUTN token) a ochrana (Integrity mechanismus) zpráv přenášených mezi UE a přístupovou síti UTRAN. UMTS podporuje taktéž rozšířené šifrování, které zabezpečuje, aby zprávy nebyly dostupné neautorizovaným uživatelům. Přitom na šifrovacích a integritních algoritmech se domlouvá mobilní terminál spolu se sítí.
Pokud však není dohodnuto šifrování mezi terminálem a sítí, může se stát, že útočník odchytí citlivá data (IMSI, TMSI, autentizační data,…). Velkým problémem u UMTS je také situace, kdy se mobilní terminál přihlašuje do sítě poprvé, tehdy se jeho identifikační číslo IMSI přenáší jako holý text bez jakéhokoliv zabezpečení.
6.15 Handover Signalizace UMTS při handoveru je z velké části srovnatelná se signalizaci GSM. Se
souvislosti zavedení soft-handoveru byla ale nově založena signalizace na rozhraní Iur mezi řídícími jednotkami Serving-RNC a Drift-RNC pomocí protokolu RNSAP. Výhodou soft-handoveru je lepší řízení kvality hovoru avšak za cenu zvýšení zátěže RNC uzlů.
40
NÁVRH SÍTĚ UMTS 6.16 Úvod
Návrh přístupové sítě UMTS nazývané Radio Network Planning spočívá v analýze vstupních dat získaných statistickým měřením na daném území, kde se bude daná síť budovat. Z analýzy vstupních dat prostřednictvím výpočtu bilance rádiového rozhraní a kapacity buněk je vypočítán počet potřebných základnových stanic.
Mezi základní vstupní data patří zejména znalost počtu aktivních obyvatel využívající mobilní telefony a jejich intenzita přístupu k mobilním sítím. Rozhodující je, kolik uživatelů bude využívat datové služby a kolik uživatelů pouze hlasové. Tato část se zaměřuje na výpočet kapacity buňky ze znalosti provozního zatížení jednoho uživatele a maximálního počtu kanálů, které je daná buňka v daném okamžiku schopna obsloužit.
Dalším vstupními požadavky operátora jsou záležitosti týkající se geografické výstavby přístupové sítě. Tato část plánování sítě je díky rozmanitosti terénu velice náročnou částí. K vyřešení daného problému jsou zapotřebí znalosti šíření elektromagnetických vln v prostoru a vyžaduje patřičné prostředky softwarového a hardwarového vybavení. Rozhodující je jak velká oblast bude pokryta signálem (návrh maximální velikost buněk), kolik a jaké typy základnových stanic bude potřeba použít pro dosažení požadované kvality služeb.
Poslední část návrhu sítě se zabývá optimalizaci navržené sítě. Jedná se o reálné měření kvality signálu v dané lokalitě na základě vypočítaných a odsimulovaných dat a jejich vzájemné zhodnocení. Zkoumá se tedy, zda navržená síť odpovídá reálným podmínkám a může být zpuštěn testovací provoz.
6.17 Radio Network Planning Mezi specifické parametry ovlivňující návrh rádiové přístupové sítě, které se u
systému GSM neuvažovaly, patří: • Záloha pro interferenci – Typické hodnoty pro tuto rezervu se pohybují pro
10% až 50% zatížení systému od 1-3 dB. • Záloha pro rychlý únik (Fast Fading) – Typické hodnoty pro pomalu se
pohybující mobilní stanice jsou 2-5 dB. • Zisk pro handover – Slouží pro odstranění pomalého úniku (Low Fading),
udává se společně s makrodiverzitním ziskem minimalizující rychlé úniky a nabývá hodnot 2-3 dB [1].
6.17.1 Návrh maximální velikosti buňky Nejdříve je třeba se zamyslet nad tím, jaké typy buněk budeme uvažovat. Pro hustě
zalidněné oblasti (město a jeho centrum) je vhodné použít menší buňky. Důvodem je snaha minimalizovat počet přihlášených účastníků k jedné základnové stanici a tím zamezit přetížení buňky, což by vedlo ke ztrátám. Naopak pro okrajové aglomerace a silniční tahy, kde je řidší hustota zalidnění a nižší riziko přetížení, je vhodné použít větší makrobuňky. Důvodem je nižší pořizovací cena a zároveň eliminují problémy vznikající při rychlém pohybu mobilních stanic.
41
Obr. 19 Mapa návrhu systému UMTS
Na obrázku Obr.19 je mapa oblasti návrhu. Jedná se o okres Bruntál ležící na severní Moravě v podhůří Jeseníků. Co se týče obyvatelstva, jedná se o oblast se střední až nízkou hustotou zalidnění.
K výpočtu maximální velikosti buňky pokryté jednou anténou základnové stanice je zapotřebí znát jak přenosové parametry mobilní stanice tak přenosové parametry antény základnové stanice. Přitom se počítá s již zmíněnými rezervy pro eliminaci nežádoucích vlivů, tak i s jednotlivými útlumy vznikající na přenosové cestě. Rozhodujícím vstupem pro výpočet je maximální nabízená přenosová rychlost a maximální povolená rychlost pohybu mobilního terminálu.
Základní parametry mobilního terminálu jsou uvedeny v následující tabulce Tab. 4 a typické parametry základnové stanice jsou uvedeny níže v Tab. 5 [1]. Tab. 4 Parametry mobilního terminálu
Hlasové služby Datové služby
Max. vysílací výkon 21 dBm 24 dBm Zisk antény 0 dBi 2 dBi
Ztráty mobilního terminálu 3 dB 0 dB Tab. 5 Parametry základnové stanice
Šumové číslo přijímače 5 dB Zisk antény 18 dBi
Hlas: 5 dB Data (144 kbit/s): 1,5 dB Poměr Eb/N0
Data (384 kbit/s): 1 dB Ztráty na přívodech a kabelech 2 dB
42
Obr. 20 Směrové charakteristiky
Jako příklad je uveden výpočet velikosti třísektorové makrobuňky pro zajištění
hlasové služby s maximální přenosovou uživatelskou rychlostí 12,2 kbit/s. Přitom je přepokládána maximální rychlost pohybu účastníka s mobilním terminálem 3 km/h.
Pro výpočet je uvažována směrová anténa jejíž parametry odpovídají hodnotám v tabulce Tab. 5. Na obrázku Obr.20 jsou zobrazeny směrové charakteristiky této antény v horizontálním a vertikálním směru [13].
Pro výpočet musíme nejdříve znát, jaký je ekvivalentní vyzářený výkon mobilního terminálu, respektive jeho vysílače. Po výpočet použijeme následující vztah [1]
,TXTXTX LGPEIRP −+= (9.1)
kde PTX je vysílací výkon mobilního terminálu, GTX je zisk antény mobilního terminálu a LTX jsou ztráty způsobené tělem mobilního terminálu. Po dosažení hodnot z tabulky Tab. 4 získáme, že EIRP = 18 dBm.
Na straně přijímače základnové stanice Node-B se nejdříve určí jaký je jeho celkový
přijímaný šumový výkon PNRX. Použijeme vzorec [1] ),3840000log(100NRX ++= FNP (9.2)
kde N0 je spektrální hustota šumu, F je šumové číslo přijímače základnové stanice a 3,84*106 je čipová rychlost [1]. Po dosazení hodnoty N0 = - 174 dBm, která odpovídá termodynamické teplotě T = 293 K a hodnoty šumového čísla F = 5 dB z tabulky Tab. 5, získáme PNRX = -103, 16 dBm.
Pro určení maximálních ztrát LMAX na přenosové cestě od vysílače mobilního terminálu až po přijímač základnové stanice Node-B slouží vztah [1]
,FFRXRXMINRX,MAX MLGPEIRPL −−+−= (9.3) kde EIRP je ekvivalentní vyzářený výkon mobilní stanice, PRX,MIN je citlivost přijímače základnové stanice, GRX je zisk přijímače základnové stanice, LRX jsou ztráty na přívodní kabelech a konektorech a MFF je rezerva pro eliminaci rychlého úniku (Fast Fading) [1].
43
Hodnoty zisku a ztrát přijímače základnové stanice jsou známe z tabulky Tab.5, rezerva na rychlý únik se v tomto případě neuvažuje a citlivost přijímače základnové stanice je dána vztahem [1]
,INRXP0
MINRX, MPGNE
P b ++−= (9.4)
kde GP je procesní zisk základnové stanice, PNRX je výkon přijímaného šumu základnové stanice a MI je rezerva pro interference.
Poměr Eb/N0 představuje velikost energie jednoho bitu ku spektrální hustotě šumu a závisí na velikosti uživatelské rychlosti, rychlosti pohybu mobilního terminálu a struktuře anténního systému základnové stanice. Jednotlivé hodnoty tohoto poměru jsou uvedeny v tabulce Tab. 6, 7. Tab. 6 Tabulka hodnot Eb/N0 pro hlasovou službu
Typ služby hlas (12.2 kbit/s ), 20ms interleaving
Max. rychlost pohybu mobilní stanice [km/h] 3 20 120 Uplink
Hodnota Eb/N0 [dB] 4 4.5 5
Typ služby hlas (12.2 kbit/s ), 20ms interleaving
Max. rychlost pohybu mobilní stanice [km/h] 3 20 120 Downlink
Hodnota Eb/N0 [dB] 6.5 6 6.5
Tab. 7 Tabulka hodnot Eb/N0 pro datové služby
Typ služby PS data, 3 km/h, 10ms interleaving
PS data, 120 km/h, 10ms interleaving
Max. přenosová rychlost [kbit/s] 64 128 384 64 128 384 Uplink
Hodnota Eb/N0 [dB] 2 1.5 1 3.3 3 2
Typ služby PS data, 3 km/h, 10ms interl., chybovost 10%
PS data,120km/h,10ms interl., chybovost 10%
Max. přenosová rychlost [kbit/s] 64 12 384 64 128 384 Downlink
Hodnota Eb/N0 [dB] 5.5 5 4.5 5 4.5 4
44
Velikost procesního zisku GP v dB základnové stanice pro hlasovou službu s uživatelskou rychlostí 12,2 kbit/s je dána [1]
98,242,12
3840log*10P =⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=G . (9.5)
Po dosažení výsledku GP ze vztahu (8.5), požadované hodnoty Eb/N0 z tabulky Tab. 6,
hodnoty PNRX ze vztahu (8.2) a MI = 3 dB do vztahu (8.4), vychází citlivost přijímače základnové stanice PRX,MIN = -121,14 dBm.
Dosazením výsledků ze vztahů (8.1), (8.4), hodnot z tabulky Tab.5 a MFF = 4 dB do
vztahu (8.3), vychází maximální ztráty na přenosové trase LMAX = 151,14 dB. Dovolené ztráty L pro výpočet velikosti buňky jsou dány vztahem [1] ,SFINSHMAX MLGLL −−+= (9.6)
kde LMAX jsou maximální ztráty, GSH je zisk soft handoveru, LIN jsou ztráty uvnitř
místností a MSF je rezerva na eliminaci pomalého úniku (Slow Fading). Zisk handoveru GSH = 2 dB, ztráty průchodu signálu zdmi LIN = 8 dB. Rezerva na pomalý únik je MSF = 7,3 dB. Po dosazení hodnot jsou dostupné ztráty L = 150,1 dB.
Pro výpočet poloměru buňky je možné přímo použít z některých transformačních modelů. Například modely Okumura-Hata nebo Walfish-Ikegami popisují průměrné šíření signálu v prostředí a jejich použití spočívá v konverzi dovolených ztrát L na maximální poloměr v kilometrech. V tomhle případě je počítáno s Okumura-Hata modelem a vztah pro konverzi je dán [1]
( )rL log2,354,137 += , (9.7)
kde L jsou dovolené ztráty a r je hledaný poloměr buňky v kilometrech. Upravením vztahu na
2,354,137
10−
=L
r (9.8)
a dosazením hodnoty pro L dostaneme výsledek maximální velikostí buňky r = 2 295,1 m pro pokrytí hlasové služby s uživatelskou přenosovou rychlostí 12,2 kbit/s a maximální rychlostí pohybu mobilního terminálu 3 km/h.
Vypočet maximální velikosti pokrytí území signálem je dán vztahem [3] ,2rKS ×= (9.9)
kde K je konstanta pro různé typy základnových stanic. Pro třísektorovou Node-B stanici je K = 1,95. Celková plocha pokrytá jednou základnovou stanicí je S = 10,272 km2.
45
Tab. 8 Přenosové a uživatelské rychlosti pro různé služby
V předchozí tabulce Tab.8 je seznam služeb a jejich přenosové a uživatelské rychlosti. V návrhu se budou uvažovat služby pro přenos hlasu s přenosovou rychlostí 12,2 kbit/s, datové služby s maximální přenosovou rychlostí 384 kbit/s. Přičemž budu uvažovat pohyb mobilních terminálů do 3 km/h a pro pokrytí silnic do 120 km/h, dále dvousektorové a třísektorové buňky. Výsledky maximálních velikostí makrobuněk pro jednotlivé služby jsou uvedeny v následující tabulce Tab. 9.
Při výpočtu maximálních velikostí mikrobuněk vycházíme ze vztahu Okumura-Hata modelu upraveného o korekční faktor, který počítá se zastavěnou oblastí. Průměrná hodnota tohoto faktoru je 8 dB a upravený vztah pro výpočet poloměru mikrobuňky je [1]
( )rL log2,354,129 += . (9.10)
Bitová rychlost v přenosovém kanále
[kbit/s]
Uživatelská bitová rychlost [kbit/s] Příklad služby
15 3,4 DCCH (3,4 kbit/s)
30 12,2 + 3,4 Řeč (12,2 kbit/s), DCCH (3,4 kbit/s)
60 28,8 + 3,4 Modem (28,8 kbit/s), DCCH (3,4 kbit/s)
120 57,6 + 3,4 Fax (57,6 kbit/s), DCCH (3,4 kbit/s)
120 12,2 + 64 + 3,4 Řeč (12,2 kbit/s), data (64 kbit/s), DCCH (3,4 kbit/s)
120 64 + 3,4 ISDN (64 kbit/s), DCCH (3,4 kbit/s)
240 12,2 + 128 + 3,4 Řeč (12,2 kbit/s), data (128 kbit/s), DCCH (3,4 kbit/s)
240 12,2 + 144 + 3,4 Řeč (12,2 kbit/s), data (144 kbit/s), DCCH (3,4 kbit/s)
480 12,2 + 384 + 3,4 Řeč (12,2 kbit/s), data (384 kbit/s), DCCH (3,4 kbit/s)
46
Tab. 9 Maximální velikosti makrobuněk při pohybu mobilního terminálu do 3 km/h
Makrobuňka do 3 km/h
Třísektorová Dvousektorová Počítané veličiny Hlas (12,2 kbit/s) Data (384 kbit/s) Hlas (12,2 kbit(s) Data (384 kbit/s)
EIRP [dBm] 18,00 26,00 18,00 26,00 PNRX [dBm] -103,16 -103,16 -103,16 -103,16
GP [dB] 24,98 10,00 24,98 10,00 PRX,MIN [dBm] -121,14 -109,16 -121,14 -109,16
LMAX [dB] 151,14 147,16 151,14 147,16 L [dB] 145,84 141,86 145,84 141,86 r [km] 1,74 1,34 1,74 1,34
S [km2] 5,88 3,49 3,92 2,33 Tab. 10 Maximální velikosti makrobuněk při pohybu mobilního terminálu do 120 km/h
Makrobuňka do 120 km/h
Třísektorová Dvousektorová Počítané veličiny Hlas (12,2 kbit/s) Data (384 kbit/s) Hlas (12,2 kbit(s) Data (384 kbit/s)
EIRP [dBm] 18,00 26,00 18,00 26,00 PNRX [dBm] -103,16 -103,16 -103,16 -103,16
GP [dB] 24,98 10,00 24,98 10,00 PRX,MIN [dBm] -120,14 -108,16 -120,14 -108,16
LMAX [dB] 154,14 150,16 154,14 150,16 L [dB] 140,84 136,86 140,84 136,86 r [km] 1,25 0,97 1,25 0,97
S [km2] 3,06 1,82 2,04 1,21 Tab. 11 Maximální velikosti mikrobuněk při pohybu mobilního terminálu do 3 km/h a 120 km/h
Mikrobuňka do 3 km/h Mikrobuňka do 120 km/h
Třísektorová Třísektorová Počítané veličiny
Hlas (12,2 kbit/s) Data (384 kbit/s) Hlas (12,2 kbit(s) Data (384 kbit/s) EIRP [dBm] 18,00 26,00 18,00 26,00 PNRX [dBm] -103,16 -103,16 -103,16 -103,16
GP [dB] 24,98 10,00 24,98 10,00 PRX,MIN [dBm] -120,14 -108,16 -120,14 -108,16
LMAX [dB] 150,14 146,16 154,14 150,16 L [dB] 126,84 122,86 130,84 126,86 r [km] 0,85 0,65 1,10 0,85
S [km2] 1,40 0,83 2,35 1,40
47
6.17.2 Kapacita buňky Při výpočtu kapacity jednotlivých buněk se vychází z erlangovy teorie provozního
zatížení, která definuje vztah pro celkové provozní zatížení A v závislosti na počtu obslužných kanálů N a požadovaných ztrátách E. Daný erlangův vztah [15]
( )∑=
−
−
==N
x
xA
NA
N
NAe
NAe
AEZ
0
1
!
! (9.11)
je pro výpočet značně komplikovaný a nevhodný, proto se pro výpočet použijí erlangovy tabulky, které obsahují již požadované hodnoty provozního zatížení v závislosti na počtu kanálů a ztrát.
Nejdříve je potřeba zjistit, jaký je provozní zatížení jednoho uživatele. To znamená určit, jak dlouho trvá průměrná doba jednoho hovoru nebo jak dlouho bude trvat přenos dat. Dále je nutné zjistit jak často k takovým aktivitám dochází během jedné hodiny. Předpokládáme, že průměrná doba trvání jednoho hovoru je T = 80 s, průměrná doba datového spojení T = 120 s a během hlavní provozní hodiny HPH jeden uživatel uskuteční průměrně n = 4 hovorů a n = 1 datových spojení. Pomocí vztahu [15] ( ) 3600/1 TnA ×= , (9.12) se určí jaké je provozní zatížení jednoho uživatele. Po dosažení navrhovaných hodnot do daného vztahu je A1V = 0,09 erl pro hlasovou službu a A1D = 0,07 erl pro datovou službu.
Pro určení kapacity buněk je třeba také znát, kolik kanálu je daná buňka schopna obsloužit. Množství obsluhovaných kanálů je dán vztahem [3]
0
P
NEGN
b= . (9.13)
Celkové provozní zatížení pro odpovídající počet obsluhovaných kanálů N odečtené z erlangových tabulek je uvažováno pro ztráty odpovídající 1%. Maximální počet uživatelů obsluhovaných v daném okamžiku jednou buňkou je pak dán poměrem celkového provozního zatížení ku provoznímu zatížení jednoho uživatele
.1
u AAn N= (9.14)
V Tab. 12 jsou uvedeny vypočítané hodnoty pro dané služby.
48
Tab. 12 Počet uživatelů pro navrhované služby a maximální rychlosti pohybu UE
Počet obsluhovaných uživatelů jednou buňkou
hlas 12,2 kbit/s data 384 kbit/s Počítané veličiny 3 km/h 120 km/h 3 km/h 120 km/h
Eb/N0 [-] 2,51 4,47 1,26 1,58 GP [bit/s] 128 128 8 8
Počet kanálů N 51 29 6 5 Celkové zatížení AN [erl] 38,800 19,487 1,909 1,361
Počet uživatelů nu [-] 431 217 64 45
6.17.3 Stanovení počtu buněk Pro výpočet velikosti buňky v závislosti na dovoleném provozním zatížením je
zapotřebí znát kolik se na daném území nachází obyvatel, přesněji jaká je hustota zalidnění na 1 km2. Dále je třeba se zamyslet nad tím, kolik je s těchto obyvatel mobilních, to znamená kolik jich využívá mobilních služeb. Tyto data poskytuje Český statistický úřad a potřebné údaje o navrhovaných lokalitách jsou uvedeny v následující tabulce Tab.13 [16].
Tab. 13 Statistické údaje o hustotě obyvatel okresu Bruntál
Statistické údaje Bruntálska
Obec Zastavěná plocha [km2]
Počet obyvatel k 31.12 2006
Průměrný počet obyvatel na
1 km2 Mobilita [%] Hustota mobilních
obyvatel na 1 km2
Bruntál 1,17 17528 14981 81,8 12255 Malá Morávka 0,23 680 2957 81,8 2418
Milovice nad Op. 0,14 427 3050 81,8 2495 Morslez. Kočov 0,11 476 4327 81,8 3540
Nové Heřmínovy 0,15 273 1820 81,8 1489 Oborná 0,06 320 5333 81,8 4363
Rudná p. Pr. 0,17 372 2188 81,8 1790 Staré Město 0,20 777 3885 81,8 3178 Světlá Hora 0,31 1479 4771 81,8 3903
Václavov 0,16 487 3044 81,8 2490
Údaje o procentu mobility jsou převzaty ze Českého statistického úřadu a odpovídají průměrnému počtu obyvatel využívající služby mobilních sítí v Moravskoslezském kraji v roce 2007. Bude se tedy přepokládat, že v navrhované oblasti je tato hodnota mobility stejná jako je průměr v celém Moravskoslezském kraji [17].
Dále podle studie nejsilnějšího operátora na českém trhu společnosti T-Mobile je stále více klientů kteří využívají vysokorychlostní datové služby mobilní sítě jako přístupovou síť do celosvětové sítě Internet [18]. Vzhledem k tomu, že mobilní sítě třetí generace jsou schopny přenášet data vyšší rychlostí a kvalitou za přijatelné ceny, je tato možnost využití datových služeb pro danou oblast velmi lukrativní.
Dále se přepokládá, že datových služeb nejvíce využije skupina účastníků pohybující se v podnikatelském a manažerském sektoru.
49
Vzhledem k daným úvahám je počítáno, že 20% všech obyvatel využívající mobilních telefonů se bude specializovat na datové služby. V následující tabulce Tab.14 jsou uvedeny hustoty obyvatel pro jednotlivé služby v daných navrhovaných lokalitách na 1 km2. Tab. 14 Rozdělení obyvatel podle druhu využívané služby
Obec Hustota mobilních obyvatel na 1km2 Datové služby Hlasové služby
Bruntál 12255 2451 9804 Malá Morávka 2418 484 1935
Milotice nad Op. 2495 499 1996 Morslez. Kočov 3540 708 2832
Nové Heřmínovy 1489 298 1191 Oborná 4363 873 3490
Rudná p. Pr. 1790 358 1432 Staré Město 3178 636 2542 Světlá Hora 3903 781 3122
Václavov 2490 498 1992 Ze znalosti počtu uživatelů nu, které je daná buňka schopna obsloužit a hustoty
obyvatel na 1 km2 ρOBY dané oblasti se vypočítá aktuální plocha buňky Sb podle vztahu
.OBY
ub ρ
nS = (9.15)
Tato plocha odpovídá navrhovanému provoznímu zatížení jednoho uživatele a
poskytovaným službám. Podílem celkové zastavěné oblasti SOBY a aktuální plochy buňky Sb lze jednoduše určit
kolik bude teda v dané lokalitě potřeba těchto buněk. Vztah je dán
(9.16)
Tab. 15 Počet buněk pro hlasovou službu s maximální rychlosti pohybu UE do 3 km/h
Počet buněk pro hlas (12,2 kbit/s) max. 3 km/h
Obec Zastavěná
plocha SOBY [km2]
Hustota obyvatel ρOBY
na 1 km2
Počet uživatelů nu na 1 buňku
Plocha buňky Sb[km2]
Počet buněk nb
Bruntál 1,17 9804 431 0,044 27 Malá Morávka 0,23 1935 431 0,223 1
Milotice nad Op. 0,14 1996 431 0,216 1 Morslez. Kočov 0,11 2832 431 0,152 1
Nové Heřmanovy 0,15 1191 431 0,362 1 Oborná 0,06 3490 431 0,123 1
Rudná p. Pr. 0,17 1432 431 0,301 1 Staré Město 0,20 2542 431 0,170 1 Světlá Hora 0,31 3122 431 0,138 2
Václavov 0,16 1992 431 0,216 1
.b
OBYb S
Sn =
50
Tab. 16 Počet buněk pro hlasovou službu s maximální rychlosti pohybu UE do 120 km/h
Počet buněk pro hlas (12,2 kbit/s) max. 120 km/h
Obec Zastavěná
plocha SOBY [km2]
Hustota obyvatel ρOBY
na 1 km2
Počet uživatelů n na 1 buňku
Plocha buňky Sb [km2]
Počet buněk nb
Bruntál 1,17 9804 217 0,022 53 Malá Morávka 0,23 1935 217 0,112 2
Milovice nad Op. 0,14 1996 217 0,109 1 Morslez. Kočov 0,11 2832 217 0,077 1
Nové Heřmanovy 0,15 1191 217 0,182 1 Oborná 0,06 3490 217 0,062 1
Rudná p. Pr. 0,17 1432 217 0,152 1 Staré Město 0,20 2542 217 0,085 2 Světlá Hora 0,31 3122 217 0,070 4
Václavov 0,16 1992 217 0,109 1 Tab. 17 Počet buněk pro datovou a hlasovou službu s maximální rychlostí pohybu UE do 3 km/h
Počet buněk pro data (384 kbit/s) a hlas (12,2 kbit/s) max. 3 km/h
Obec Zastavěná
plocha SOBY [km2]
Hustota obyvatel ρOBY
na 1 km2
Počet uživatelů n na 1 buňku
Plocha buňky Sb [km2]
Počet buněk nb
Bruntál 1,17 2451 64 0,026 45 Malá Morávka 0,23 484 64 0,132 2
Milovice nad Op. 0,14 499 64 0,128 1 Morslez. Kočov 0,11 708 64 0,090 1
Nové Heřmanovy 0,15 298 64 0,215 1 Oborná 0,06 873 64 0,073 1
Rudná p. Pr. 0,17 358 64 0,179 1 Staré Město 0,20 636 64 0,101 2 Světlá Hora 0,31 781 64 0,082 4
Václavov 0,16 498 64 0,129 1 Tab. 18 Počet buněk pro datovou a hlasovou službu s maximální rychlosti pohybu UE do 120 km/h
Počet buněk pro data (384 kbit/s) a hlas (12,2 kbit/s) max. 120 km/h
Obec Zastavěná
plocha SOBY [km2]
Hustota obyvatel ρOBY
na 1 km2
Počet uživatelů n na 1 buňku
Plocha buňky Sb [km2]
Počet buněk nb
Bruntál 1,17 2451 45 0,018 64 Malá Morávka 0,23 484 45 0,093 3
Milovice nad Op. 0,14 499 45 0,090 2 Morslez. Kočov 0,11 708 45 0,064 2
Nové Heřmanovy 0,15 298 45 0,151 1 Oborná 0,06 873 45 0,052 1
Rudná p. Pr. 0,17 358 45 0,126 2 Staré Město 0,20 636 45 0,071 3 Světlá Hora 0,31 781 45 0,058 6
Václavov 0,16 498 45 0,090 2
51
Pro navrhovanou oblast okresu Bruntál (včetně přilehlých obcí) se budou uvažovat obě služby jak pro přenos hlasu tak pro přenos dat s maximální přenosovou rychlostí 384 kbit/s s maximálním pohybem mobilní stanice do 120 km/h a pro pokrytí přilehlých komunikací se bude uvažovat hlasová služba a datová služba s maximální rychlostí pohybu mobilní stanice do 120 km/h. Počet základnových stanic a limitující plocha buněk je uveden v Tab. 19. Tab. 19 Počet základnových stanic
Obec Počet buněk Počet BS stanic S [km2]
Bruntál 64 21(3) 1,21 Malá Morávka 3 1(3) 1,82
Milotice nad Op. 2 1(2) 1,82 Morslez. Kočov 2 1(2) 1,82
Nové Heřmínovy 1 1(3) 1,82 Oborná 1 1(2) 1,82
Rudná p. Pr. 2 1(2) 1,82 Staré Město 3 1(3) 1,82 Světlá Hora 6 2(3) 1,82
Václavov 2 1(2) 1,82 Údaje v závorkách značí kolik sektorů zaujímá jedna základnová stanice.
6.17.4 Spoluplánování Prvním příkladem jak snížit náklady na výstavbu základnových stanic, je možné
využít stávajících základnových stanic sítě GSM. Rozhodujícími parametry jsou vlastnosti antén (celkové přijímané ztráty antén) a plán rozmístění a pokrytí základnových stanic systému GSM. V následující tabulce Tab. 20 jsou uvedeny příklady služeb sítě GSM a UMTS. Například služba UMTS data s maximální rychlostí 144 kbit/s a hlasová služba GSM1800 mají celkové dovolené ztráty stejné. V případě dalších služeb lze změny dovolených ztrát upravovat změnou vysílacího výkonu mobilní stanice [1].
Tab. 20 Srovnání dovolených ztrát šíření signálu u GSM a UMTS
GSM 900 hlas
GSM 1800 hlas
WCDMA hlas
WCDMA 144 kbit/s
WCDMA 384 kbit/s
Vysílací výkon MS 33dBm 30dBm 21 dBm 21 dBm 21dBm Dovolené ztráty L 164 dB 154 dB 156 dB 154 dB 150 dB
Druhým příkladem je možnost spolupráce operátorů mobilních sítí a využít tak stejné
objekty pro základnové stanice. Jako nejtypičtějším příkladem jsou uměle postaveny stožáry na volném prostranství, avšak tohle řešení přináší další problémy s mezikanálovými interferencemi. Problém mezikanálových interferenci je probrán v následující kapitole.
52
6.17.5 Mezioperátorové interference Při návrhu UMTS sítě se musí počítat s nežádoucími interferencemi vyskytující se
mezi sousedními kanály dvou operátorů. Úzké vysílací pásmo mobilní stanice a vysoká selektivita přijímače základnové stanice sníží interference mezi sousedními kanály, avšak tyto požadavky mají velký dopad na implementaci [1].
Interference sousedních kanálů jsou způsobeny nedokonalým vysíláním a nedokonalým filtrováním v přijímači. V uplinku je hlavním zdrojem interferencí nelineární výkonový zesilovač, v downlink je limitujícím faktorem selektivita přijímače. Činitel interference sousedních kanálů ACIR je dán jako poměr vysílaného výkonu ku výkonu měřeného za filtrem přijímače sousedním kanálu [1].
Prvním způsobem jak eliminovat mezikanálové interference je vhodně umístit anténu základnové stanice a to tak, aby se signál mobilního terminálu snadno dostal do jejího dosahu [1].
Dalším způsobem je snížení citlivosti přijímače základnové stanice, jehož důsledkem je snížení rozsahu buňky. Způsobem jak snížit citlivost přijímače je např. zvýšit šumovou úroveň přijímače [1].
Zda-li operátoři používají sousední přenosové kanály rádiového pásma na stejné základnové stanici, mezikanálových interferencí se vyhnou tehdy, pokud budou úrovně přijímaného výkonu sousedních pásem obou operátorů stejné nebo podobné.
Mezikanálové interference se sníží i tehdy, pokud se zvýší rozestup jednotlivých kanálů. Nominální hodnota rozestupu kanálů u WCDMA je 5 MHz a podle potřeby může být měněn s rastrem 200 kHz. Pokud operátor používá dva kanály na stejné základnové stanici, pak jejich rozestup může být minimální 4 MHz [1].
6.17.6 Rozmístění základnových stanic Při výstavbě základnových stanic je bráno několik hledisek rozhodování. Nejdříve je
nutné zajistit dostatečnou sílu signálu pro celou navrhovanou oblast. Podle velikosti kapacity buňky se určí velikost buňky a její minimální 20% překrytí se sousední buňkou. Změnou vysílacího výkonu lze zmenšit vzdálenost maximálního vyzáření a tím i eliminovat ekonomické náklady, což je další hledisko zvážení při výstavbě základnové stanice. Pro rozmístění základnových stanic zejména v řidčeji osídlených oblastech budou využity stožáry stávajících základnových stanic BTS systému GSM. Pro umístění základnových stanic ve městech budou využívány střechy vyšších budov a komíny místních továren.
K optimalizaci navržené sítě slouží různé softwarové nástroje, které umožňují simulaci šířeného signálu od základnové stanice a tím optimalizovat polohu umístěné antény základnové stanice. Na základě simulovaných výsledků jsou v terénu umístěny cvičné antény, které porovnávají simulaci s reálnými podmínkami. Pokud umístění antény vyhovuje všem předpokladům, výstavba BTS stanice může začít.
Navržené umístění základnových stanic pro jednotlivé lokality jsou uvedeny na následujících obrázcích. Přitom se tedy vycházelo z výsledků uvedených v kapitolách 9.2.1 a 9.2.3.
53
Obr. 21 Navrhovaná oblast směr Karlova Studánka
Podmínky návrhu základnových stanic vybraných obcí okresu Bruntál
Při rozmisťování základnových stanic se vycházelo z charakteristické polohy jednotlivých obcí, které lemují údolích místních kopců a táhnou se podél hlavních pozemních komunikací. V tomto případě se základnové stanice umístí na vyšší bod než je nejvyšší bod zástavby. Důvodem je snaha pokrýt celou plochu navrhované oblasti a zároveň minimalizovat odrazy od místních překážek (kopce, domy), což způsobuje mnohacestné šíření signálu a tudíž snížení efektivní plochy buňky. Je tedy potřeba dosáhnout na všech místech pokrytí co nejlepší viditelnosti antény.
Umístění základnové stanice pod úroveň nejvyššího bodu by se signál šířil koridorem údolí, čímž by narážel na mnohačetné překážky a nepokryl by dostatečně silným signálem celou oblast.
V reálných podmínkách však šíření signálu neodpovídá navrženým a nasimulovaným hodnotám. Proto v případě, že výkon signálu nebude odpovídat požadované kvalitě, je možné použít opakovače (Repeater). Ty jsou ekonomicky přijatelné a umožňují tak pokrýt signálem schovaná údolí nebo místa, kde vznikla nová překážka, bez nutnosti stavět další základnovou stanici.
Dále je potřeba brát v potaz vypočítanou maximální velikost buňky, respektive její maximální poloměr jak je to uvedeno v kapitole 9.2.1. Jak bylo již dříve zmíněno, pro navrhovanou oblast se počítá s hlasovou a datovou služnou s maximální přenosovou rychlostí 384 kbit/s a s maximálním pohybem mobilní stanice do 120 km/h. Pro tuto službu odpovídá podle Tab. 10 maximální teoretický dosah jedné antény vzdálenost 2r =1,8 km. Počítá-li s reálnými podmínkami, útlumy na přenosové trati způsobené šířením signálu, je tato vzdálenost u jednotlivých lokalit dodržena.
Vzhledem k charakteru některých obcí, které se táhnou kolem hlavních cest a ve snaze pokrýt hlavně zastavěnou oblast, jsou u těchto případů použity dvousektorové základnové stanice. Mezi tyto obce patří Rudná pod Pradědem, Milovice nad Opavou, Oborná, Moravskoslezský Kočov a Václavov u Bruntálu. Jak je vidět například na Obr. 22 u obce Rudná pod pradědem, kde je použitá dvousektorové základnová stanice, třetí sektor by směřoval do neobydlené části, což by nebylo smysluplné a ekonomicky výhodné.
54
Obr. 22 Navrhovaná oblast směr Krnov
Obr. 23 Navrhovaná oblast směr Olomouc a Rýmařov
55
Podmínky návrhu základnových stanic města Bruntál Při návrhu rozmístění základnových stanic ve městě Bruntál se vycházelo ze
skutečnosti, že je hustota obyvatel nerovnoměrná a tudíž i rozmístění a velikost buněk tomu bude odpovídat. Vstupní hodnotou byl výsledek počtu potřebných buněk vypočítaný v kapitole 9.2.3, aby pokryly s dostatečnou kvalitou celé území města. Jak je uvedeno v Tab.19 jsou pro potřebný počet buněk uvažovány třísektorové základnové stanice a na pokrytí celého města je jich potřeba 21.
Nejdříve se určily oblasti s nejvyšší koncentraci potenciálních uživatelů. Mezi tyto oblasti jsou zahrnuty sídliště a centrum města. Velikost buněk je maximálně Sb = 300m2 a tedy i počet základnových stanic bude vyšší. Naopak místa s nejnižší koncentraci potenciálních uživatelů jsou považována místa průmyslové zóny na severu a západě města a zahrádkářské kolonie na severu a jihu města.
Umístění základnových stanic se situuje podle toho, jakou část chceme pokrýt signálem. Na sídlištích a v centrum města jsou základnové stanice umístěny na nebo pod úroveň nejvyššího bodu. Zde se signál převážně šíří koridorem ulic pomocí odrazů a ohybů signálu od okolních staveb. V ostatních částech města, kde není potřeba šíření signálu v ulicích, jsou pro rozmístění základnových stanic použity vyšší body než je nejvyšší bod okolní zástavby, tak aby opět pokryly co největší danou oblast s odpovídající hustotou uživatelů.
Obr. 24 Oblast návrhu Bruntál
56
6.17.7 Seznam BTS stanic • Malá Morávka, kóta 785m, Loc: 50°1'16.396"N, 17°19'3.831"E • Rudná pod Pradědem, Loc: 50°1'13.539"N, 17°22'48.058"E • Světlá Hora, panelový dům, Loc: 50°2'51.773"N, 17°24'0.406"E • Světlá Hora, budova privátního lékaře, Loc: 50°2'43.897"N, 17°23'49.78"E • Staré Město, panelový dům, Loc: 50°0'11.046"N, 17°26'2.777"E • Nové Heřminovy, Ptačí vrch, kóta 573m, Loc: 50°1'48.784"N, 17°32'21.693"E • Oborná, kóta 542 m, Loc: 50°0'2.534"N, 17°29'54.009"E • Milovice a okolí, kóta 632m, Loc: 49°59'27.906"N, 17°31'58.345"E • Václavov u Bruntálu, kóta 663m, Loc: 49°58'51.891"N, 17°22'45.081"E • Moravskoslezský Kočov a okolí, Uhlířský kopec, kóta 631m, Loc:
49°57'44.631"N, 17°25'47.708"E • Bruntál, Nezvalova ulice, činžovní dům, Loc: 49°58'43.557"N, 17°27'40.378"E • Bruntál, Dělnická ulice, panelový dům, Loc: 49°59'1.307"N, 17°27'23.43"E • Bruntál, Uhlířská ulice, panelová dům, Loc: 49°59'7.882"N, 17°27'21.856"E • Bruntál, Cihelní ulice, panelový dům, Loc: 49°59'4.98"N, 17°27'31.954"E • Bruntál, Květná ulice, kancelářská budova, Loc: 49°59'9.006"N, 17°27'26.886"E • Bruntál, Květná ulice, panelový dům, Loc: 49°59'16.81"N, 17°27'34.517"E • Bruntál, Květná ulice, panelový dům, Loc: 49°59'19.811"N, 17°28'8.574"E • Bruntál, Sladovnická ulice, komín továrny, Loc: 49°59'12.6"N, 17°27'52.835"E • Bruntál, Ruská ulice, COOP obchod, Loc: 49°59'20.963"N, 17°27'47.888"E • Bruntál, komín teplárny, Loc: 49°59'14.412"N, 17°27'22.39"E • Bruntál, Jesenická ulice, panelový dům, Loc: 49°59'24.551"N, 17°27'31.396"E • Bruntál, Rýmařovská ulice, bývalé kasárny, Loc: 49°59'28.217"N, 17°27'5.086"E • Bruntál, Komenského ulice, Kulturní dům, Loc: 49°59'26.61"N, 17°28'1.79"E • Bruntál, Nádražní ulice, Restaurace Máj, Loc: 49°59'34.516"N, 17°27'56.267"E • Bruntál, Kavalcová ulice, komín kotelny, Loc: 49°59'34.959"N, 17°27'46.067"E • Bruntál, Zahradní ulice, Loc: 49°59'41.15"N, 17°28'6.377"E • Bruntál, Čs. Armády, Loc: 49°59'46.532"N, 17°27'39.424"E • Bruntál, Zahradní ulice, Silo, Loc: 49°59'54.598"N, 17°28'12.818"E • Bruntál, Vrchlického ulice, Loc: 49°59'27.429"N, 17°28'29.459"E • Bruntál, Krnovská ulice, hotel Monte Negro, Loc: 49°59'50.595"N, 17°28'39.54"E • Bruntál, Staroměstská ulice, tovární komín, Loc: 49°59'39.639"N, 17°27'10.891"E
57
ZÁVĚR
Smyslem této práce byl rozbor signalizace mobilní sítě třetí generace celosvětového standardu IMT-2000 známou po celém světě jako UMTS a plošný návrh sítě v dané lokalitě.
Pro ucelený popis, lepší pochopení problematiky a porovnání novodobé mobilní sítě UMTS se stávající sítí GSM je na začátku práce uveden obecný popis standardu IMT-2000. Především je kladen důraz na rozbor používané přístupové metody WCDMA a rozdělení kmitočtových pásem, popis jednotlivých bloků struktury sítě UMTS a v poslední řadě zpracování signálu sítě UMTS.
Signalizace sítě UMTS je založena na principech signalizace sítě GSM. Změnami, kterými se signalizace UMTS liší od GSM je protokolární struktura a zejména procesy autentizace spojena s procesem integrity a proces soft-handoveru. Jednotlivé příklady signalizačních procedur uvedeny v této práci korespondují se signalizačními procedury sítě GSM.
Změny, kterými se UMTS sítě výrazně liší od GSM sítí, jsou především v přístupové metodě, která umožňuje mnohem lepší přenosové vlastnosti a v protokolární struktuře jak na rádiovém rozhraní, tak i na páteřní síti, kde jsou data přenášena na základě asynchronního přepínání buněk technologií ATM. Pro paketové spínání je použit protokol IP.
Vliv IP sítí je v dnešním světě díky celosvětové sítí Internet a počítačovým sítí natolik velký, že i mobilní sítě 3G se snaží značně konvergovat ke spojení s těmito sítěmi a subsystém, který toto umožňuje byl jmenován jako IMS. Právě s tímto řešením se v budoucnu hodně počítá.
V poslední kapitole je rozebrán návrh mobilní sítě ve zvolené oblasti okresu Bruntál. Podle zadání byly splněny všechny body návrhu. Z výsledků počtu potřebných buněk je patrné, že pro služby sítě UMTS je zapotřebí hustší sít základnových stanic.
Mobilní síť UMTS byla navržena zejména pro řešení potřeby vysokorychlostního přenosu dat. Předpokládá se proto, že po přechodu na IMS vznikne bezdrátová mobilní síť, která bude moci využívat vysokorychlostního připojení k pevným sítím a širokou škálu služeb od VOIP služby až po vysokorychlostní datové služby zajišťující potřebnou kvalitu definovanou QoS.
58
LITERATURA [1] HOLMA, Herry, TOSKALA, Antti. WCDMA for UMTS : Radio Access For
Third Generation Mobile Communication. The Atrium, Southern Gate, Chichester, : John Wiley & Sons, Ltd, c2004. 481 s. 3. ISBN 0-470-87096-6.
[2] HANUS, Stanislav. Bezdrátové a mobilní komunikace II . 1. vyd. Brno :
Vysoké učení technické, 2005. 171 s. ISBN 80-214-2817-1. [3] MOLNÁR, Jiří. CDMA [online]. 2006 [cit. 2007-11-14]. Dostupný z WWW:
http://www.umts.wz.cz/Mob_radio_site_3G/cdma.htm. [4] RICHTER, Tomáš. Technologie pro mobilní komunikace : Handover
v systému UMTS [online]. 2001 , 19.1.2002 [cit. 2007-11-12]. Dostupný z WWW:http://tomas.richtr.cz/mobil/umtshand.htm.
[5] Overview of The Universal Mobile Telecommunication System [online].
Draft, 2002 , 15.červen 2002 [cit. 2007-11-25]. Dostupný z WWW: http://www.umtsworld.com/technology/overview.htm. [6] MEYER, Ulrike , WETZEL, Susanne . A Man-in-the-Middle Attack on UMTS. Philadelphia, Pennsylvania, USA. : [s.n.], 2004. Dostupný z WWW:
http://www.cs.stevens.edu/~swetzel/publications/mim.pdf . [7] GUOYOU, He. UMTS procedure Examples [online]. jaro 2003 [cit. 2007-11-
16]. Dostupný z WWW: http://www.tml.tkk.fi/Opinnot/Tik110.498/2003/Luennot/110.498_20030429.pdf.
[8] ELSENHEIMER , Georg. UMTS. UMTS [online]. 2001 [cit. 2007-10-12]. Dostupný z WWW: http://www.georg-elsenheimer.de/umts/umts.htm. [9] MIKOVEC, Petr. Přenos dat - UMTS : Semestrální práce [online]. 12.5.2007 [cit. 2007-11-15]. Dostupný z WWW: http://www.kiv.zcu.cz/~simekm/vyuka/pd/zapocty-2003/umts/index.html. [10] ORLICH , Martin . Platformy pro poskytování telekomunikačních služeb :
Aplikace a služby [online]. 22. 05. 2006 [cit. 2007-11-28]. Dostupný z WWW:
http://access.feld.cvut.cz/rservice.php?akce=tisk&cisloclanku=2006051601.
59
[11] MC KEON, Daniel, et al. GSM and UMTS Security [online]. 12.4.2007 [cit. 2007-12-01]. Dostupný z WWW: http://ntrg.cs.tcd.ie/undergrad/4ba2.05/group7/index.html. [12] PUŽMANOVÁ, Rita . Malé krůčky ke konvergenci: IMS. LUPA : Server o českém internetu [online]. 2. 6. 2005 [cit. 2007-12-04]. Dostupný z WWW: http://www.lupa.cz/clanky/male-krucky-ke-konvergenci-ims/. [13] SNÁŠEL, Jaroslav. Antény systému GSM [online]. Ústav telekomunikací
FEKT VUT v Brně : 2004 [cit. 2008-04-03]. Dostupný z WWW: http://www.elektrorevue.cz/clanky/04031/index.html#top. [14] LEIJON, H.. Table of the Erlang Loss Formula [online]. International Telekommunication Union : 1998 [cit. 2008-03-04]. Dostupný z WWW: http://www.itu.int/itudoc/itu-d/dept/psp/ssb/planitu/plandoc/erlangt.pdf. [15] TROJÁČEK, Jaroslav. Bezdrátové přenosy. [s.l.], 2006. 53 s. Vedoucí bakalářské práce Doc. Ing. Vladimír Kapoun, CSc. [16] Český statistický úřad : Regiony, města, obce [online]. Na padesátém 81, 100 82 Praha 10 : Český statistický úřad, c2008 , 7.3.2008 [cit. 2008-03-02]. Dostupný z WWW: http://www.czso.cz/lexikon/mos_vdb.nsf/okresy/CZ0801. [17] Český statistický úřad : Využívání informačních a komunikačních
technologií domácnostech a mezi jednotlivci v roce 2007 [online]. Na padesátém 81, 100 82 Praha 10 : Český statistický úřad, c2008 , 5.11.2007 [cit. 2007-03-02]. Dostupný z WWW: http://www.czso.cz/csu/2007edicniplan.nsf/t/70002633B5/$File/97010711.pdf.
[18] Třetí čtvrtletí 2005: T-Mobile posílil pozici jedničky. T-Mobile : Tiskové
Centrum[online]. 2005 [cit. 2008-03-03]. Dostupný z WWW: http://tpress.cz/tiskove_zpravy/2005/543/%20-%20procenta%20vyuĹľitĂ %20dat.sluĹľeb/.
