Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Transkript

1 FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Garant předmětu: Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. Autoři textu: Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. BRNO * 2014 Vznik těchto skript byl podpořen projektem č. CZ.1.07/2.2.00/ Evropského sociálního fondu a státním rozpočtem České republiky.

2 2 FEKT Vysokého učení technického v Brně Autor Doc. Ing. Vít Novotný, Ph.D. Název Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB- TUO Vydavatel Vysoké učení technické v Brně Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací Technická 12, Brno Vydání první Rok vydání 2014 Náklad elektronicky ISBN Tato publikace neprošla redakční ani jazykovou úpravou.

3 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 3 OBSAH ÚVOD ROZVOJ DATOVÝCH SÍTÍ A SLUŽEB PEVNÉ DATOVÉ SÍTĚ... 7 LOKÁLNÍ A PEVNÉ BEZDRÁTOVÉ DATOVÉ SÍTĚ... 7 MOBILNÍ DATOVÉ SÍTĚ Nástup mobilních síťových technologií Nárůst požadavku na datové služby v mobilních sítích TECHNOLOGICKÉ ZMĚNY PRO NÁSTUP ALL-IP SÍTÍ ARCHITEKTURY MOBILNÍCH SÍTÍ HLAVNÍ VÝVOJOVÉ STUPNĚ MOBILNÍCH SÍTÍ DALŠÍ TECHNOLOGICKÉ INOVACE PRO DALŠÍ ROZVOJ MOBILNÍCH SÍTÍ Technologie A/Gb/Iu flex Sdílení síťových subsystémů mobilních sítí DALŠÍ MOŽNOSTI ZVYŠOVÁNÍ KAPACITY RÁDIOVÉHO ROZHRANÍ MOBILNÍCH SÍTÍ MOBILNÍ SYSTÉMY LTE (EPS) MOBILNÍ SÍTĚ ČTVRTÉ GENERACE CHARAKTERISTIKA SÍTĚ EPS NÁSTUP MOBILNÍCH SÍTÍ LTE ARCHITEKTURA MOBILNÍ SÍTĚ EPS Podpora kvalitativních požadavků služeb Výběr typu přístupu do EPC Zkvalitnění pokrytí oblasti Služby E-MBMS PROTOKOLOVÁ ARCHITEKTURA EPS PROCEDURY SPRÁVA RELACÍ Aktivace vyhrazeného nosiče - procedura Dedicated Bearer Activation.. 56 PROCEDURY PŘEDÁVÁNÍ AKTIVNÍHO SPOJENÍ (HANDOVER) PROCEDURY ŘÍZENÍ SPOJENÍ S DALŠÍ DATOVOU SÍTÍ HLASOVÁ SLUŽBA V SÍTÍCH EPS... 66

4 4 FEKT Vysokého učení technického v Brně Realizace hovorové služby prostřednictvím techniky CS fallback ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 71

5 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 5 Úvod Současnost je v oblasti elektronických komunikačních systémů charakterizována bouřlivým rozvojem Internetu, který lze pojmout, jednak jakožto všudypřítomné a globálně obepínající komunikační médium, a jednak jako zdroj rozmanitých komunikačních a informačních služeb. První z výše uvedených pohledů na Internet jako na globální transportní infrastrukturu, lze rozdělit do dvou částí, a to na sítě přístupové a sítě transportní. V oblasti přístupových sítí existuje široká plejáda technologií, a to jednak pevných kabelových, kde vévodí technologie Ethernet (EFM po metalice, či xpon po pasivních optických sítích) a xdsl technologie, dále pevných bezdrátových, které jsou zastoupeny řadou mikrovlnných technologií (např. WiMAX), dále lokálních bezdrátových technologií s malým rozsahem mobility terminálů (zde je hlavním zástupcem rodina technologií vyvíjená sdružením IEEE, např. IEEE WiFi, BlueTooth, ZigBee) až po rozsáhlé bezdrátové s mobilitou velkého rozsahu, kam patří pozemní či satelitní mobilní sítě. Oblast transportních sítí může být dále dělena na agregační a páteřní. Agregační sítě jsou v současnosti sítě typu Ethernet nejčastěji na bázi optických spojů, jejichž cílem je sdružování datových toků od jednotlivých zákazníků, a využívají techniku L2 přepínání. Páteřní části pak provádějí transport paketů přes jednotlivé úrovně internetových poskytovatelů od jednoho koncového uzlu k druhému a zpět a jejich hlavním úkolem je co nejvýkonnější proces směrování. Na nejnižší části fyzické vrstvy je dnes typicky nasazena vláknová optika s přenosem typu DWDM s kapacitami od stovek gigabitů za sekundu až desítky terabitů za sekundu po jednom jednovidovém vláknu, a s dosahy i několika stovek kilometrů za použití mezilehlých optických zesilovačů. Přenos IP paketů po vysokokapacitních optických spojích je pak řešen buď technologiemi SDH či SONET nebo přímo technologií MPλS (MPLS over lambda). Z globálnosti Internetu pak plyne i globální dosah komunikačních a informačních služeb, což vytváří globální konkurenční prostředí, které způsobují enormní konkurenční tlaky mezi společnostmi nabízející komunikační a informační služby. Tento problém pak doléhá i na tradiční lokální telekomunikační operátory, jejichž sítě díky konvergenci do prostředí IP sítí přestávají býti poskytovatelem top-level služeb, ale pouhými poskytovateli přístupu do Internetu, kde se teprve vlastní poskytování top-level služeb odehrává. S tímto se snaží tradiční telekomunikační operátoři bojovat různými způsoby, především tím, že se snaží nabízet služby s podporou QoS, s širší nabídkou doplňkových služeb, současně s příznivou

6 6 FEKT Vysokého učení technického v Brně cenovou politikou. Aby toto mohli operátoři zajistit, a přitom podnikat se ziskem, nezbývá jim, než současně hledat cesty pro minimalizaci nákladů typu CAPEX i OPEX. To lze řešit jednak samozřejmě optimalizací činností ve vlastní organizaci a jejím zeštíhlením, dále přenesením tlaku na výrobce komponentů, aby nabízeli produkty za nižší ceny a sami u sebe hledali úspory, případně sdílením částí sítě mezi více operátory. Jiná cesta ke zvýšení profitu je reorganizace celé vlastní infrastruktury poskytování telekomunikačních služeb a její správy pomocí samostatného a jednotného systému poskytování služeb založeného na konvergované platformě IP sítí s otevřeným a standardizovaným rozhraními pro stávající i budoucí služby, a nezávislého na konkrétní transportní infrastruktuře. To je případ implementace systému IMS (IP Multimedia Subsystem). Přechod na takovýto systém je v počátcích nákladnější (vyšší CAPEX), avšak s vysokým potenciálem poskytování široké nabídky služeb, a to především do budoucna.

7 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 7 1 Rozvoj datových sítí a služeb Jak již bylo prezentováno v Úvodu, dnešní éra konvergence sítí a transportních technologií do paketových technologií založených na protokolové sadě TCP/IP otevřela volné pole pro vývoj široké plejády rozmanitých služeb, které lze díky globálnímu pokrytí Internetem, jenž je na této protokolové sadě založen, nabízet napříč celou Zeměkoulí. Příkladem tohoto jsou globální služby sociálních komunikačních sítí, například Facebook, Twitter a řada dalších; dále telefonní či videokonverzační služby typu Skype; a mnoho tzv. cloudových služeb. 1.1 Pevné datové sítě Základem pevných sítí jsou kabelové spoje, které jsou v přístupových sítích jak metalické, kdy jsou zastoupeny kabelážemi nejčastěji typu UTP nebo kroucenou dvojlinkou jakožto standardní telefonní přípojkou ( původní účastnické telefonní ), případně ještě koaxiálními kabely u poskytovatelů distributorů televizního vysílání a přístupu k Internetu současně (systémy TKR); tak i optické, především v podobě pasivních optických sítí typu GPON, EPON, GEPON, 10G-PON, WDM-PON, apod. Páteřní sítě pak využívají převážně optických spojů s využitím jednovidových optických vláken a technologie hustého vlnového multiplexu DWDM a na nejvyšších úrovních s čistě optickým přepínáním vlnových délek pomocí techniky MPλS. 1.2 Lokální a pevné bezdrátové datové sítě Lokální bezdrátové sítě jsou v dnešní době zastoupeny především technologiemi specifikovanými sdružením IEEE, a to konkrétně řadami standardů a Mezi pevné bezdrátové sítě s metropolitním rozsahem patří technologie WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) specifikovaná standardem IEEE , kde tento typ ještě nezahrnuje podporu mobility, která se objevila až u standardu IEEE e a později (2011) u standardu m.

8 8 FEKT Vysokého učení technického v Brně 1.3 Mobilní datové sítě Nástup mobilních síťových technologií Mobilní způsob komunikace dnes jednoznačně ovládl pole přístupových technologií ke globální síti Internet, protože vnáší do elektronických komunikací svobodu pohybu, což je taková výhoda, která se i navzdory problémům komunikace za pohybu, jako jsou rušení, rychle se měnící podmínky rádiového spoje, a náročnosti technologií, které tyto problémy musí řešit, prosadila tak, že se mobilní sítě staly vedle sítí pro realizaci hovorových služeb, díky rozvoji sítí 3G v podobě technologie HSPA+ a především nynějšímu nástupu sítí 4G v podobě technologie EPS s přístupovou sítí LTE (Long Term Evolution), i sítěmi pro rozmanité datové služby nejčastěji pocházející přímo z prostředí Internetu, a to hlavně pro službu www, služby elektronické pošty, a stále více pro streamování multimediálních datových toků, kde hlavními představiteli jsou na prvním místě zřejmě je to služba youtube, ale i streamování rozhlasového či televizního vysílání po Internetu, které je nabízeno mnoha providery, a také webové stránky jsou dnes plné multimediálního obsahu. Další změnou probíhající v Internetu v posledním období, která se odehrává především v oblasti bezdrátových a mobilních přístupových sítích, je, že koncovými uzly se stále více stávají automaty, tj. automatizovaná zařízení bez lidské obsluhy, která se nacházejí relativně blízko a potřebují mezi sebou často komunikovat, na což především mobilní sítě nejsou navrženy, a čeká je tedy řada změn, aby tento typ komunikace efektivně podporovaly Nárůst požadavku na datové služby v mobilních sítích Mnoho desetiletí vévodila telekomunikačním službám služba hlasová. Zpočátku zavedení datových služeb nebyly požadavky na datové přenosy po mobilních sítích výrazné. Bylo to jednak z důvodu užívání takových služeb, které nebyly příliš náročné na přenosové rychlosti a také z důvodu vysokých cen za datové služby v mobilních sítích. V druhé polovině první dekády dvacátého prvního století však objem přenesených dat vykázal exponenciální nárůst. Stalo se to především z důvodu technologických změn, dále změny v cenových politikách jednotlivých operátorů, prudkého rozvoje sociálních sítí i nárůst obliby dalších služeb, především typu streamování videa, video on demand, aj. Nárůst provozu v uplynulých letech je zřejmý z Obr Je zde zřetelně vidět především nárůst datových služeb, který má exponenciální charakter, zatímco hlasové služby zaznamenávají lineární růst s náznakem spíše k logaritmickému kurzu.

9 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 9 Obr. 1.1: Nárůst datového provozu v letech (zdroj společnost Ericsson, [52]) Na základě analýzy byla vyhotovena předpověď na dalších pět let, která je zachycena na Obr Zatímco odhad vývoje objemu hlasových služeb víceméně předpokládá jen velice malý růst či spíše stagnaci, předpoklad tendence exponenciálního nárůstu objemu datových služeb provozovaných po mobilních sítích tu pokračuje. Je to pochopitelné, protože právě v datových službách existuje největší potenciál růstu z důvodu ohromného nárůstu množství dat, které je zapotřebí přenášet či sdílet, a následného mohutného rozvoje datových komunikačních služeb a stále vzrůstající obliba jejich využívání.

10 10 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 1.2: Předpověď vývoje provozu hlasových a datových služeb z roku 2011 (zdroj - Analysys Mason, [52]) Jasnou odpovědí na tento trend byl vývoj standardů pro čistě paketovou mobilní síť a jeho stále pokračující rozvoj za účelem uspokojení stále rostoucího požadavku na datové služby.

11 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 11 2 Technologické změny pro nástup all-ip sítí 2.1 Architektury mobilních sítí Úkolem mobilní sítě je zajistit rádiový přístup mobilních terminálů k vlastní síti pro možnost realizovat telekomunikační za pohybu ve velkém rozsahu vzdáleností i rychlostí. Obecná podoba architektury mobilních sítí je zachycena na Obr Externí sítě Páteřní síť CN Core Network Rádiová přístupová síť RAN Radio Access Network Obr. 2.1: Základní forma architektury mobilních sítí Architekturu tvoří rádiová přístupová síť RAN (Radio Access Network), která řídí rádiovou komunikaci terminálů se sítí a přenáší uživatelská (aplikační data) do páteřní části sítě CN (Core Network). Páteřní síť pak zajišťuje řídicí funkce týkající se přihlašování a mobility, a samozřejmě samotného poskytování telekomunikačních služeb. V nejnovějších architekturách bývá část pro poskytování telekomunikačních služeb řešena jako samostatný subsystém, který tak může být i nezávislý na typu vlastní mobilní sítě. To je případ subsystému IMS (IP Multimedia Subsystem). K výše uvedeným, alespoň z pohledu uživatelů nejdůležitějším částem nezbytně přísluší část zajišťující správu chodu mobilní sítě jako celku, tedy systému pro poskytování

12 12 FEKT Vysokého učení technického v Brně telekomunikačních služeb a také jako prostředku podnikání. Tato část správy se označuje jako OSS (Operation and Support System). Moderní mobilní architektura tak může ve výsledku mít podobu, která je blokově znázorněna na Obr Obr. 2.2: Komplexnější pohled na architekturu současných mobilních sítí Nezbytným prvkem RAN jsou základnové stanice, které pomocí rádiových jednotek a anténních systémů zajišťuje pokrytí území pomocí buňkového systému, viz Obr U sítí 2G se základnová stanice označuje jako BTS (Base Transceiver Station) u 3G jako NodeB a u 4G jako e-nodeb. Dalším prvkem, který je přítomen v RAN mobilních sítí druhé a třetí generace je kontrolér základnových stanic, u 2G sítí označovaný jako BSC (Base Station Controller) u sítí 3G jako RNC (Radio Network Controller). Obr. 2.3: Zjednodušená prezentace buňkového systému pro pokrytí území rádiovým signálem

13 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 13 Páteřní část sítě CN je tvořena čtyřmi hlavními druhy komponentů: řídicí prvek pro správu mobility, přepravní prvky zajišťující přepojování uživatelské i řídicí informace, řídicí prvek pro poskytování telekomunikačních služeb, databáze uživatelů. Subsystém OSS zajišťuje několik druhů činností: dohled nad funkčností sítě součást sbírá údaje o aktuálním stavu všech ostatních součástí sítě, řeší výpadky, vyhodnocuje vývoj zatížení v síti a skladbu jeho profilu. Součást se označuje jako OMC (Operation and Maintenance Centre), správa organizace sítě řeší otázku plánování, konfigurace a optimalizace síťových součástí. Součást se označuje jako NMC (Network Management Centre), administrační centrum správa uživatelských účtů, účtování, ekonomické středisko, apod. Součást se označuje jako ADC (Administration Centre). Síť daného operátora musí být propojena s dalšími sítěmi jednak jiných operátorů, ale i jiných typů, viz Obr. 2.4, aby byla zajištěna co nejširší konektivita, a v neposlední řadě i co nejbohatší dostupnost služeb.

14 14 FEKT Vysokého učení technického v Brně mobilní síť C páteřní datová síť propojující sítě PLMN mobilní síť B telefonní síť mobilní síť A datová síť rozhlasová síť televizní síť Obr. 2.4: Vzájemné propojení rozmanitých druhů telekomunikačních sítí 2.2 Hlavní vývojové stupně mobilních sítí Jak již bylo prezentováno v úvodu, mobilní sítě se z hlediska vývoje rozdělují do tzv. generací. Jeden z představitelů první generace rozšířeného především v Evropě je zachycen na Obr První mobilní sítě byly samozřejmě analogové a byly založeny na stávající analogové telefonní síti.

15 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 15 PSTN MTX Obsluha služeb Obsluha služeb MTX Oblast provozu Základnová stanice Základnová stanice Oblast provozu Obr. 2.5: Mobilní síť první generace - architektura sítě NMT Základním znakem mobilních sítí druhé generace (2G) je přechod na digitální způsob komunikace. Nejrozšířenějším zástupcem je systém GSM (Global System for Mobile communication), jehož architektura je zachycena na Obr Obr. 2.6: Mobilní síť druhé generace - architektura sítě GSM Úvodní formy mobilních sítí druhé generace podporovaly datové přenosy pouze typu CSD (Circuit-Switched Data), tedy po okruhově spojované architektuře. Stále jasněji se však ukazovala potřeba podpory paketového principu přenosu, který v pevných datových sítích již dlouhé roky prosperoval a ukazoval cestu dalšího vývoje telekomunikačních sítí. Reakcí na tento vývojový směr byl návrh infrastruktury pro podporu paketové komunikace v mobilních sítích. V rámci vývoje GSM byla navržena technologie GPRS, později rozšířená formu EGPRS zavedením techniky EDGE. Struktura výsledné mobilní sítě označované jako 2,5G či 2,75G je zachycena na Obr Z obrázku je patrné, že největší změna nastala v oblasti

16 16 FEKT Vysokého učení technického v Brně páteřní části sítě, kde vedle okruhově spojované části (CS) musela nově vzniknout paketově přepojovaná doména (PS). Obr. 2.7: Architektura mobilní sítě GSM/(E)GPRS Při přechodu na sítě třetí generace došlo ke změnám především v oblasti rádiové přístupové sítě, kde se změnila přístupová technologie z FDMA/TDMA na CDMA, přesněji WCDMA (Wide-band CDMA) a paketový způsob komunikace se stal integrální součástí síťové architektury. U technologie UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) bylo vůči síti GSM označení základnových stanic změněno z BTS na NodeB, označení kontroléru BSC na RNC, viz Obr Podstatnější než změna názvů však byly technologické změny. Kromě již zmíněné přístupové technologie WCDMA patří mezi významné změny nasazení technologie ATM jako základní přenosové technologie mezi prvky RAN, a také specifikace nového rozhraní mezi kontroléry RNC, umožňující provozovat tzv. soft-handover nejen mezi buňkami pod správou jednoho kontroléru RNC (jednoho subsystému RNS), ale mezi buňkami sousedících subsystémů RNS propojených rozhraním Iur.

17 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 17 Obr. 2.8: Architektura počátečních verzí sítě UMTS Výsledný efekt změny sítě druhé generace na počáteční verze třetí generace však nebyl především pro zákazníky tak výrazný, jak se před zaváděním sítí 3G slibovalo. V doméně CS byla největším vylepšením možnost videotelefonie, která se však nerozšířila v takovém rozsahu, jak se původně předpokládalo. PS doména zůstala víceméně nezměněná a změna v RAN nepřinesla výrazný pokrok v propustnosti, jednalo se o něco málo větší rychlost než se dosahovala u technologie EDGE (cca 200 kb/s), a latence mobilní sítě pro paketový provoz také dramaticky nepoklesla (cca ms), což stále bylo mnoho pro nasazení datových služeb v reálném čase. Hned tedy bylo zřejmé, že v brzké době musí následovat další inovace. Současně se také ukázalo, že náklady díky vysoké ceně pronajímaných spojů a nákladům na provoz technologie ATM v rádiové přístupové síti, i provoz dvou odlišných domén v páteřní síti jsou vzhledem k stále vyšším tlakům na snižování cen za jednotku objemu datových služeb neúnosné. Dalším vývojovým krokem byla architektura označovaná jako NGN (Next Generation Network), která používá pro transport v páteřní síti paketovou síť IP pro všechny druhy služeb a pomocí technologie MPLS a technik podpory QoS zajišťuje hodnoty potřebných parametrů

18 18 FEKT Vysokého učení technického v Brně v mezích požadovaných jednotlivými službami. Původní ústřední prvek CS domény ústředna MSC je rozdělena na následující funkční entity: MGW (Media Gateway) uzel pro transformaci formátů aplikačních (uživatelských) dat mezi síťovými subsystémy s odlišnými způsoby kódování i přepravy, MSC server zpracování signalizačních (řídicích) zpráv uvnitř IP páteřní části, obecněji nazývaný také jako Softswitch (softwarová ústředna), MGC (Media Gateway Controller) řídicí entita pro ovládání prvků MGW, nejčastěji bývá řešena jako součást MSC serveru, SGW (Signalling Gateway) konverze formátů a způsobu transportu pro řídicí zprávy. Aplikace filozofie NGN do prostředí mobilních sítí jako inovace UMTS sítě byla verze Rel. 4, viz Obr INTERNET Privátní datová síť A Privátní datová síť B NodeB PLMN RNC SGSN GGSN HLR MSCserver IP páteřní síť SGSN RNC NodeB NodeB MGW MGW NodeB Base Station RNC Radio Network Controller MSC Mobile services Switching Center MGW Media Gateway SGW Signalling Gateway HLR Home Location Register SGSN Serving GPRS Support Node GGSN Gateway GPRS Support Node PSTN Public Switched Telephone Network PSDN Packet Switched Data Network MGW PSTN SGW Obr. 2.9: Architektura sítě UMTS dle Rel. 4 Dalším vývojovým stupněm bylo pronikání IP transportu i do rádiové přístupové sítě. To bylo poprvé specifikováno 3gpp v dokumentech Rel. 5. Byla zde implementována tzv.

19 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 19 All-IP (flat) transportní architektura vytvářející podmínky pro široce flexibilní formu komunikačních vazeb. Došlo tak k oddělení fyzické a funkční organizace mobilních sítí. Pro možnost flexibilního způsobu vazeb mezi funkčními entitami mobilní sítě musela být upravena i komunikační infrastruktura, tedy existence ploché transportní architektury založené na některé z perspektivních transportních technologií, např. Ethernet (původně se jí zdála být technologie ATM) a síťovém protokolu IP, tj. transportní roviny s přepojovacími uzly přepínači a směrovači a efektivním způsobu přepojování. Princip je uveden na Obr. 2.10, kde pomocí seznamu logických adres lze jeden uzel napojit na více obsluhujících uzlů, a to ať už pro případ, že hlavní uzel přestane fungovat, či za účelem rozložení zátěže. Obr. 2.10: Změna způsobu propojení mezi funkčními entitami pro možnost flexibilní architektury Další výrazným inovačním počinem v rámci Rel.5 je návrh subsystému IMS (IP Multimedia Subsystem), který vytváří další vrstvu funkčních entit orientovaných na poskytování telekomunikačních a informačních služeb. Nově vzniklá architektura odstiňuje systém poskytování služeb od konkrétního typu síťové technologie, což poskytuje velkému telekomunikačnímu operátorovi jednotnou formu pro poskytování telekomunikačních a informačních služeb, správu uživatelských účtů a způsobu účtování napříč všemi možnými přístupovými a transportními technologiemi. Základní podoba subsystému IMS a jeho napojení na jednotlivé typy transportních či přístupových sítí je uvedeno na Obr Prvky subsystému lze rozdělit do 3 vrstev, kde hlavní je jádro IMS tvořené servery typu CSCF (Call/Session Control Function) pro řízení registrace, autentizace, deregistrace a samozřejmě řízení sestavování relací, a domovský server (databáze) HSS (Home Subscriber Server). Vlastní služby jsou pak poskytovány vrstvou aplikační, kde se poskytují buď IMS nativní služby pomocí aplikačních serverů AS či služby přes adaptační rozhraní OSA (Open Service

20 20 FEKT Vysokého učení technického v Brně Access). Napojení na jiné síťové architektury než SIP/IP zajišťují brány a řídicí prvky typu MGW, SGW a MGCF. Propojení s dalšími IMS subsystémy jiných operátorů je pak řešeno pomocí prvku SBC (Session Border Controller), který současně plní bezpečnostní i případné konverzní funkce transportu, kodeků, či signalizace. Obr. 2.11: Subsystém IMS a jeho začlenění do heterogenního síťového prostředí Vývoj se také samozřejmě ubíral jednak cestou zvyšování přenosových rychlostí, ve výsledku tedy propustnosti pro konkrétní služby, a cestou snižování latence průchodu aplikačních (uživatelských) paketových dat mobilní sítí dále do Internetu. Zvyšování rychlostí bylo docíleno nejdříve ve směru downlink pomocí technologie HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), později ve směru uplink technologie HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), Rel.6. Další navýšení pak umožnil nástup technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) s prostorovým multiplexem 2x2 a také navyšování počtu stavů modulace QAM až na 64. Výsledkem byla technologie HSPA+. Stav vysokorychlostních mobilních sítí UMTS-HSPA a HSPA+ k počátku roku 2014 je prezentován na Obr

21 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 21 Obr. 2.12: Stav budování mobilních sítí UMTS-HSPA(+) k únoru 2014 se zastoupení jednotlivých dílčích vývojových stupňů (zdroj gsacom.com) Technologie HSPA+ se dále vyvíjí paralelně s technologií EPS (LTE), hlavně směrem k vyšším přenosovým kapacitám, čehož se dosahuje rozšiřováním kmitočtového pásma a zvyšováním počtu paralelních toků. Rozšiřování kmitočtového pásma se dosahuje pomocí techniky MC (multicarrier), kdy se sdružuje několik 3G standardních pásem o šířce 5 MHz (první verze byla označována jako Dual Carrier - DC-HSPA+), a to jednak spolu sousedících, což je ale v mnoha případech značně omezující, takže dalším stupněm vývoje je sdružováním vzájemně nesousedících pásem, a to v současnosti až do šířky 40 MHz (8-Carrier-HSPA+) s maximální dosažitelnou rychlostí 336 Mb/s ve směru download a 72 Mb/s ve směru upload. Rel. 12 slibuje maximální rychlost až 650 Mb/s. Zvyšování počtu paralelních toků je problematika dalšího rozvoje technologie MIMO (Multiple Input - Multiple Output), kdy je současná verze 4x4 MIMO. Poslední typy dle Rel.11 a Rel.12 jsou označovány jako HSPA+ Advanced.

22 22 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 2.13: Vývoj technologie HSPA (zdroj gsacom.com) Co se týče snižování latence pro uživatelská data, tak toho se dosáhlo jednak zkracováním parametru TTI (Transmission Time Interval), a pak zjednodušováním transportu uživatelských dat přes mobilní síť. To se odrazilo především v postupném zjednodušování rádiové přístupové sítě. Tento vývoj je zachycen na Obr. 2.14, kde lze vidět jednak redukci prvku typu kontrolér v síti RAN, a také oddělené zpracovávání řídicích a uživatelských dat. Obr. 2.14: Vývoj architektur pro přenos a zpracování řídicích a uživatelských dat

23 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 23 Uživatelská data tak mohou jít co nejkratší cestou a přes co nejmenší počet mezilehlých uzlů do Internetu. Výsledkem optimalizace byla technika přímého tunelu umožňujícího přímé propojení základnové stanice NodeB (s integrovanou funkcionalitou RNC) s hraničním uzlem mobilní sítě GGSN (Gateway GPRS Support Node), viz Obr Obr. 2.15: Porovnání konceptů původního způsobu a přímého tunelu pro uživatelská data v sítích 3G UMTS (zdroj 3gpp TR ) Separace řídicích a uživatelských (aplikačních) provozů je efektivně řešitelné opět za předpokladu existence oddělení transportní a funkční roviny pomocí flat-ip architektury, jak je to zachyceno na Obr. 2.16, kde je však dále prezentováno, že transportní sítě přístupové části systému a páteřní části jsou od sebe oddělené, především co se týče adresního prostoru a implementace bezpečnosti vzájemné komunikace. SGSN RNC GGSN Iu-PS síť Gn IP síť Obr. 2.16: Řešení propojení mezi jednotlivými logickými uzly s implementací přímého tunelu

24 24 FEKT Vysokého učení technického v Brně 2.3 Další technologické inovace pro další rozvoj mobilních sítí Technologie A/Gb/Iu flex V původních architekturách přístupových sítí mobilních sítí 2G a 3G je jeden základnový subsystém standardně připojen či přiřazen k jednomu nadřazenému uzlu v páteřní části mobilní sítě, a to ať už v okruhově spojované, tak i v paketově spojované doméně, viz Obr Je zde fyzicky vytvořena hierarchická architektura, kterou tedy musí dodržovat i logická architektura funkčních prvků. Obr. 2.17: Striktně hierarchická architektura standardního napojení základnových subsystémů na páteřní část sítě Způsob striktní fyzické hierarchie je nevýhodný v tom, že jestliže se nadřazený uzel ocitne mimo provoz, jsou služby v příslušné oblasti pokrytí nedostupné. Problém potencionální nedostupnosti služeb z důvodu striktně hierarchické architektury řeší technologie A/Iu/Gb-flex, dle 3GPP specifikace TS [53] dlouze pojmenované jako Intra-domain connection of Radio Access Network (RAN) nodes to multiple Core Network (CN) nodes, kdy jsou za pomocí ploché transportní infrastruktury (flat-ip) odděleny fyzická síť a funkční logika sítě. Tak jsou řídicí nadřazené prvky sdružovány do skupin, anglicky označovaných jako MSC- či SGSN-pool a základnové subsystémy BSS či RNS jsou

25 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 25 sdružovány do pool oblastí (Pool Area) a logicky napojeny na všechny nadřazené prvky MSC/SGSN ve skupině. Obr. 2.18: Princip A/Iu-flex v sítích 2G/3G Princip skupinové obsluhy služební oblasti pomocí více prvků MSC je zachycen na Obr Základnové subsystémy jsou sdružovány do tzv. Pool oblastí (Pool area). Každý základnový subsystém BSS je logicky spojen se všemi prvky MSC z dané skupiny. Na rozdíl od místních oblastí se pool oblasti mohou i překrývat. Když se mobilní stanice přihlásí do oblasti obsluhované skupinou MSC, tak je mu prostřednictvím směrovacího mechanizmu implementovaného v BSC/RNC přidělena konkrétní MSC, která zůstává přidělena v rámci dané oblasti. Při pohybu ve spravované oblasti a změně subsystému BSS či RNS, mobilní stanice danému kontroleru sdělí MSC návěští, tj. které má MSC přidělené, čímž je zachována vazba mezi stanicí a MSC. Jedna či více MSC z dané skupiny může obsluhovat také základnové subsystémy jiné místní oblasti či jiné pool oblasti. Výhodné tak je například vytvoření několika oblastí, které odděleně

26 26 FEKT Vysokého učení technického v Brně pokrývají rezidenční části města a společně pokrývají centrum města, kam jezdí lidé (účastníci mobilní sítě) za prací, takže se s velkou pravděpodobností budou nacházet stále ve stejné pool oblasti a nebude tak docházet ke změně, což by znamenalo realizaci procedury LA update, která je náročná na síťové prostředky i čas, kdy není účastník dočasně dostupný pro přicházející volání. Při pohybu a současné realizaci volání, se také tím omezí četnost složitých a časově náročných inter-msc handoverů. MSC má v rámci skupiny MSC přidělený identifikátor NRI (Network Resource Identifier), který jednoznačně identifikuje danou MSC ve skupině. V případě, že se pool oblasti překrývají, pak NRI musí jednoznačně identifikovat MSC mezi všemi MSC obsluhujícími všechny vzájemně se překrývající oblasti. Parametr NRI je součástí dočasného identifikátoru TMSI (4B), pro PS doménu je to P-TMSI, a v rámci skupiny je délka NRI konstantní. Jedna MSC může mít přiděleno více identifikátorů NRI. Délka NRI může být 0 až 10 bitů a jeho umístění v rámci TMSI znázorňuje obr Obr. 2.19: Pozice parametru NRI v rámci parametru TMSI Délka NRI v rámci dané skupiny konstantní a je nakonfigurována v každém kontroleru BSC či RNC. Pool oblasti pro CS a PS domény jsou na sobě nezávislé, a to až do úrovně základnového subsystému. Pro oblasti LA a RA platí, že musí vždy celé patřit do jakékoli pool oblasti, tedy buď pouze do jedné, nebo současně do všech překrývajících se oblastí. Vytvoření pool oblastí poskytuje následující výhody: obsluhování jedné oblasti více prvky MSC, zvětšení služební oblasti, tj. méně časté procedury LA update, nižší počet inter-msc handoverů a nižší zátěž pro HLR, snížení a zrovnoměrnění zátěže MSC v čase, rovnoměrné rozložení zátěže mezi prvky MSC, vyšší efektivita využití síťových zdrojů, větší spolehlivost sítě a dostupnost služeb, bezproblémové přidání či odebrání MSC do/ze skupiny, aj.

27 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO Sdílení síťových subsystémů mobilních sítí Sdílení určitých částí mobilní sítě mezi více operátory je jedním z moderních vývojových aspektů v oblasti mobilních sítí, které zefektivňuje využívání síťových zdrojů, a tak podporuje další rozvoj technologií a služeb a z pohledu účastníků vytváří prostor pro snižování cen za telekomunikační služby Důvody sdílení Sdílení určitých součástí mobilní sítě mezi více operátory je přitažlivé především z ekonomických důvodů, kdy tak lze relativně významně ušetřit náklady na provoz mobilní sítě, a to od jednotek až po desítky procent. Významné je to jako v oblastech s nízkým provozem, typicky venkovské či horské oblasti, tak i tam, kde je naopak provoz vysoký, typicky oblasti s administrativními, obchodními, technologickými, vzdělávacími a zábavnými centry, tedy centra měst, rozsáhlé oblasti s intenzivní průmyslovou výrobou, univerzitní a vzdělávací kampusy, rozsáhlé zábavní parky, apod Typy sdílení Existuje celá řada možností sdílení, z nichž nejčastějšími jsou: sdílení lokality pro umístění části rádiové přístupové sítě - základnové stanice, anténního systému, případně i kontroléru, sdílení stožáru pro umístění anténních systémů, sdílení rádiové přístupové sítě, sdílení transportní infrastruktury páteřní sítě, sdílení logických elementů páteřní sítě, sdílení mobilních sítí roaming. Schéma architektury mobilních sítí využívající sdílení rádiové přístupové sítě je zachycen na Obr Rádiovou přístupovou síť může provozovat buď samostatný operátor, ale nejčastěji je to jeden z operátorů vlastnící i zbylé části mobilní sítě.

28 28 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 2.20: Sdílení přístupové rádiové sítě V případě sdílení rádiové přístupové sítě základnové stanice vysílají systémové informace o dostupnosti služeb od více operátorů, způsob vysílání a formát zpráv je definován 3gpp dokumenty TS pro GERAN, TS pro UTRAN a TS pro E- UTRAN. Mobilní terminál si pak vybere nejvhodnějšího operátora (domovský operátor či roamingový partner s nejvyšší prioritou) a k němu se připojí, viz Obr Sdílené SGSN / Sdílené MSC / Sdílené MME R AN 1. System information Nepodporující UE 2. UE dekóduje možnost sdílení 3. Výběr sítě dle preferencí 4. LAU/RAU/ATTACH REQUEST 4. LAU/ RAU/ ATTACH REQUEST 5. CN rozhodne, zda se UE povolí přístup 6. LAU /RAU/ATTACH ACCEPT/REJECT Obr. 2.21: Chování terminálu podporujícího sdílení RAN

29 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 29 Koncová zařízení, která nepodporují techniku sdílení, zachytí pouze informaci o jedné dostupné síti společná PLMN, a je-li to vhodná síť, může se k ní připojit, viz Obr a 3gpp TS Sdílené SGSN / sdílené MSC / sdílené MME RAN 1. System information UE nepodporujícíí sdílení 2. UE nedekóduje možnost sdílení 3. Výběr sítě Společná PLMN je kandidátem 4. LAU/RAU/ATTACH REQUEST 4. LAU/RAU/ATTACH REQUEST 5. CN rozhodne, zda UE povolí přístup 6. LAU /RAU/ATTACH ACCEPT/REJECT Obr. 2.22: Chování terminálu nepodporujícího sdílení v prostředí sdílené RAN 2.4 Další možnosti zvyšování kapacity rádiového rozhraní mobilních sítí S nárůstem počtu služeb v samotných mobilních sítích či služeb přes mobilní sítě dostupných narůstá výrazně úroveň provozu, a tím i požadavek na zvyšování propustnosti mobilních sítí. Hlavní problém zvyšování kapacity je samozřejmě rádiové rozhraní, které tak tvoří tzv. úzké hrdlo v přenosovém řetězci, tedy místo, které nejvíce omezuje zvyšování propustnosti mobilních sítí. Dříve používané techniky navyšování typu adaptivních modulačních a kódovacích schémat již nelze ekonomicky efektivně dále rozvíjet, takže je zapotřebí najít schůdnější řešení. Hlavní z nich jsou zachycena na Obr Nejpřímější cesta je zvětšení šířky pásma, kterou ukazuje Shannon-Hartleyho rovnice, je navýšení kmitočtové šířky komunikačního kanálu. V současnosti je v oblasti stovek a jednotek tisíců MHz velmi obtížné najít pro více mobilních operátorů souvislé kmitočtové oblasti o šířkách desítek či stovek MHz, protože jsou tyto kmitočtové oblasti již z dřívější doby porozdělovány pro mnoho dílčích účelů. Takže cesta řešení vede přes agregaci nesouvislých dílčích kmitočtových kanálů.

30 30 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 2.23: Techniky dalšího možného zvyšování propustnosti rádiového rozhraní mobilních sítí Druhou možností je dále rozvíjet slibnou cestu využívající víceanténní systémy, tedy techniky MIMO (Multiple Input - Multiple Output) umožňující zvyšovat přenosovou kapacitu prostorového multiplexu, dále umožňující efektivnější využívání pásma v jednokmitočtových sítích omezováním interference pomocí tvarování vyzařovací charakteristiky do směru pro optimální příjem. Třetí variantou je zajistit co nejkvalitnější a rovnoměrné pokrytí území, a to pomocí velkých i malých buněk, vykrývacích rádiových jednotek a vzdálených rádiových modulů RRH (Remote Radio Head). To umožní používat ty nejvyšší modulační a kódovací schémata, která vykazují co nejvyšší počet bitů na symbol a současně nejvyšší kódovací poměr s minimem nutných zabezpečovacích bitů proti chybám.

31 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 31 3 Mobilní systémy LTE (EPS) 3.1 Mobilní sítě čtvrté generace Mezi mobilní sítě označované jako 4G se dnes řadí dvě hlavní technologie, a to EPS (Evolved Packet System) a dále technologie WiMAX m. Technologie EPS zahrnuje dva typy lišící se především v rádiovém přístupovém subsystému, a to LTE a LTE-Advanced. 3.2 Charakteristika sítě EPS Mobilní sítě EPS (Evolved Packet System) lze popsat následující sadou vlastností a parametrů: čistě paketová (all-ip) architektura, různé šířky kmitočtového pásma 1,4; 3; 5; 10; 15 a 20 MHz, jednopásmová síť, multiplexní technika rádiového rozhraní OFDM, využití víceanténních systémů technologie MIMO až se 4 paralelními toky, přenosové rychlosti až 100 Mb/s v pásmu šířky 20 MHz pro downlink (5 b/s/hz), až 150 Mb/s pro MIMO 2x2, teoreticky až přes 300 Mb/s pro MIMO 4x4, přenosové rychlosti až 50 Mb/s v pásmu šířky 20 MHz pro uplink (2,5 b/s/hz), OFDM pro DL, podpora MIMO až 4 toky pro DL, DFTS-OFDMA ( Single-Carrier FDMA ) pro UL, 1 tok pro UL, přijatelně nízký PAPR (Peak-to-Average Power Ratio), podpora duplexních technologií - jak FDD, tak i TDD, latence sítě - cca 5 ms na rádiu, do 50 ms napříč celou mobilní sítí, optimální parametry pro buňky do průměru 5 km, dobré parametry do velikosti 30 km, s akceptovatelnými komunikačními parametry pro buňky až do velikosti 100 km, optimální návrh pro pohyb rychlostí do 15 km/h, dobré parametry pro pohyb rychlostí do 120 km/h, podpora pohybu terminálů rychlostí až 350 km/h, integrace starších technologií (GSM/GPRS, UMTS, CDMA2000) do multi-rat sítě a zajištění mobility mezi nimi, aj.

32 32 FEKT Vysokého učení technického v Brně Dosažitelné hodnoty celkové propustnosti pro různé kmitočtové šířky kanálu a různé rádiové podmínky, tedy modulační schémata a použití techniky MIMO jsou pro směry downlink a uplink zachyceny v Tab. 3.1 a Tab Tab. 3.1: Parametry rádiové přístupové sítě a teoreticky dosažitelná přenosová kapacita ve směru downlink Šířka kanálu [MHz] 1, Počet zdrojových bloků DL Modulace MIMO Datová rychlost [Mb/s] QPSK ne 1,728 4,32 7,2 14,4 21,6 28,8 16QAM ne 3,456 8,64 14,4 28,8 43,2 57,6 64QAM ne 5,184 12,96 21,6 43,2 64,8 86,4 64QAM 2x2 10,368 25,92 43,2 86,4 129,6 172,8 64QAM 4x4 20,736 51,84 86,4 172,8 259,2 345,6 Tab. 3.2: Parametry rádiové přístupové sítě a teoreticky dosažitelná přenosová kapacita ve směru uplink Šířka kanálu [MHz] 1, UL Počet zdrojových bloků Modulace MIMO Datová rychlost [Mb/s] QPSK ne 1,8 4,5 7, , QAM ne 3,45 8,64 14,4 28,8 43,2 57,6 64QAM ne 5,184 12,96 21,6 43,2 64,8 86,4 3.3 Nástup mobilních sítí LTE První obilní sítě LTE se objevily na sklonku roku 2009, a to v severní Evropě v Norsku a Švédsku, které zprovoznil operátor TeliaSonera. Na další komerční realizace si svět musel více než půl roku počkat. Jak ukazuje Tab. 3.3 a Obr. 3.1, v roce 2010 bylo zprovozněno dalších 14 sítí, v roce 2011 jich bylo v provozu již 46, a do konce roku se předpokládá celkový počet sítí LTE větší než 350.

33 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 33 Tab. 3.3: Místa, operátoři a data uvedení několika prvních sítí LTE do provozu

34 34 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 3.1: Rozvoj sítí LTE ve světě do konce července 2014 s výhledem do konce roku Co se týče terminálů pro sítě LTE, tak nástup nabídky od počátku roku 2011 do léta 2014 je zachycen na Obr Z celkového počtu 1889 terminálů v polovině roku 2014 byla většina terminálů chytré telefony, směrovače, USB moduly a tablety. Obr. 3.2: Vývoj nabídky terminálů pro sítě LTE

35 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 35 V České republice byly první pokusy s testovacími provozy LTE realizovány v Praze od poloviny roku 2012, a to operátory O2 a T-Mobile. Třetí operátor Vodafone se připojil až téměř o rok později pilotním projektem v Karlových Varech. V současné době již všichni tři operátoři získali v aukci kmitočtová pásma a postupně pokrývají naše území: T-Mobile bloky A1+1xA2 (800MHz), tj. 2x(5+5) MHz, bloky 4xC (FDD 2600 MHz), část bloků B2 (FDD 1800 MHz), cena: 2,61 miliardy Kč. O2: Telefónica bloky 2xA2 (800MHz), tj. 2x(5+5) MHz, bloky 4xC (FDD 2600 MHz) část bloků B2 (FDD 1800 MHz) cena: 2,8 miliardy Kč, Vodafone blok 1xA3 (800MHz), tj. 1x(10+10) MHz, bloky 4xC (FDD 2600 MHz), část bloků B2 (FDD 1800 MHz), cena: 3,11 miliardy Kč. neúspěšní zájemci - Revolution Mobile a SAZKA Telecommunication Na Obr. 3.3, Obr. 3.4 a Obr. 3.5 jsou uvedeny mapy pokrytí území ČR třemi operátory Vodafone, O2 a T-Mobile, a to k září 2014

36 36 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 3.3: Pokrytí našeho území sítí LTE operátorem Vodafone - stav 09/2014 Obr. 3.4: Pokrytí našeho území sítí LTE operátorem O2 - stav 09/2014 Obr. 3.5: Pokrytí našeho území sítí LTE operátorem T-Mobile - stav 09/2014 Co se týče výstavby rádiové sítě v naší republice, dohodli se operátoři T-Mobile a O2 na společném postupu a sdílení, čímž ušetří každý z nich nemalé prostředky. Operátor Vodafone si buduje celou síť na vlastní náklady. 3.4 Architektura mobilní sítě EPS Mobilní sítě EPS sestávají ze dvou základních částí, viz Obr. 3.6: - rádiová přístupová síť E-UTRAN (EPS UTRAN), - páteřní síť EPS EPC (Evolved Packet Core).

37 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 37 Rádiová přístupová síť E-UTRAN se častěji označuje jako LTE (Long Term Evolution). Toto značení se dostalo ve známost široké veřejnosti, víceméně tak dalo jméno celé síti, takže většina běžné populace neoznačuje síť jako EPS, ale jako LTE, a málokdo ví, že je to správně označení pouze pro její rádiovou přístupovou síť. Na rádiovou přístupovou síť se napojují přes rozhraní LTE-Uu mobilní terminály označované jako UE (User Equipment). Obr. 3.6: Základní forma architektury sítě EPS Páteřní část sítě EPS je ta část, kde se odehrávají hlavní činnosti z pohledu základních řídicích procedur a kde se realizuje poskytování řady základních služeb. Těmi základními řídicími procedurami jsou myšleny: registrace uživatele zahrnující jeho: o autentizaci a

38 38 FEKT Vysokého učení technického v Brně o zaevidování pozice terminálu, oznámení změny pozice terminálu, zahajování služeb (sestavování relací), předávání aktivních relací spojené se změnou páteřních obslužných prvků či celé rádiové technologie, a řada dalších. Páteřní část je propojena jednak s rádiovou přístupovou sítí přes rozhraní S1, a jednak s globální datovou sítí Internetem, a to přes rozhraní Gi. Obr. 3.7: Architektura sítě EPS znázorňující základní stavební prvky sítě a některá komunikační rozhraní O něco podrobnější pohled na EPS síť poskytuje Obr Z obrázku je patrné, že rádiová přístupová síť E-UTRAN je tvořena pouze jedním prvkem, a tím je inteligentní základnová stanice enodeb (enb). Základnové stanice zajišťují pokrytí území signálem na bázi buňkového systému, kdy jedna základnová stanice pomocí sektorového systému vytváří i několik buněk současně. Základnové stanice sousedních buněk bývají vzájemně propojeny rozhraním X2 za účelem realizace rychlého handoveru. Základnové stanice přidělují koncovým zařízením UE rádiové zdroje, a to jak pro směr downlink, tak i uplink. Na páteřní síť se napojují přes dvě formy rozhraní S1, a to S1-U za účelem přenosu uživatelských

39 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 39 (aplikačních) dat, a S1-MME, pro přenos řídicích informací na úrovni mobilního systému EPS. Základními prvky páteřní části sítě EPS označované jako EPC jsou jedna řídicí prvky MME (Mobile Management Entity), HSS (Home Subscriber Server), PCRF (Policy and Charging Rules Function), a jednak prvky určené převážně pro přenos uživatelských dat, kterými jsou S-GW (Serving Gateway) a P-GW (Packet Data Network Gateway). Na Obr. 3.7 je také znázorněna možnost začlenění jiného typu přístupu, a to přístupu ze starších typů mobilních sítí (zde 3G UMTS) či z tzv. non-3gpp sítí, jako je například síť WiFi (IEEE ). Přes rozhraní SGi jsou dostupné buď služby Internetu, a nebo služby subsystému IMS (IP Multimedia Subsystem) Podpora kvalitativních požadavků služeb Síť EPS, jakožto čistě paketová síť, jednak s vysokými požadavky na efektivitu využívání síťových prostředků, především v rádiové přístupové síti E-UTRAN, a jednak se snahou v co nejvyšší míře uspokojit požadavky účastníků na vysokou kvalitu komunikace, musí řešit pečlivě přidělování zdrojů jednotlivým účastníkům a jejich jednotlivým službám. Řešení této problematiky zajišťuje subsystém PCC (Policy & Charging Control). Jedna z jeho možných architektur je zachycena na Obr. 3.8.

40 40 FEKT Vysokého učení technického v Brně Fixed Broadband Access NW Subscription Profile Repository (SPR) S9a Sp Np RCAF Rx AF Online Charging System (OCS) BPCF S15 Policy and Charging Rules Function (PCRF) Sy HNB -GW Gxx Gx Sd Gy BBERF PCEF PDN GW PCEF TDF Gz Gzn Gyn Offline Charging System (OFCS) Obr. 3.8: Architektura subsystému pro podporu účtování a zavádění politiky vůči datovým tokům Ústředními prvky je repozitář s pravidly pro poskytování kvalitativní podpory služeb i ceníkem za služby daných uživatelů, dále uzel PCRF (Policy and Charging Rules Function) poskytující potřebná data pro další součásti. Danou politiku zacházení pak uplatňuje prvek PCEF (Policy Control Enforcement Function), který je součástí výstupní brány mobilní sítě, v našem případě EPS P-GW. Služby jsou rozděleny do tříd, které jsou prezentovány v Tab Tab. 3.4: Identifikátory tříd podpory kvalitativních požadavků služeb

41 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 41 Rozpětí pro QCI Typ zdroje Úroveň priority paketové zpoždění Paketová chybovost Příklady služeb ms 10-2 Hlasová služba Důležité služby typu Push To Talk voice ms 10-3 Videokonverzační služba (Live Streaming) ms 10-3 Hry po síti ms 10-6 Video služba z úložišť (Buffered Streaming) GBR 65 0,7 75 ms 10-2 (např. MCPTT - Mission Critical Push To Talk) ms 10-2 Neurgentní služby typu Push To Talk voice ms 10-6 IMS signalizace ms 10-6 služby nad TCP (např. www, , chat, ftp, Video (Buffered Streaming), p2p sdílení souborů, progressive video, atd.) ms 10-3 Voice, Video (Live Streaming), Interaktivní hry 8 8 Non-GBR ms 10-6 služby nad TCP (např. www, , chat, ftp, Video (Buffered Streaming), p2p sdílení souborů, progressive video, atd.) 69 0,5 60 ms 10-6 Signalizace s vysokými nároky na zpoždění (např., MC-PTT signalizace) 70 5,5 200 ms 10-6 Vysoce důležitá data (např. služby shodné s těmi pro QCI 6/8/9) Výběr typu přístupu do EPC V současnosti v určité lokalitě je většinou dostupných více přístupových technologií, viz Obr. 3.9, a také většina současných terminálů podporuje několik technologií komunikace, takže vyvstává otázka, kterou přístupovou technologii pro určité služby zvolit, a jak to, pokud možno, zautomatizovat.

42 42 FEKT Vysokého učení technického v Brně Obr. 3.9: Konvergovaná platforma současných telekomunikačních systémů a služeb Nejjednodušším řešením je nastavení preferencí v samotném terminálu, kde se např. nastaví, že pro datové služby bude preferován přístup wifi před mobilní sítí, je-li wifi dostupná a je-li účastník k wifi síti připojen. V rámci vývoje systému EPS jsou definována 2 řešení: dle nastavení pravidel a parametrů rádiových přístupových sítí operátora, viz 3gpp TS , TS (kap. 5.6) a TS RAN poskytuje potřebné parametry v SystemInformationBlockType17 nebo ve zprávě RRCConnectionReconfiguration message, systémové řešení označované jako ANDSF (Access Network Discovery and Selection Function), viz 3gpp TS

43 Komunikační služby v sítích IP pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO 43 S14 ANDSF MME HSS 3GPP přístup S-GW PCRF důvěryhodný non- 3GPP přístup GW P-GW nedůvěryhodný non-3gpp přístup epdg EPS Obr. 3.10: Koncepce ANDSF pro asistovaný výběr přístupové technologie (3gpp TS23.402) Pro možnost asistovaného výběru, se UE nejdříve musí připojit přes defaultní přístup k EPS a navázat bezpečné spojení s ANDSF serverem, který na základě politiky operátory, vlastností uživatelského účtu, schopností terminálu a aktuální pozice terminálu poskytne za asistence terminálu potřebné údaje pro možnost výběru dalších přístupových technologií. Jedná se především o parametry: typ přístupové technologie (WLAN, WiMAX), identifikátor přístupového bodu (např. SSID pro WLAN), další technologicky specifické parametry pro přístup, rozsah platnosti podmínek přístupu Zkvalitnění pokrytí oblasti Jak již bylo uvedeno výše, jednou z cest, jak zvýšit propustnost mobilních sítí EPS je zajistit lepší pokrytí území kvalitním signálem. To je v sítích EPS řešeno pomocí tzv. zahušťováním sítě zvyšováním počtu přístupových bodů. To je kromě budování většího počtu menších základnových stanic a buněk typu pico a femto řešeno dalšími technikami: zavedení nového typu přístupu pomocí uzlů Home enodeb (HeNB), budování předávacích (vykrývacích) uzlů Relay Node, zavedení koncepce BBU-RRH (BaseBand Unit Remote Radio Head).

44 44 FEKT Vysokého učení technického v Brně Technika Home enodeb Řešení Home enodeb (HeNB) je založeno na vytvoření jedné či několika málo buněk typu femtocell pro využití uzavřenou skupinou uživatelů, tzv. CSG (Closed Subscriber Group), kdy buňky vytváří malé základnové stanice - přístupové body, tzv. Home enodeb. Připojení do sítě EPS operátora je realizováno zabezpečeně přes internetový přístup majitele rezidence či společnosti. Mezi přínosy pro skupinu patří především nižší cena za přístup ke službám, kvalitní pokrytí a zajištění správy přístupových bodů HeNB ze strany operátora. Koncepce tohoto způsobu přístupu je zachycena na Obr Prvky HeNB mohou být připojeny přes zabezpečený spoj s EPC přímo či pro větší konfigurace přes bránu HeNB GW. S1-U S1-U HeNB S1- MME S1- MME X2 S1- MME HeNB GW S1- MME EPC HeNB S1-U SeGW S1-U HeNB Mgmt System Obr. 3.11: Koncepce Home enodeb (3gpp TS ) Technika předávacích uzlů Relay Node Technika použití vykrývacích uzlů Relay Node - RN poskytuje operátorovi vylepšení a rozšíření pokrytí území, viz Obr Uzel RN je připojen k bezdrátově k obsluhující enb označované jako Donor enodeb DeNB přes řídicí rozhraní označované jako Un.