Лекции. 1. информационные сети. Основные понятия становление информационных сетей
 Скачать 1.52 Mb.
|
|
7.1. Поколения сетей мобильной связи Первое поколение мобильных телекоммуникаций, полу- чившее общее название «сети 1G 24 », относится к аналоговым си- стемам радиосвязи. В числе наиболее заметных представителей этого поколения мобильных сетей можно выделить сети стандартов: AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенство- ванная мобильная телефонная служба, англ.); используемый диапазон радиочастот – 800 МГц. TACS (Total Access Communications System – общедоступ- ная система связи, англ.); диапазон – 900 МГц. NMT (Nordic Mobile Telephone – мобильный телефон се- верных стран, англ.); диапазоны 450 и 900 МГц. RTMS (Radio Telephone Mobile System – мобильная ра- диотелефонная система, англ.); диапазон 450 МГц. NTT (Nippon Telephone and Telegraph system – японская система телефона и телеграфа, англ.); диапазон 800...900 МГц – в трех вариантах. Во всех аналоговых стандартах для передачи речи и для пере- дачи информации управления (сигнализации) применялась частот- ная модуляция. Для передачи информации различных каналов ис- пользовались различные участки спектра радиочастот с применени- 24 G – от Generation – поколение, англ. 77 ем метода множественного доступа с частотным разделением ка- налов (FDMA – Frequency Division Multiple Access, англ.), с шириной полосы каналов в различных стандартах от 12,5 кГц до 30 кГц. Это определяет основной недостаток аналоговых систем – относительно низкую емкость вследствие недостаточно рацио- нального использования выделенной полосы частот при частот- ном разделении каналов. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в веду- щих странах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые мобильные системы второго поколения – сети 2G. Второе поколение мобильных телекоммуникаций 2G пред- ставлено сетями, использующими стандарты: DAMPS, GSM, TDMA, CDMA. В США аналоговый стандарт AMPS получил настолько ши- рокое распространение, что его прямая замена полностью цифро- вым стандартом оказалась практически невозможной. Выходом послужила разработка аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу в аналоговом и цифровом режиме в одном и том же частотном диапазоне. Стандарт получил наименование DAMPS (Digital – цифровой, англ. – AMPS), или IS-54 (Interim Standard – промежуточный стандарт, англ.). В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых мобильных систем. Поэтому здесь была осуществлена разработка единого общеевропейского стан- дарта GSM (Group Special Mobile – специальная мобильная груп- па, англ., позже переименованного в Global System for Mobile Communications – глобальная система мобильной связи, англ.); диапазон 900 МГц. Этот стандарт использует разделение канала по принципу TDMA 25 и обеспечивает высокую степень безопас- 25 TDMA (Time Division Multiple Access – множественный доступ с разде- лением по времени, англ.) – способ использования радиочастот, при кото- ром в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, исполь- зующих разные временные интервалы (слоты) для передачи. Является 78 ности благодаря шифрованию с открытым ключом. Помимо технологии TDMA, в сетях поколения 2G исполь- зуется и передача данных с коммутацией пакетов на основе CDMA-технологии 26 В сетях, относимых к поколению 2.5G, использована надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществля- ющая пакетную передачу данных, называемая GPRS (General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования, англ.). GPRS предоставляет пользователям возможность обмена данными с другими устройствами, как в сети GSM, так и с внеш- ними сетями, в том числе Internet, используя мобильный телефон. Технология GPRS предполагает тарификацию по объему пере- данной или полученной информации, а не времени подключения. В сети 2.5G может использоваться альтернативная GPRS технология HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data – высоко- скоростная коммутация каналов, англ.), но она менее распро- странена, поскольку предполагает именно повременную тарифи- кацию, в то время как в GPRS учитывается только трафик, т.е. пересылка пакетов. Сети, называемые 2.75G, используют цифровую технологию мобильной связи EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution – усовершенствованная передача данных, развивающая GSM, англ.), функционирующую, как надстройка над 2G и 2.5G сетями. Технология EDGE не является новым стандартом сотовой связи, однако, она подразумевает дополнительный физический уровень, который может быть использован для увеличения пропускной способности сервисов GPRS. Для поддержки EDGE в сети GSM приложением техники мультиплексирования канала с разделением по вре- мени (TDM – Time Division Multiplexing, англ.) к радиосвязи. 26 CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с кодо- вым разделением, англ.). При этом способе разделения среды передачи ка- налы трафика создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Вре- менное разделение отсутствует, и абоненты постоянно используют всю ширину канала. Передачи абонентов накладывается, но они могут быть разделены, поскольку различаются пользовательские коды. 79 требуются определённые модификации и усовершенствования. Согласно стандартам IMT-2000 (International Mobile Tele- communications 2000 – мобильная международная связь 2000, англ.), принятым ITU (International Telecommunication Union – Международный союз электросвязи, англ.), под мобильной свя- зью третьего поколения (сеть 3G) понимается интегрированная сеть, обеспечивающая скорости передачи данных: для абонентов с высокой мобильностью (до 120км/ч) – не менее 144 кбит/с; для абонентов с низкой мобильностью (до 3км/ч) – 384 кбит/с; для неподвижных объектов на коротких расстояниях – 2,048 Мбит/с. Первоначально для сетей поколения 3G предполагалось со- здание единого стандарта, но значительные инвестиции, вложен- ные в развитие сетей предыдущего поколения, не позволили так просто от них отказаться, и смена поколения на основе единого нового стандарта оказалась неприемлемой. Сегодня в сетях тре- тьего поколения преимущественно используются усовершен- ствованные технологии CDMA: WCDMA (Wideband CDMA – широкополосный CDMA) – технология радиоинтерфейса, избранная большинством операто- ров сотовой связи для обеспечения широкополосного радиодо- ступа с целью поддержки услуг 3G. Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг типа видео, доступа в Internet и видеоконференций; обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Поскольку такие скорости передачи данных требуют широкую полосу частот, ши- рина полосы WCDMA составляет 5 МГц. CDMA2000 – развитие технологии CDMA. При построении системы мобильной связи на основе этой технологии первая фаза (CDMA2000 1Х) обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, пере- дачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений, доступ в 80 Internet. Переход к следующей фазе (CDMA2000 1xEV-DO 27 ) проис- ходит при использовании той же полосы частот (1,23 МГц) на ско- рости передачи – до 2.4 Мбит/с в прямом канале и до 153 кбит/с в обратном. Это делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и предоставляет самый широкий спектр услуг, вплоть до переда- чи видео в режиме реального времени. Сети поколения 3.5G используют высокоскоростную пакет- ную передачу данных от базовой станции к абоненту (HSDPA – High-Speed Downlink Packet Access, англ.) – стандарт мобильной свя- зи, рассматриваемый специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвертого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек.; в существующих сетях прак- тически достижимая скорость – около 3 Мбит/сек. Технологии, претендующие на роль поколения 4G – mobile WiMAX 28 , LTE. UWB. Технология mobile WiMAX, определяемая стандартом IEEE802.16-2005 (известен также как IEEE802.16e), утвержденным в 2005 году, явилась новым витком развития технологии фиксирован- ного доступа WiMAX (стандарты группы IEEE802.16a-d). Она опти- мизирована для поддержки мобильных пользователей, перемещаю- щихся со скоростью до 120 км/час. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как это происходит в сетях сотовой связи). В частном случае mobile WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей. LTE 29 – технология построения сетей беспроводной связи нового поколения на базе IP-технологий, отличающаяся высоки- ми скоростями передачи данных. Соответствующий стандарт разработан и утвержден международным партнерским объедине- нием 3GPP. Цель разработки этого стандарта – обеспечение воз- 27 EV – от Evolution (эволюция , англ.); DO – Data Only (только данные, англ.). 28 mobile – подвижный, мобильный, англ.; WiMAX (Worldwide Interopera- bility for Microwave Access) – глобальное сетевое взаимодействие на осно- ве микроволнового доступа, англ. 29 LTE (Long-Term Evolution) – долгосрочная эволюция, англ. 81 можности создания высокоскоростных систем сотовой связи, оп- тимизированных для пакетной передачи данных со скоростью до 300 Мбит/с в нисходящем канале (от базовой станции к пользова- телю) и до 75 Мбит/с в восходящем канале (в обратном направ- лении). Пиковые скорости передачи данных в ранних реализаци- ях должны составлять более 100 Мбит/с в нисходящем канале и более 50 Мбит/с в направлении от пользователя. Реализация LTE возможна в различных частотных диапазонах с использованием как частотного, так и временного разделения. Технология UWB 30 по сути представляет новую версию технологии Bluetooth, предоставляющую пользователям суще- ственно большую скорость обмена данными, использующую для радиотрансляции протокол WiFi (стандарты группы IEEE802.11). На сегодняшний день в Российской Федерации наиболее распространены сети мобильной связи второго поколения и идет активное освоение технологий третьего поколения. Поэтому в настоящем пособии предпочтение отдано рассмотрению архитек- туры мобильных сетей, относящихся именно к этим поколениям. 7.2. Архитектура мобильных сетей стандарта GSM Сеть стандарта GSM охватывает территорию области, раз- деленной на соты 31 шестиугольной формы, диаметр которых мо- жет быть различным – от нескольких сот метров до десятков ки- лометров. Она включает несколько функциональных подсистем, функции и интерфейсы которых специфицируются: Мобильная Станция (MS – Mobile Station, англ.). Подсистема Базовой Станции (BSS – Base Station Subsystem, англ.), управляющая радио-соединением с Мобильной Станцией. Подсистема сети (NWS – NetWork Subsystem, англ.), ос- новной частью которой выступает Центр Коммутации и Управ- ления Мобильных услуг (MSC – Mobile services Switching Center, англ.), осуществляющий как собственно коммутацию абонентов, 30 UWB ( Ultra-Wideband) – сверхширокополосная связь, англ. 31 Такое условное разделение географической территории обусловило ещё од- но популярное название этого вида сетей – сети сотовой подвижной связи. 82 так и управление мобильностью. Центр Операций и Поддержки (OMC – Operations and Maintenance Center, англ.), отвечающий за корректность происхо- дящих в сети операций и за подготовку к работе новых сетей. На рис.7.1 изображена архитектура сети, основанной на стандарте GSM. Рис.7.1. Общая архитектура сети GSM Мобильная станция состоит из терминала Мобильного Обо- рудования радиосвязи (ME – Mobile Equipment, англ.) и карточки, называемой Модулем Идентификации Абонента (SIM – Subscriber Identity Module, англ.). В SIM-карте содержится независящая от ти- па используемого оборудования информация о сервисах, предо- 83 ставляемых абоненту. Карта может использоваться с любым дру- гим GSM-терминалом, обеспечивая абоненту возможность получе- ния через этот терминал всех сервисов системы, на которые он подписан. Мобильное оборудование уникально идентифицируется Международным Идентификатором Мобильного оборудования (IMEI – International Mobile Equipment Identity, англ.). SIM-карта содержит Международный Идентификатор Мобильного Абонен- та (IMSI – International Mobile Subscriber Identity, англ.), использу- емый для идентификации абонента системой; закрытый ключ авто- ризации доступа и некоторую другую информацию. Идентифика- торы IMEI и IMSI взаимно независимы. SIM-карта может быть за- щищена от неавторизованного доступа системой паролей. Подсистема Базовой Станции состоит из двух частей: Трансивера Базовой Станции (BTS– Base Transceiver Sta- tion, англ.),определяющего размеры ячейки и управляющего про- токолами обмена сообщениями с Мобильной Станцией. Контроллера Базовой Станции (BSC– Base Station Con- troller, англ.), управляющего радиоресурсами одной или несколь- ких BTS и контролирующего установление радиоканала, смену частоты, процессы смены канала или ячейки. Ключевым звеном Подсистемы Сети выступает Центр Комму- тации и Управления (MSC). MSC функционирует как обычный узел коммутации таких сетей, как, например, ISDN, но с добавлением функций, необходимых для управления мобильностью абонента, а именно: регистрация абонента и его авторизация, процедура смены местонахождения, процедуры смены соты и канала, маршрутизация вызова к перемещающемуся абоненту. Эти сервисы предоставляют- ся несколькими взаимодействующими компонентами Подсистемы Сети. MSC предоставляет возможность подсоединения к фиксиро- ванным сетям таким, как PDN, PSTN и ISDN. Протокол обмена сигналами между элементами Подсистемы Сети основывается на протоколе SS7 (Signaling System Number 7), используемого в ISDN и широко распространенного в других сетях общего назначения. Регистр положения собственных абонентов (HLR – Home Location Register, англ.) и Регистр положения гостей (VLR – Visi- tor Location Register, англ.), вместе с MSC поддерживают маршру- 84 тизацию и возможность перемещения абонентов сети GSM. В HLR хранится часть информации о местоположении какой- либо подвижной станции, позволяющая MSC доставить вызов стан- ции. HLR содержит IMSI, используемый для опознавания подвижной станции в Центре Авторизации (AuC – Authentication Center, англ.). VLR осуществляет контроль перемещения подвижной стан- ции из зоны в зону. Он обеспечивает функционирование подвиж- ной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера BSC, объединяющего группу базо- вых станций, в зону действия другого BSC, ее регистрирует но- вый BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для со- хранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров. Для предотвращения несанкционированного использования ресурсов системы предусмотрены механизмы удостоверения под- линности абонента. AuC состоит из нескольких блоков, формирую- щих ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверя- ются полномочия абонента, и осуществляется его доступ к сети свя- зи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентифика- ции и определяет ключи шифрования абонентских станций на осно- ве базы данных, сосредоточенной в Регистре Идентификации Обо- рудования (EIR – Equipment Identification Register, англ.). Подсистема OMC обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. OMC обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала; обеспечивает проверку состояния сети и определяет возможность прохождения вызова; производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и выполняет некоторые другие функции. Подсистема Базовой Станции общается с Центром Комму- тации и Управления через A-интерфейс. Он обеспечивает пере- дачу сообщений для управления BSS, передачи вызова, управле- ния передвижением. А-интерфейс объединяет каналы связи и ли- нии сигнализации. BTS и BSC общаются через стандартизованный Abis- 85 интерфейс, позволяя взаимодействовать компонентам системы от разных производителей. Интерфейс между MSC и HLR совмещен с VLR (В- интерфейс). Когда MSC необходимо определить местоположе- ние подвижной станции, он обращается к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру местоопределения с MSC, он ин- формирует свой VLR, который заносит всю изменяющуюся ин- формацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области местоопределения в дру- гую. В случае, если абонент запрашивает специальные дополни- тельные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необ- ходимости сообщает о них HLR. С-интерфейс используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. MSC может послать указание (сообщение) HLR в конце сеанса связи для того, чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не спо- собна исполнить процедуру установления вызова подвижного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения ме- стоположения абонента для того, чтобы послать вызов MS. Интерфейс между HLR и VLR (D-интерфейс) используется для расширения обмена данными о положении подвижной стан- ции, управления процессом связи. Основные услуги, предостав- ляемые подвижному абоненту, заключаются в возможности пе- редавать или принимать сообщения независимо от местоположе- ния. Для этого HLR должен пополнять свои данные. VLR сооб- щает HLR о положении MS, управляя станцией и переприсваивая ей номера в процессе перемещения; посылает все необходимые данные для обеспечения обслуживания подвижной станции. Интерфейс между MSC (Е-интерфейс) обеспечивает взаи- модействие между разными MSC при осуществлении процедуры HANDOVER, то есть «передачи» абонента из одной зоны в дру- гую при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва. Интерфейс между BSC и ОМС (О-интерфейс) предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией Х.25. Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции 86 обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и обо- рудованием транскодирования. Мобильная и Базовая станции взаимодействуют через Um- интерфейс, известный также под названиями воздушный интер- фейс (air interface, англ.) или радио-соединение (radio link, англ.). На рис.7.2 показано соответствие функциональных особен- ностей нижних уровней сетей стандарта GSM уровням эталонной модели OSI. Рис.7.2. Функциональные особенности подуровней нижних уровней сетей стандарта GSM |