Arhitektura GSM/UMTS/LTE mreža - weboteka.net telekomunikacijskih mreža... · Slika 1. Evolucija...

Sveučilište u Zagrebu

FAKULTET PROMETNIH ZNANOSTI

Zavod za informacijsko-komunikacijski promet

Katedra za tehniku informacijsko-komunikacijskog prometa

Kolegij:

Sveučilište u ZagrebuFAKULTET PROMETNIH ZNANOSTIZavod za informacijsko-komunikacijski prometKatedra za informacijsko komunikacijske sustave i mreže

Kolegij:

Arhitektura telekomunikacijske mreže

(ak. god. 2016./2017.)

Arhitektura GSM/UMTS/LTE mreža

prof. dr. sc. Dragan Perakovićdoc. dr. sc. Marko Periša

prof. dr. sc. Slavko Šarić

dr. sc. Ivan Forenbacher

Sadržaj

GSM mreža

UMTS mreža

LTE mreža

Budućnost – 5G mreža

Uvod

Slika 1. Evolucija mobilnih mreža (2G-4G)

Standardi – Evolucija 3GPP standarda

3GPP Release 99: The first UMTS

Access Network Implementation

3GPP Release 4: Enhancements for the Circuit-

Switched Core Network3GPP Release 5: IMS and

High-Speed Downlink Packet

Access

3GPP Release 6: High-Speed Uplink

Packet Access (HSUPA)

3GPP Release 7: Even faster HSPA and

continued packet connectivity

3GPP Release 8: LTE, further HSPA

and Enhancements and Femtocells

3GPP Release 9: Digital Divident

3GPP Release 10: LTE-Advanced,

3GPP Release 11: IP interconnecion of services , Channel aggregation

3GPP Release 12: Small cells, Massive MIMO

Sadržaj

GSM mreža

UMTS mreža

LTE mreža


Komutacija kanala

o GSM je prvotno razvijen kao mreža temeljena na komutaciji kanala slično kao i Public Switched Telephone Network (PSTN).

Slika 2. Komutacijski matrica u komutacijskom centruIzvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Komutacija kanala (cont.)

Slika 3. Potrebne promjene za prilagodbu PSTN komutacijskog centra za bežičnu mrežuIzvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Brzine prijenosa

o Najmanje brzina prijenosa u mrežama sa komutacijom kanala je DS-0 sa 64 kbit/s.

o Takav kanal koristio se za prijenos govora i podataka.

o Pojava E1 (Europa) i T1 (SAD) standarda.

o Za veće brzine prijenosa koristili su se STM-N standardi.

GSM podsustavi

Slika 4. Komutacijski matrica u komutacijskom centruIzvor: http://docstore.mik.ua/univercd/cc/td/doc/product/wireless/moblwrls/cmx/mmg_sg/cmxgsm.htm

GSM podsustavi (cont.)

o GSM mreža/sustav sastoji se od tri podsustava:

1. Base Station Subsystem (BSS)

– još se naziva i „radio network”, tj. pristupnom mrežom koja povezuje korisnika sa

ostatkom mreže.

2. Network Subsystem (NSS)

– još se naziva i jezgrena mreža koja sadrži sve čvorove i funkcionalnosti potrebne sa

komutaciju poziva, upravljanje pretplatnicima i mobilnosti.

3. Intelligent Network Subsystem (IN)

– koristi se za pružanje usluga dodane vrijednosti poput nadoplate prepaid računa.

4. Mobilno terminalni uređaj

– kolegij „Terminalni uređaj”.

Network Subsystem (NSS)

Slika 5. Čvorovi i sučelja u NSS-u.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Network Subsystem - MSC

o Mobile Switching Center (MSC) je središnji dio mobilne telekomunikacijske mreže (Public Land Mobile Network).

o MSC se sastoji od:• MSC Server

• MSC Gateway

o Aktivnosti vezane za uspostavu i održavanje veze su dio Call Control

(CC) protokola čije je uloga:

• Registracija mobilnih pretplatnika

• Uspostava u usmjeravanje poziva između dva pretplatnika

• Prosljeđivanje SMS (short message service) poruka

Network Subsystem – MSC (cont.)

o MSC je odgovoran i za Mobility Management:

• Autentifikaciju korisnika

• Ažuriranje lokacije korisnika

• Handover

o BSS povezuje pretplatnike na jezgrene mrežu preko A-sučelja koji se sastoji od E-1 veza (2 Mbit/s, E1 = 32 kanala).

o Kako je u praksi potrebno mnogo E-1 veza, koristi se STM-1 prijenos.

o GSM mreža se sastoji ud desetak nezavisnih MSC-ova koji se povezani preko E-sučelja

o MSC je povezan sa Home Location Register (HLR) preko C-sučelja

Network Subsystem – digitalizacija

analognog glasovnog signala

Slika 6. Digitalizacija analognog glasovnog signala.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Visitor Location Register (VLR)

o Svaki MSC je povezan sa odgovarajućim VLR-om koji sadrži zapise svakog pretplatnika koji je trenutno poslužen sa dotičnim MSC-om.

o Koristi se pretežito za smanjivanje potrebne signalizacije između MSC i HLR-a,

Home Location Register (HLR)

o HLR je baza pretplatnika u GSM mreži koja se sastoji od zapisa za svakog korisnika.

o Svaki korisnik ima International Mobile Subscriber Identity (IMSI).

o IMSI je pohranjen na Subscriber Identity Modul (SIM) kartici.

o IMSI se sastoji od:• Mobile Country Code (MCC)

• Mobile Network Code (MNC)

• Mobile Subscriber Identification Number (MSIN)

Home Location Register (HLR) (cont.)

Slika 7. Struktura International mobile subscriber identity (IMSI) broja.

Home Location Register - Osnovne GSM

uslugeo Telefonija

o Short Message Service

o FAX

Home Location Register - Authentication

Center (AuC)o AuC sadrži tzv. Individual Key per Subscriber (Ki) koja je kopija Ki

ključa koji se nalazi na SIM kartici pretplatnika.

o Ki se koristi za mnoge radnje u mreži, uključujući uspostavu poziva gdje se Ki koristiti za identifikaciju pretplatnika.

Slika 8. Generiranje Signed Response (SRES).Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Short Messaging Service Center (SMSC)

o SMSC se koristi za pohranu i prosljeđivanje kratkih poruka.

o SMS je implementiran četiri godine nakon što je prva GSM mreža puštena u rad

Short Messaging Service Center (cont.)

Slika 9. Proces isporuke SMS poruke.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Equipment Identity Registar (EIR)

o EIR sadrži popis IMEI brojeva uređaja

o Također, sadrži i tzv. „crne liste” na kojima se nalaze uređaji koje ne mogu/ne smiju koristiti usluge mreže.

Base Station Subsystem (BSS)

o Frekvencijski raspon• U Europi se GSM inicijalno koristio između 890-915 MHz (uplink) i 935-960 MHz

(downlink)

• Badnwidth od 25 MHz je podijeljen u 125 kanala po 200 kHz svaki

• Zbog nedostatka dostupnih kanala, GSM-u je dodijeljen i raspon 1710-1785 MHz (uplink) i 1805-1880 MHz (downlink) -> veći bandwith (75 MHz = 375 dodatna kanala)

Slika 10. GSM uplink i downlink rasponi u 900 MHz spektru.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Base Station Subsystem (cont.)

GSM frekvencijska područja.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.


o Base Transceiver Station (BTS) – zamjenjuje žičanu vezu prema korisniku sa bežičnom vezom.

o Radijus pokrivanja bazne stanice, u teoriji, iznosi do 35 Km. To područje se još naziva i ćelijom.

o Radijus ćelije može varirati i ovisi o broju korisnika:

• 3-4 Km u rezidencijalnim/poslovnim područjima

• < 100 m u područjima sa velikom koncentracijom korisnika (npr. šoping centri, centar grada i sl.)

• < 15 Km u ruralnim područjima budući da je ograničavajući faktor i jačina antene mobilnog uređaja (1 – 2 W)

o U GSM mreži susjedne ćelije rade na različitim frekvencijama kako bi se spriječila pojava interferencije


o Base Transceiver Station (BTS) – tipična antena GSM bazne stanice


o Base Transceiver Station (BTS)

Slika 11. Ćelijska struktura GSM mreže.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.


o Base Transceiver Station (BTS)

Slika 12. Sektorska konfiguracija ćelija.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Base Station Subsystem – GSM Air

Interfaceo GSM Air Inteface = prema GSM specifikacijama predstavlja transmisijski put

između BTS i mobilnog uređaja.

o Kako bi bazna stanica mogla komunicirati sa nekoliko pretplatnika istovremeno koriste se dvije metode:

1) Frequency Division Multiple Access (FDMA)

2) Time Division Multiple Access (TDMA)

o GSM, primjenom FDMA, dijeli frekvencijsko područje od 25 MHz na 124 kanala širine 200 kHz

o Svaka GSM bazna stanica primjenom TDMA dijeli jedan takav kanal u 8 vremenskih okvira (engl. Time slot) za slanje i primanje podataka (ne istovremeno!).

o GSM koristi Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK) modulaciju

Base Station Controller (BSC)

o BSC je mrežni element koji povezuje mobilne uređaje sa mrežom; povezan je sa BTS-om preko Abis sučelja.

o Ako pretplatnik želi uspostaviti poziv, poslati SMS i sl., mobilni uređaj šalje zahtjev za kanalom BSC-u.

o Zadaća BSC-a je uspostava prometnog kanala, signalizacijskog kanala te održavanje/prekidanje konekcije (veze).

o Dodatno, BSC upravlja snagom odašiljanja mjerenjem kvalitete signala (svakih 1-2 sekunde) za pojedinu konekciju.

Kompresija glasa - TRAU

o Transcoding and Rate Adaption Unit (TRAU) – kompresija i dekompresija glasovnih podataka.

o Za prijenos glasa koristi se TCH kanal.

o Tijekom poziva, MSC šalje 64 kbit/s PCM signal prema pristupnoj (radio) mreži gdje ga TRAU komprimira na 12.2 kbit/s.

o U odlaznom smjeru, TRAU konvertira signala natrag u 64 kbit/s.

Kompresija glasa - TRAU (cont.)

Slika 13. GSM kompresija glasa.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Kompresija glasa – TRAU (cont.)

Slika 14. Kompresija glasa sa 4 : 1 omjerom pri TRAU.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Handover

o GSM mreža razlikuje tri moguće scenarija handover-a:

1. Intra-BSC handover: trenutna ćelija i nova ćelija su spojene na isti BSC.

2. Inter-BSC handover: trenutna ćelija i nova ćelije nisu spojene na isti BSC.

3. Inter-MSC handover: trenutna ćelija i nova ćelija nisu spojene na isti MSC.

Handover (cont.)

Slika 15. Inter-MSC handover.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Handover (cont.)

Slika 16. Lančani Inter-MSC handover.Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Sadržaj

GSM mreža

UMTS mreža

LTE mreža


UMTS

o Universal Mobile Telecommunication System je treća generacija (3G) bežičnih telekomunikacijskih sustava

o UMTS kombinira svojstva mreža sa komutacijom kanala i paketa

o UMTS se dosta temelji na GSM i GPRS-u

o UMTS koristi High-Speed Packet Access (HSPA) za podatkovni pristup

Osnovni pregled i povijesni razvoj

o Mobilne mreže slijede trendove u fiksnim mrežama ali sa zakašnjenjem od pet godina u prosjeku

o Povećanje broja korisnika koji koriste glasovne i podatkovne usluge (prvenstveno pojavom širokopojasnih tehnologija)

o GPRS (cca. 50 kbit/s) je prvi korak u mobilnim mrežama prema širokopojasnom pristupu Internetu

o Slijedi ga EDGE (cca. 150-250 kbit/s)







Access









3GPP Release 11: IP interconnecion of services , Channel aggeregation


3GPP Release 99: The first UMTS Access

Network Implementationo Sadrži sve specifikacije za prvu implementaciju UMTS mreže

o Najveći napredak u odnosu na GSM je kompletno redizajnirana pristupna mreža (UTRAN)

o Upotreba Wideband Code Division Multiple Acess (WCDMA) umjesto time- and frequency-multiplexing kod GSM-a

o Povećanje bandwidtha kanala koji je omogućio slanje i primanje podataka brzinom od 384 kbit/s po korisniku.

o U praksi je to bilo ograničeno na 64-128 kbit/s


Network Implementation (cont.)o Koncept baznih stanica i radio kontrolera je preuzet iz GSM-a

• Node-B = BTS (GSM)

• Radio Network Controller (RNC) = BSC (GSM)

• User Equipment (UE) = Mobile station (MS kod GSM-a)

o U početku, u Europi i Aziji koristi se raspon frekvencija: • Uplink: od 1920 MHz do 1980 MHz

• Downlink: od 2110 MHz do 2170 MHz

o U Sj. Americi UMTS dijeli frekvencijski pojas sa 2G mrežama u rasponu:• Downlink: od 1930 MHz do 1990 MHz

• Uplink: od 1850 MHz do 1910 MHz

• Tek kasnije je dodijeljen zaseban 3G spektrum 1710-1755 MHz (Uplink) i 2110-2155 MHz (Downlink)

o Do danas, mnogo drugih raspona se koristi čija je ažurirana verzija objavljena u 3GPP TS 25.101


Network Implementation (cont.)

Slika 17. GSM/UMTS arhitektura: Release 99Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

3GPP Release 4

o Implementacija Bearer-Independent Core Network (BICN) – u jezgrenoj mreži se vrši prijenos IP protokolom.

o Glasovni se promet umjesto E1 konekcija u jezgrenoj mreži sada prenosi putem IP protokola.

o Zbog toga, MSC je podijeljen na:• MSC-Server (MSC-S)

• Mobility Management (MM)

• Media Gateway (MG)

o Primarni razlog uvođenja spomenutih noviteta je konvergencija mreža sa komutacijom paketa i kanala u jedinstvenu mrežu

3GPP Release 4 (cont.)

Slika 18. UMTS Release 4 (Bearer-Independent Core Network)Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

3GPP Release 5

o Daljni korak prema cjelovitoj IP mreži je IP Multimedia Subsystem

(IMS) = temelj.

o Korištenje IP protokola za sve usluge – end-to-end

o Jezgra IMS se sastoji od broja čvorova a najznačajniji su Call Session

Control Function (CSCF) i Media Gateway Control Function (MGCF)

o CSCF je u principu SIP arhitektura prvotno razvijena za fiksne VoIPsustave i zadužena je za kontrolu/uspostavu poziva

o Poboljšanja u handoveru u odnosu na GSM mrežu


Slika 19. UMTS Release 5 – IMS arhitekturaIzvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.


o Ograničenja IMS-a koju su spriječila da postane poptuna alternativa Release 99 ili Release 9 MSC arhitekturi:• IMS je zamišljena kao opća platforma neovisno o uslugama (video pozivi,

instant messaging i presence….). = složeni sustav.

• IMS mora omogućiti efikasni handover kada korisnik napusti UMTS područje.

• IMS klijent treba biti u potpunosti integriran u mobilni uređaj.

• IMS je napravljena kao platforma za third party razvoj kako bi se IP usluge integrirale u mobilno okruženje.

o Najvažnija nova funkcionalnost predstavljena u 3GPP Release 5 je High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA)


o Sa 384 kbit/s u Relase 99, HSDPA je povećao brzine po korisniku na nekoliko megabita (npr. 14.4 Mbit/s)

o Postizanje maksimalne brzine u mobilnoj mreži ovisi o:

1) Maksimalnoj propusnosti mobilnog uređaja

2) Sofisticiranosti prijamnika

3) Mogućnosti mreže

4) Uvjetima na mjestu korištenja (razina signala i sl.)

5) Bandwidth-u linka između bazne stanice i ostatka mreže (tzv. backhaul link)

6) Broju ostalih korisnika u ćeliji koji aktivno izmjenjuju podatke u istom trenutku

3GPP Release 6: High-Speed Uplink Packet

Access (HSUPA)o Daljnja evolucija HSPA što je rezultiralo povećanjem uplink brzina koje

su ostale iste od Release 99

o Mogućnost uplink brzine od nekoliko megabita pod idealnim uvjetima

o HSUPA istovremeno povećava i broj korisnika koji mogu istovremeno slati podatke u istoj ćeliji

o HSDPA + HSUPA = High-Speed Packet Access (HSPA)

3GPP Release 7: još brži HSPA

o Uvođenje:• Continuous Packet Connectivity (CPC) - smanjila se potrošnja energije

(baterije);

• Multiple Input Multiple Output (MIMO) - povećale su se brzine prijenosa;

• QAM modulacija - povećale su se brzine prijenosa

o Maksimalne brzine do 21 Mbit/s (64 QAM) i 28 Mbit/s (MIMO) pod idealnim uvjetima

o Radijus ćelija od nekoliko kilometara (< 5 km) zbog korištenja visokih frekvencija u odnosu na GSM i velike populacije

o Npr. u ruralnim područjima sa malim brojem korisnika može se koristiti 850 MHz koja dozvoljava veliko područje pokrivanja

Multiple Input Multiple Output

Slika 20. Multiple Input Multiple Output (MIMO) arhitekturaIzvor: http://www.telecomhall.com/what-is-mimo.aspx

Važni novi koncepti u UMTS mreži

o Radio Access Bearer (RAB)

• Transmisijski kanal između mreže i korisnika koji mora biti uspostavljen da bi prijenos podataka bio moguć.

• U odnosu na GSM, RAB specificira parametre uspostavljenog kanala: klasu usluge, maksimalna brzina, garantirana brzina, kašnjenje, vjerojatnost pogreške)

o Access Stratum i Non-access Stratum

• Razdvajanje funkcionalnosti jezgrene od pristupne mreže kako bi bio moguć njihov neovisan razvoj

o Common Transport Protocols za komutaciju kanala i paketa• Za razliku od GSM mreže, prijenos ovisno o vrsti podataka (npr. glasovni pozivi,

signalizacijski podaci, komutacija paketa) se vrši pomoću jedinstvenog protokola RLC/MAC.

Code Division Multiple Access (cont.)

Slika 21. Istovremena komunikacija nekoliko korisnika sa baznom stanicom u uplink smjeruIzvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Code Division Multiple Access (cont.)

o Princip CDMA se može opisati na primjeru tri scenarija (pod određenim uvjetima):

• Komunikacija tijekom predavanja – puno osoba u dvorani ali najčešće postoji jedna osoba koja govori i tada zauzima cijeli bandwidth komunikacijskog kanala.

• Komunikacija tijekom zabave – opet, postoji puno osoba u dvorani ali sad svi razgovaraju međusobno. Unatoč istovremenim razgovorima mogu se razlikovati međusobni razgovori pod uvjetima da govornici paze na jačinu glasa.

• Komunikacija u disko klubu – pozadinski šum, tj. glazba, je glasan i onemogućava bilo kakvu komunikaciju.

UMTS planiranje frekvencija i ćelija

o Za razliku od GSM mreže, sve ćelije mogu koristiti iste frekvencije zbog upotrebe CDMA.

o Puno bolja/lakša skalabilnost mreže kod uvođenja novih ćelija – nisu potrebne nikakve posebne predradnje osim smanjenja odašiljanja susjedne ćelije.

o Zbog toga je potrebna propisno definirati i upravljati odnosima između susjednih ćelija

UMTS planiranje frekvencija i ćelija

o Near-Far Effect

• promjena u jačini odašiljanja ovisno o blizini korisnika baznoj stanici.

• mogućnost boljeg upravljanja energijom što produljuje operativno vrijeme mobilnih uređaja.

o Cell Breathing, tzv. „disanje” ćelija

• Mogući problem velikog broja korisnika u jednoj ćeliji, zbog interferencije (sve ćelije na istim frekvencijama!!!) najudaljeniji korisnik mora odašiljati najvećom snagom. Istovremeno, dodatni korisnik koji se nalazi bliže centru ćelije pokušava uspostaviti vezu za prijenos podataka.

• Varijabilnost veličine geografskog područja pokrivanja ćelije

• Analogija sa ljudskim plućima

UMTS planiranje frekvencija i ćelija (cont.)

Slika 22. Princip „Cell breathing”Izvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

UMTS planiranje frekvencija i ćelija (cont.)

o Prednosti UMTS mreže u odnosu na GSM

• Veće brzine prijenosa korištenjem HSPA (do teoretskih 42 Mbit/s)

• Bolje upravljanje frekvencijama i ćelijama korištenjem CDMA

� Near-Far efekt i

� Cell breating koncept

• Odvojene funkcionalnosti pristupne i jezgrene mreže (Access i Nonaccess stratum)

• Specifikacija parametara za uspostavu kanala između korisnika i mreže korištenjemRadio Access Bearer.

• Bearer-Independent Core Network (BICN)

• Primjena QAM modulacija







Access









3GPP Release 11: IP interconnecion of services , Channel aggeregation


Sadržaj

GSM mreža

UMTS mreža

LTE mreža


3GPP Release 8: LTE, daljnja HSPA

poboljšanja i femtoćelijeo Uvođenje nasljednika UTRAN-a pod nazivom eUTRAN i nove arhitekture

jezgrene mreže naziva Evolved Packet Core (EPC)

o Povećanje propusnoti downlink brzina – moguće postići do 42 Mbit/s

o In Case of Emergency (ICE) funkcionalnost – mogućnost pohrane informacija na SIM karticu kojima se može pristupiti standardnim postupkom u hitnim situacijama kada se korisnik ne može predstaviti ili kontaktirati bližnje

o Uvođenje femtoćelija – ćelije malog radijusa pokrivanja koje služe za pružanje mobilnog pristupa u poslovnom ili kućnom okruženju.

o Uvođenje Self Organizing Network (SON) koncepta za samostalno održavanje, upravljanje i optimizaciju mobilnih mreža.

3GPP Release 9: Digitalna dividenda

o Primarno sadrži korekcije i značajke koje nisu razmatrane kod prvog uvođenja LTE-a

o Daljnje razvijanje Self-Oganizing Network (SON)

o Povećanje downlink brzine na 82 Mbit/s korištenjem MIMO-a

o Frekvencijski spektri od 900 i 2100 MHz (Europa)

o Korištenje frek. spektra koji je prethodno korišten za potrebe analogne televizije.

o Nadogradnja sigurnosti korištenjem A5/4 enkripcijskog algoritma

3GPP Release 10 i 11: LTE-Advanced

o Uvođenje Carrier Aggregation ili združivanje kanala

o Specifikacija MIMO (4x4 i 8x8)

o Specifikacija metoda za daljnje planiranje kapaciteta mreže dopunjavanjem LTE makro ćelija

o LTE makro ćelije pokrivaju područje radijusa nekoliko stotina metara uz pomoć malih antena male snage koje pokrivaju samo djelić šireg područja = Heterogenous Network Structure (HetNet)

3GPP Release 10 i 11: LTE-Advanced (cont.)

Slika 23. Princip združivanja (agregacije) kanalaIzvor: https://www.qualcomm.com/news/onq/2014/04/07/introducing-snapdragon-810-and-808-processors-ultimate-connected-computing.

o Dotad je UMTS koristio kanale od 5MHz

o Problem multipath fading

o Uvođenjem LTE potpuno je novi air interface koji koristi manju širinu kanala 180 KHz korištenjem Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing (OFDM)

o Na taj način se data streams dijele u mnogo manjih data stream-ova

o Rezultat je veća brzina prijenosa

Long Term Evolution (LTE)

LTE arhitektura

o Generalna arhitektura slična je GSM i UMTS mreži:• LTE mobilni uređaji

• eNode-B

• Mobility Management Entity (MME)

• Serving Gateway (S-GW)

• PDN-Gateway

• Home Subscriber Server (HSS)

• Billing, prepaid i Quality of Service

LTE arhitektura i sučelja (cont.)

Slika 24. LTE arhitekturaIzvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

Pristupna mreža(Evolved UMTS Terrestrial Radio

Access Network, E-UTRAN)

Jezgrena mreža(Evolved Packet Core, EPC)

Korisnička mreža(User Equipment, UE)

LTE mobilni uređaji (cont.)

Slika 25. Sažeti prikaz LTE frekvencijskog spektraIzvor: Sauter, M. From GSM to LTE – An introduction to mobile network and mobile broadband, 2011, Wiley.

eNode-B

o Najsloženiji čvor u LTE mreži je eNode-B (bazna stanica)

o e = evolved

o Sastoji se od tri glavna elementa:

• Antena

• Radio modula – modulacija/demodulacija signala

• Digitalnih modula – obrada svih signala na air (radio) sučelju prema jezgrenoj mreži.

eNode-B (cont.)

o Glavne zadaće eNode-B:

• User management

• Osiguravanje Qos

• Mobility management

• Interference management

o Novost je što eNode-B može odlučiti korisnika „predati” (hand over) susjednom e-NodeB

o Maksimalne brzine koje se mogu postići ovise o širini frekvencijskog spektra.

o To je zbog toga što je LTE fleksibilan glede dodjeljivanja različitih širina frek. spektra između 1.25 do 20 MHz.

o Kod 20 MHz i 2 x 2 MIMO moguće su brzine do 150 Mbit/s

Mobility Management Entity (MME)

o Mobility Management Entity je odgovoran za:• Autentifikaciju – kada se koristi prvi put spoji na LTE mrežu, eNode-B

komunicira sa MME preko S1 sučelja za razmjenu potrebnih podataka o mobilnom uređaju.

• Uspostavu kanala za prijenos paketa od mobilnog uređaja prema Internetu.

• Handover ako ne postoji X2 sučelje

• Povezivost sa ostalim mrežama

• SMS i Voice Support – unatoč tome što je LTE u cijelosti IP mreža, potrebna je podrška tradicionalnim uslugama.

Serving Gateway (S-GW)

o Posrednik između eNode-B i Packet Data Network Gateway (PDN-GW), tj. „izlaz” prema Internetu

o Obavlja rutiranje i prosljeđivanje paketa prema i od korisnika

o Služi kao lokalni posrednik u funkciji mobilnosti – prospaja na drugi eNodeB u slučaju handover-a

o Upravlja sa različitim QoS temeljem DiffServ

PDN-Gateway (PDN-GW)

o U praksi, ovaj čvor je gateway prema Internetu.

o Često se koristi za povezivanje mreža velikih kompanija preko enkriptiranog tunela kako bi zaposlenici tih kompanija imali izravan pristup privatnim internim mrežama.

o PDN-GW je odgovoran i za dodjelju IP adresa mobilnim uređajima.

o Kada se korisnik želi spojiti na Interent, PDN-GW kontaktira MME koji tada vrši autentifikaciju korisnika i zatražuje IP adresu od PDN-GW.

o Slično kao i u UMTS mreži kada SGSN zatraži IP adresu od GGSN

Home Subscriber Server (HSS)

o LTE dijeli bazu podataka sa korisničkim podacima i sa GSM i UMTS mrežom (HLR).

o Najvažniji korisnički parametri jesu:• International Mobile Subscriber Identity (IMSI)

• Informacije potrebne za autentifikaciju korisnika

• Telefonski broj označavan kao Mobile Subscriber Integrated Services Digital

Network (MSISDN)

• Dozvoljeni Access Points Names koje korisnik može koristiti

• ID trenutnog MSC koji poslužuje korisnika kako bi se dolazni pozivi i SMS poruke propisno usmjerili

Upravljanje s frekvencijama –

GSM/UMTS/LTE

UMTSGSM

LTE

Sadržaj

GSM mreža

UMTS mreža

LTE mreža


5G – glavne značajke

Slika 26. Moguće aplikacije i usluge primjenom 5G mrežeIzvor: https://5g.co.uk/guides/what-is-5g/

5G – glavne značajke (cont.)

5

1

50

10

0 10 20 30 40 50 60

E2E Latency (ms)

Air Latency (ms)

4G 5GSlika 27. Usporedba latencije između 4G i 5G

Izvor: Samsung, “5G Vision,” Samsung Electronic., Ltd., Gyeonggi-do, 2015.


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

4G 5G

Minimum speed(Gbps)

Maximum speed(Gbps)

Slika 28. Usporedba brzina prijenosa između 4G i 5GIzvor: Samsung, “5G Vision,” Samsung Electronic., Ltd., Gyeonggi-do, 2015.


Slika 29. Usporedba minimalnih zahtjeva mreže između 4G i 5GIzvor: EC / 5G PPP, “5G Vision / The 5G Infrastructure Public Private Partnership: the next generation of communication networks and services,”

European Commission, Heidelberg, 2015..


Slika 30. Benefiti za različite dionike na mobilnom tržištu

Pitanja

Literatura

1. Sauter, M., (2011), From GSM to LTE – An introduction to mobile

network and mobile broadband, 2nd edition, Wiley, West Sussex: UK.

Arhitektura GSM/UMTS/LTE mreža - weboteka.net telekomunikacijskih mreža... · Slika 1. Evolucija...

Documents

Transcript of Arhitektura GSM/UMTS/LTE mreža - weboteka.net telekomunikacijskih mreža... · Slika 1. Evolucija...