UMTS díl II. – Uzlové body a architektura systému

Hlavním tématem dnešního článku ze série o UMTS je architektura celého systému a komponenty, jež tento systém tvoří. Protože systémy třetí generace vznikly evolucí systémů generace druhé a mají tudíž mnoho společného, hovořit se bude taktéž o GSM a GPRS. Vysvětlíme si, jakým způsobem budou sítě UMTS, GPRS a GSM existovat a spolupracovat a jak budou propojeny.
Systémy druhé generace jsou primárně zaměřeny na přenos hlasu, zatímco 3G je celé o vysokorychlostním přenosu dat. Původní myšlenkou UMTS bylo nabídnout tuto službu tam, kde se koncentrují potenciální UMTS uživatelé, tedy ve velkých městech a v hustě obydlených oblastech. Například ve Švédsku, které je celoplošně pokryto sítí GSM/GPRS, se staví jen malé ostrůvky UMTS pokrývající jen největší švédská města. S malými modifikacemi by takový model měl, alespoň zpočátku po zavedení UMTS, fungovat v celé Evropě, tedy i v ČR. Zatím se tedy nepočítá s výstavbou žádné čistě samotné UMTS sítě (snad kromě těch pro účely testování a dalšího vývoje), i když taková možnost samozřejmě v praxi existuje.

Pointou v posunu k systémům třetí generace je poskytnout uživatelům vysokorychlostní přístup k bezdrátovým multimediálním a jiným datovým službám. Vezmeme-li toto v úvahu, je třeba si uvědomit, že trh s bezdrátovým přenosem dat je v dnešní době stále v plenkách: mezi uživateli je penetrace bezdrátových služeb stále menší než 3 procenta (SMS v tom nejsou zahrnuty). Systémy druhé generace jsou okruhově orientované sítě a nesplňují požadavky pro UMTS. Oproti tomu existuje relativně malý krok od GPRS k UMTS.

A protože standard GSM nabízí solidní základ pro UMTS Core Network (ať už se jedná o rozvinutou GSM síť nebo nově vybudovanou UMTS síť), nejjednodušší, nejrychlejší a nejméně nákladnou cestou k UMTS je implementace do stávajících GSM/GPRS sítí. Pojďme si tedy připomenout základy architektury sítě GSM a představit architekturu GPRS ještě předtím, než bude řeč o architektuře UMTS.

UMTSosveta_architektura_GSM

Architektura GSM

Systém GSM se skládá ze dvou hlavních částí – Radio Access Network (RAN) a Core Network (CN). Radio Access Network je ta část, která zajišťuje připojení uživatele do CN a obstarává rádiový přenos. RAN v sobě zahrnuje Base Station System (BSS), tedy systém základnových stanic. Ten se dále skládá z fyzických komponentů - Base Station Controller (BSC) a Base Station (BS). BS můžete znát taktéž pod názvy BTS (Base Transceiver Station), RBS (Radio Base Station), anebo prostě a jednoduše základnová stanice. Architektura a způsob fungování BSS je nám všem dobře známý, i když si to nemusíme přímo uvědomovat: Telefon – základnová stanice – BSC – MSC. Rádiový signál v tomto řetězu probíhá oběma směry. Core Network poskytuje podporu vlastností sítě a poskytovaných telekomunikačních služeb a dále pak přístup do pevných sítí a jiných PLMN (Public Land Mobile Network – mobilní sítě). Hlavními komponenty CN jsou Mobile Switching Centre (MSC) a k němu patřící Home Location Register (HLR), Visitor Location Register (VLR), Equipment Identity Register (EIR) a GatewayMSC (GMSC). Core Network v GSM je doména, ve které se přenášejí okruhově spojená data. Pokud někoho architektura sítí GSM zajímá detailně, odkazuji tímto na články k této tématice, které již na MobilServeru vyšly.

Využití GSM jako Core Network pro poskytování bezdrátových služeb třetí generace přestavuje přínos pro všechny: operátoři stávajících sítí GSM tím ochrání své investice, zajistí se největší možný počet zákazníků od prvního dne provozu a pomůže to rozvoji další konkurence mezi dodavateli služeb.

UMTSosveta_architektura_GPRS

Architektura GPRS

General Packet Radio Service poskytne uživatelům přístup k internetu a intranetu z mobilního terminálu. Dá se tedy říci, že GPRS dělá internet mobilním. Uživatelé mohou být (a zůstat) připojeni bez toho, aby neustále okupovali specifický rádiový kanál. Každý tento kanál je využíván společně několika uživateli a je fyzicky použit pouze ve chvíli příjímání či odeslání datových paketů. Přidáním domény GPRS do sítě GSM tedy vzniká možnost přenosu okruhově i paketově spojovaných dat, a proto se z této GSM/GPRS domény stal základ pro UMTS Core Network. GPRS zajistí možnost paketového spojení typu end-to-end (směrem od mobilního terminálu), a tím se výrazně zlepší datové služby v GSM. Uskutečnění spojení je téměř okamžité a uživatelé platí na základě objemu přenesených dat, nikoli tedy za dobu připojení. GPRS nevyžaduje žádné připojení typu end-to-end a pouze využívá síťové prostředky a pásmo v době uskutečnění datového přenosu. Tímto dochází k extrémně výkonnému použití volného rádiového pásma jeho sdílení mnoha uživateli. GPRS podporuje všechny nejpoužívanější a nejrozšířenější protokoly pro datovou komunikaci, včetně IP protokolu, takže s GPRS mobilním terminálem je možné spojit se s jakýmkoliv datovým pramenem odkudkoli na světě.

Takže co se musí stát v jádru sítě GSM pro to, aby bylo možné uskutečnit přechod ke GPRS a nakonec i k UMTS?

Upgrade jádra GSM pro GPRS

Ve srovnání s výstavbou kompletně nového komunikačního systému, implementace GSM/UMTS infrastruktury založené na stávajících sítích GSM bude relativně rychlou záležitostí. Posunem k sítím GMS/GPRS se další přechod ještě více usnadní. I přesto, že pro GPRS je v sítích GSM potřeba zavést nové funkce, s novým typem spojení k externím sítím orientovaným na paketová data je GPRS logickým prodloužením GSM. Taktéž posun k GSM/UMTS bude pouze prodloužením rozvinuté sítě GSM.

GPRS je implementováno poměrně jednoduchým způsobem: přidají se nové uzlové body pro paketová data a zdokonalí se existující uzlové body tak, aby umožnily směrovací cestu pro paketová data mezi bezdrátovým terminálem a uzlem přenosové brány. Uzel přenosové brány umožní spolupráci s externími sítěmi paketových dat pro přístup například k internetu, intranetu a databázím.

Nové uzlové body pro paketovaná data

Dvě nové logické uzlové body jsou přestaveny k obsluze aplikací GPRS v GSM:
  • Serving GPRS Support Node (SGSN)
  • Gateway GPRS Support Node (GGSN)

    SGSN umožní routování paketů, včetně správy pohyblivosti, ověřování a šifrování směrem od a ke všem uživatelům GPRS, kteří se nacházejí v oblasti dosahu SGSN. Uživatel GPRS může být obsluhován jakoukoli SGSN v síti, v závislosti na poloze. Provoz je routován z SGSN do BSC a skrz BTS pak do mobilního terminálu. GGSN představuje bránu k externím sítím ISP, ovládá zabezpečení a funkci evidence účtů, stejně tak jako dynamickou alokaci IP adres pro mobilní terminál, který je právě obsluhován. Z pohledu externích sítí IP je GGSN hostitel vlastnící všechny IP adresy všech uživatelů, jež jsou obsluhováni.

    Uzlové body budou mezi sebou propojeny páteřní sítí IP. Funkce SGSN a GGSN mohou být kombinovány ve společném fyzickém zařízení nebo odloučeně, ale mohou taktéž každá patřit do jiné mobilní sítě.

    Klíčovým požadavkem pro tyto nové uzlové body je jejich dostupnost, takže operátoři sítí GSM mohou začít nabízet služby orientované na vysokorychlostní paketová data a použít přitom malých uzlových bodů ve vybraných oblastech s ohledem na finanční výdaje, a navíc ještě dodat extra kapacitu, kterou potřebují. Uzlové body SGSN a GGSN by taktéž měly podporovat několik rádiových sítí (s otevřenými styčnými body) ve stejnou dobu.

    Upgrade existujících GSM uzlových bodů

    Ve stávajících uzlových bodech GSM bude potřeba pouze malého, případně žádného, upgradu. Pro GSM i GPRS budou mezi základnovými stanicemi a BSC použity stejné přenosové linky. Mezi MSC/VLR a SGSN bude nutné dodat speciální rozhraní a to ke koordinaci signalizace pro mobilní terminály, které umí pracovat jak s okruhově, tak paketově orientovanými daty. HLR bude obsahovat data o uživatelích GPRS a směrovací informace, a bude přístupný z SGSN. HLR bude také směrovat předplatitele k jedné či více SGSN. BSC bude potřebovat nové schopnosti pro kontrolu paketových kanálů - nový hardware ve formě Packet Control Unit (PCU) a nový software pro správu pohyblivosti a paging GPRS. BSC taktéž bude mít nová rozhraní pro provoz a signalizaci z SGSN.

    BTS bude mít nové protokoly podporující paketová data pro vzduchové rozhraní (air interface), spolu s novými funkcemi pro alokaci slotů a kanálů. Využití rádiových kanálů bude optimalizováno pomocí dynamického sdílení mezi okruhově i paketově přepínaný přenos, toto bude mít na starosti BSC.

    Posun od jádra GSM/GPRS k UMTS

    UMTS bude mít rozvinuté jádro sítě GSM, které bude kompatibilní se sítí GSM, co se týče síťových protokolů a rozhraní (MAP, ISUP, atd.). Tento Core Network bude podporovat jak GSM, tak UMTS, včetně roamingu a handoverů mezi těmito sítěmi. UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) bude připojený k jádru sítě GSM/UMTS za použití nového logického rozhraní. Přenosovým protokolem mezi UTRAN a Core Network bude Asynchronous Transfer Mode (ATM). Všechny funkce rádiové sítě (jako například kontrola zdrojů) budou ovládány uvnitř UTRANu a jasně odděleny od služebních a předplatitelských funkcí v CN.

    Síť GSM/UMTS se bude skládat ze tří hlavních částí:

  • GSM/UMTS Core Network
  • UMTS Radio Access Network (UTRAN)
  • GSM Base Station Subsystem (BSS)

    Stejně jako v případě GSM/GPRS bude i GSM/UMTS Core Network mít dvě různé části: okruhově orientovanou část (MSC) a paketově orientovanou část (GSN). Přístupovým bodem v CN pro GSM okruhově orientovaná spojení je GSM MSC a pro paketově orientovaná spojení je to SGSN. Služby definované v GSM budou podporovány obvyklou „GSM“ cestou. Doplňkové služby budou v GSM/UMTS Core Network implementovány v souladu s principy GSM (HLR-MSC/VLR). Ve všech uzlových bodech CN bude potřeba modifikací pro UMTS. MSC a SGSN budou muset být zdokonaleny tak, aby byly schopny ovládat nové protokoly pro signalizaci a provoz směrem k UTRANu. HLR a VLR budou muset být modifikovány pro uložení profilů služeb a data o uživatelích UMTS. Core network obsahuje tedy dvě domény, doménu okruhově spojovaných služeb (PSTN/ISDN) a doménu paketově orientovaných služeb (IP). Každá doména má svůj vlastní hardware. To znamená, že terminál jež podporuje služby okruhově i paketově orientované, obsahuje CS i PC hardware, z nichž každé může pracovat nezávisle na sobě.

    UMTSosveta_architektura_UMTS

    Architektura UMTS

    Architektura UMTS je tedy ve své koncepci téměř shodná s GSM, zejména pak v části CN. Síť se skládá z UMTS Access Network (UTRAN) a UMTS Core Network (CN). UTRAN v sobě dále zahrnuje Radio Network System (RNS), tedy systém základnových stanic a Inter Working Unit (IWU). CN a RNS jsou navzájem propojeny skrz logické rozhraní Iu. Jednotka IWU pak slouží k podpoře spojení mezi různými CN s různými protokoly a jedním rozhraním Iu. RNS se skládá z Radio Network Controller (RNC) a NodeB (základnová stanice v UMTS). V UMTS tedy probíhá připojení uživatele takto: Terminál (mobilní telefon) – NodeB – RNC – CN.

    CN, Core Network

    Doména CN se skládá z fyzických komponentů, jež podporují vlastnosti sítě a telekomunikační služby. Tato podpora v sobě obsahuje následující funkce: dohled nad informacemi typu alokace uživatele, kontrolu vlastností sítě a služeb, přenosové mechanismy pro signalizaci a uživatelem vygenerované informace.

    Zpočátku by Core Network měl být schopen přenášet okruhově spojená data o rychlosti až 64 kbit/s, paketově spojená data o rychlosti až 2 Mbit/s a zvládat rozdílnou kvalitu parametrů služeb, jako je například maximální prodlení a variabilní šíře pásma i podporu VHE.

    Core Network je dále rozdělen takto: Serving Network, Home Network a Transit Network.

    Serving Network
    Serving network je ta část CN, ke které je připojen Access Network (ten má na starosti přístup uživatele). Reprezentuje funkce CN, které jsou ze strany přístupu uživatele lokální. Serving network je zodpovědný za směrování telefonátů a přenos informací a dat ze zdroje k cíli.

    Home Network
    Home network představuje funkce CN, jež jsou prováděny a řízeny ve stejném prostředí bez ohledu na polohu místa přístupu uživatele. Home Network obsahuje specifická data o uživateli a je zodpovědný za dohled nad informacemi o uživateli.

    Transit Network
    Transit Network je ta část CN, která se nachází na komunikační cestě mezi Serving Network (nebo Home Network) a vzdáleným účastníkem.

    UMTSosveta_CNaRAN

    RNS (Radio Network System)

    Architektura RNS - Radio Network Controller
    RNS se skládá z RNC a jednoho čí více NodeB. NodeB je k RNC připojen skrz rozhraní Iub. RNC je zodpovědné za rozhodnutí o handoverech, která vyžadují předání signálu do mobilního terminálu.

    UMTSosveta_UTRAN

    UTRAN, UMTS Terrestrial Radio Access Network

    UMTS Terrestrial Radio Access Network je síť rádiového přístupu pro UMTS. Podporuje plný roaming s rozvinutými sítěmi GSM. UTRAN má za úkol poskytovat spojení mezi CN a mobilním terminálem (nebo jiným uživatelským zařízením). Z logického hlediska zahrnuje Core Network dvě domény – PSTN/ISDN a IP, bude tedy možné připojit UTRAN buď k oběma těmto doménám, či pouze k jedné.

    Architektura UTRAN
    UTRAN se skládá ze sady několika RNS (Radio Network Subsystem), jež jsou připojena k Core Network skrz rozhraní Iu. RNS se skládá z RNC (Radio Network Controller) a jednoho či více NodeB. NodeB je k RNC připojena skrz rozhraní Iub. Iu, Iub a Iur jsou logická rozhraní.

    Pro každé spojení mezi mobilním terminálem a UTRAN je jedna RNS použita jako Serving RNS a ostatní fungují jako Drift RNS. Serving RNS je zodpovědná za rádiové spojení mezi mobilním terminálem a UTRAN. Pro každý mobilní terminál, který je připojen k UTRAN, existuje vždy jedna Serving RNS. Serving RNS taktéž ovládá rozhraní Iu. Úkolem Drift RNS je podpora pro Serving RNS tím, že dodává rádiové zdroje v době, kdy spojení mezi UTRAN a mobilním terminálem vyžaduje použití buněk kontrolovaných touto Drift RNS.

    UTRAN a GSM BSS
    Díky charakteru vývoje mobilních sítí a především pak evoluci v GSM bude nutná koexistence UTRAN a GSM BSS v jedné síti. Pro koncepci UMTS to znamená následující požadavky:

  • Duální terminály (UMTS/GSM) s podporou pro výběr buněk (z obou systémů), na kterých je možno se pohybovat v pohotovostním režimu i při volání
  • Procedury pro paging a selekci buněk budou navrženy tak, aby uměly ovládat kombinace buněk GSM a UTRAN
  • Podporu pro handover mezi UMTS a GSM BSS v obou směrech

    Detailním popisem UTRANu se budeme zabývat v jednom z pokračování tohoto seriálu o UMTS.

    GSM/UMTS základnová stanice
    V realitě výstavby sítě UMTS a její implementace do stávající sítě GSM by bylo ideální, kdyby se daly využít všechny stávající základnové stanice tak, že by se do nich jednoduše nainstalovaly UMTS komponenty – UMTS BTS, anténní RF systém a nové přenosové zařízení. Jenže tak jednoduché to samozřejmě nebude, a to z několika důvodů. V sítích UMTS je možno přepoužívat frekvence bez toho, aby docházelo ke škodlivému rušení mezi buňkami, což je v sítích GSM nemyslitelné. Dále se tyto systémy liší ve frekvenčním pásmu, jež využívají, a navíc využívají jiných přístupových metod pro své rádiové sítě. To znamená, že z hlediska plánování sítě – pokrytí signálem, kapacity a následná optimalizace, bude možné využít pouze zlomek ze dnes existujících základnových stanic GSM. Detailním popisem využití sítí GSM pro UMTS z hlediska výstavby se budeme zabývat v jednom z dalších dílů tohoto seriálu o UMTS. Tam, kde operátoři budou moci použít základnové stanice GSM pro instalaci UMTS, bude taková GSM/UMTS základnová stanice vypadat víceméně dle následujícího modelu.

    UMTSosveta_CoSiting

    Co dál?

    V příštím dílu tohoto seriálu o UMTS se budeme zabývat přístupovou metodou CDMA pro systémy třetí generace, air interface (vzdušným rozhraním) v UMTS a rádiovou teorií.
    • Nejčtenější

    Podívejte se na fotografie vylepšené umělou inteligencí. Nadchla i Google

    12. března 2024  7:02

    I nejlepší fotomobil může trpět řadou nedokonalostí, které se projeví na výsledných fotografiích....

    O2 dává neomezená data s příjemnou slevou. Avšak pouze dočasně

    14. března 2024  7:02

    Neomezená data s přenosovou rychlostí 10 Mbit/s představují až na jednu výjimkou základ nabídky...

    {NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

    {POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

    KOMENTÁŘ: Za pár let budeme rozvojovým zemím závidět jejich mobilní sítě

    16. března 2024

    Premium Je dost možné, že za pár let budou mít v rozvojových zemích lepší mobilní sítě, než jaké budou...

    Ultrasamsung možná přiměje zastánce klasiky přejít ke skládačce

    15. března 2024  6:57

    Samsung podle dostupných informací chystá hned dva modely řady Galaxy Z Fold, kterých bychom se...

    {NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

    {POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

    Opravdu nadupaný smartphone za dobrou cenu. Test OnePlusu 12

    17. března 2024

    Aktuální top model od OnePlusu představuje docela atraktivní nabídku. OnePlus 12 je skvěle...

    VIDEO: Střílej po mně! Kameraman natočil téměř celý útok v centru Prahy

    Premium Ve čtvrtek zemřelo rukou střelce Davida K. 14 obětí, 25 lidí je zraněných, z toho deset lidí těžce. Jedním z prvních na...

    Máma ji dala do pasťáku, je na pervitinu a šlape. Elišku čekají Vánoce na ulici

    Premium Noční Smíchov. Na zádech růžový batoh, v ruce svítící balónek, vánoční LED svíčky na baterky kolem krku. Vypadá na...

    Test světlých lahvových ležáků: I dobré pivo zestárne v obchodě mnohem rychleji

    Premium Ležáky z hypermarketů zklamaly. Jestli si chcete pochutnat, běžte do hospody. Sudová piva totiž dopadla před časem...

    Chytrému prstenu Samsung hodně věří. Na start bude mít připravené zásoby

    19. března 2024

    Samsung by měl chytrý prsten Galaxy Ring představit 10. července spolu s novými skládačkami. Prodej...

    Vyzkoušeli jsme za vás kontroverzní Temu. Drobnosti za desetikoruny

    19. března 2024

    Internetový obchod Temu budí kontroverze. U influencerů je neuvěřitelně populární a jejich...

    VIDEO: Apple zfilmoval kultovní komiks. Zamířil kvůli tomu do Japonska

    18. března 2024  6:57

    Děj nového krátkometrážního snímku, jehož prostřednictvím Apple tradičně demonstruje přednosti...

    Chytré, nebo klasika? Mrkněte na hodinky Casio inspirované Apple Watch

    18. března 2024

    Značka Casio letos oslavuje 50 let výroby svých náramkových hodinek a patří na tomto poli k...

    Nutný výchovný pohlavek, souhlasí Bouček i Havlová s přerušením projevu na Lvu

    Moderátor Libor Bouček ostře zareagoval na kauzu ohledně délky proslovu režisérky Darji Kaščejevové na předávání cen...

    Švábi, vši a nevychované děti. Výměna manželek skončila už po pěti dnech

    Nová Výměna manželek trvala jen pět dní, přesto přinesla spoustu vyhrocených situací. Martina ze Znojma se pokoušela...

    Vyzkoušeli jsme podvod z Aliexpressu. Může vás přijít draho, i po letech

    Nakoupili jsme na Aliexpressu a pěkně se spálili. Jednu USB paměť, dvě externí SSD a jeden externí HDD. Ve třech...

    Chtěli, abych se vyspala s Baldwinem kvůli jeho výkonu, říká Sharon Stone

    Herečka Sharon Stone (66) jmenovala producenta, který jí řekl, aby se vyspala s hercem Williamem Baldwinem (61). Měla...

    Byla to láska na první pohled, říká hvězda Gilmorek o manželství s modelkou

    Milo Ventimiglia (46), představitel Jesse ze seriálu Gilmorova děvčata nebo Jacka Pearsona ze seriálu Tohle jsme my, je...