PRINCIPY TECHNOLOGIE UMA

Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář PRINCIPY TECHNOLOGIE UMA Václav DOLEČEK pracoviště: ČVUT FEL, Katedra telekomunikační techniky; mail: dolecev@fel.cvut.cz Abstrakt: Unlicensed Mobile Access (UMA) je novou přístupovou sítí do páteřní sítě mobilního operátora. Umožňuje uživatelům pro volání nebo přenos dat z mobilního telefonu použít kromě klasické GSM/GPRS či UMTS sítě přístupu přes IP. Nejběžnější aplikací technologie UMA je použití dvoumódového mobilního telefonu umožňujícího připojení jak přes sítě GSM/GPRS, tak i přes sítě v nelicencovaném spektru jako Wi-Fi, Bluetooth nebo WiMAX. Příspěvek rozebírá motivace a důvody vzniku UMA, základní technické principy a charakteristické vlastnosti. Uvádí přehled používaných protokolů a seznamuje se způsobem implementace UMA do stávajících pevných i mobilních sítí. 1 Úvod Nástup služby přenosu hlasu přes protokol IP - VoIP (Voice over IP) umožnil operátorům pevných telekomunikačních sítí zlevnit služby poskytované zákazníkům. Odpadla jim totiž nákladná správa a budování přístupové sítě AN (Access Network), tzv. poslední míle, místo toho využívají datové IP připojení uživatelů k jejich poskytovatelům připojení k Internetu (ISP Internet Service Provider). Tyto úspory umožňují operátorům nabídnout uživatelům výhodnější tarify pro VoIP. Mobilní operátoři byli až do příchodu technologie UMA (Unlicensed Mobile Access) o podobnou možnost ochuzeni. UMA je novou přístupovou sítí do páteřní sítě (CN Core Network) mobilního operátora, umožňující roaming a předávání hovorů (handover) mezi datovými sítěmi LAN (Local Area Network) a mobilními sítěmi GSM/GPRS/UMTS za použití dvou-módových mobilních telefonů (MS Mobile Station). Tyto telefony musí umožňovat rádiové spojení jak s klasickou mobilní sítí, tak se sítí WLAN (Wi-Fi). Mobilní operátoři tak mají možnost poskytnout hlasové a datové služby přes sítě založené na protokolu IP s využitím další přístupové sítě (např. Wi-Fi). 2 Doporučení UMA byla vyvinuta skupinou operátorů a výrobců zařízení. První doporučení bylo vydáno 2. září 2004. V roce 2005 převzala doporučení pod svou správu skupina 3GPP (3rd Generation Partnership Project), kde je 8. dubna 2005 zveřejnili pod názvem Generic Access to A/Gb interface (3GPP TS 43.318 [1] a TS 44.318 [3]). Zároveň došlo k přejmenování technologie z UMA na GAN (Generic Access Network). Nový název je však mimo komunitu 3GPP málo znám a tak UMA zůstává běžnějším obchodním názvem. V roce 2006 výrobci představují první UMA zařízení a operátoři začínají nabízet služby založené na technologii UMA. 19. prosince 2007 3GPP vydává novou verzi doporučení, ve které definuje rozhranní (Iu) potřebná pro připojení do UMTS CN a umožňuje tím 3G operátorům využití technologie UMA. Vývoj této technologie stručně shrnuje obr 1. Obr. 1: Vývoj technologie UMA strana 81

1 4 7 * 2 5 8 0 # 3 6 9 1 4 7 * 2 5 8 0 3 6 9 # 3 Možnosti využití technologie UMA Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář Technologii UMA se však dá využít i jiným způsobem než jen pomocí dvou-módových UMA mobilních telefonů (viz obr. 2): Privátní TDM přístup Mobilní páteřní síť (Core Network) Duální mobilka podporující UMA UNC UNC - UMA Network Controller Standardní mobilka Wi-Fi Access Point Internet UMA softwarový klient Domov Kancelář Hot Spot UMTS/GSM UMA Femto buňky UMA terminálový adaptér Obr. 2: Možnosti využití technologie UMA Dvou-módový UMA mobilní telefon tato možnost byla stručně popsána již v úvodu. Femtobuňky tvoří je základnová stanice (BTS Base Transceiver Station) připojená přes IP do sítě operátora, která vysílá velmi malým výkonem a pokrývá tak jenom malou oblast (budovy, kanceláře, apod.), jsou menší než pikobuňky. Používá klasické GSM/GPRS rádiové rozhraní, tzn. připojí se na ni normální mobilní telefon. Odpadá tak nutnost pořizovat si nové mobilní telefony, které umožňují i UMA spojení, jejichž nabídka není dnes ještě moc široká. Jelikož femtobuňky pracují v licencovaném pásmu, vyvstává zde legislativní problém a mohou rušit signál z okolních základnových stanic. Z tohoto důvodu by mohly být nasazovány jen uvnitř budov, v podzemí a v součinnosti s mobilním operátorem a jeho frekvenčním plánováním. UMA terminálový adaptér další možností využití technologie UMA je připojení analogových telefonů pomocí terminálového adaptéru a stává se tak jakousi náhradou pevné linky. Uvnitř takovéhoto terminálového adaptéru však musí být SIM karta mobilního operátora pro ověření identity účastníka. UMA softwarový klient existuje také obdoba VoIP softwarových klientů (SIP/H.323) instalovaných přímo do osobních počítačů nebo notebooků. Tito UMA softwaroví klienti musí mít ale k počítači připojenou čtečku SIM karet, aby stejně jako u terminálového adaptéru ověřili účastníka. Pro přístup k informacím na SIM kartě z počítače lze využít i technologie Bluetooth, konkrétně SIM Access Profilu (SAP). GSM modul telefonu se v tomto případě odpojí a spojení se sítí operátora probíhá jen přes počítač. strana 82

Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář Typický mobilní telefon podporující technologii UMA může být v jednom ze čtyř různých módů činnosti: GERAN-only: V tomto módu je mobilní telefon připojen pouze přes buňkové mobilní sítě GSM/GPRS/UMTS. GERAN-preferred: Pokud jsou k dispozici buňkové sítě, tak je využije. Jinak provede spojení přes Wi-Fi. UMA-preferred: Pokud je v dosahu přístupový bod, používá Wi-Fi spojení, jinak buňkovou síť. UMA-only: Používá pouze Wi-Fi spojení. Ve všech případech, aby mohl určit polohu (LA Location Area), začne mobilní telefon po prvním zapnutí vyhledávat buňky GSM. Toto umožní mobilním operátorům směrovat volání na nejbližší UMA Network Controller (UNC), nastavit příslušný tarif a dostát dohodnutým roamingovým dohodám. 4 Klady a zápory technologie UMA 4.1 Výhody pro mobilní operátory Místo budování nákladných základnových stanic pro pokrytí většiny území umožňuje UMA mobilním operátorům zvyšovat pokrytí pomocí levných Wi-Fi přístupových bodů. UMA snižuje zatížení GSM a UMTS spektra přebráním běžných volání a jejich směrováním přes relativně levný internet. Lze tak např. vyřešit přetížení na místech, kde se vyskytuje hodně účastníků najednou (centra měst, letištní terminály, nákupní centra, apod.) Technologii UMA mohou s výhodou použít mobilní operátoři nabízející rovněž připojení k Internetu. Mohou ovlivněním ceny jedné služby dotovat druhou. Někteří mobilní operátoři již provozují síť Wi-Fi hotspotů (veřejně dostupných přístupových bodů). Mohou pak využít těchto hotspotů pro navýšení kapacity a kvalitnější pokrytí v oblíbených oblastech. Účastník nese velkou část nákladů na poskytnutí služby, sám platí totiž i za připojení k Internetu, čímž hradí podstatnou část za směrování jak příchozích, tak odchozích hovorů z jeho lokace. UMA Network Controller se připojuje ke stávající páteřní síti CN dobře definovanými, standardními rozhraními. UMA je navržena tak, aby pracovala s jakýmkoliv širokopásmovým IP připojením (např. DSL, kabelový modem, E1, ) a nevyžaduje od mobilního operátora přímé propojení s poskytovatelem širokopásmového přístupu. S technologií UMA mohou mobilní operátoři nabídnout své služby v jakémkoliv WLAN prostředí: doma, v kanceláři, v kavárně, ve škole, na letišti,. UMA je řešením nad IP a neovlivní ji například volba jiné fyzické vrstvy na rádiu. UMA funguje transparentně nad fyzickou a spojovou vrstvou (Wi-Fi, Bluetooth, WiMAX). 4.2 Výhody pro zákazníky Nemusí se spoléhat pouze na operátora a mohou si sami, například doma nebo v kanceláři, vykrýt místa s horším nebo žádným pokrytím GSM nebo UMTS signálem. Volání přes technologii UMA budou operátoři nabízet pravděpodobně levněji. Další výhodou je možnost i doma používat pouze jedno telefonní číslo s jedním telefonním přístrojem (místo mobilního telefonu a pevné linky). 4.3 Nevýhody Mobilní telefony musí podporovat Wi-Fi, což klade vyšší nároky na prostor v přístroji, jeho příkon a složitost. Toto v konečném důsledku může ovlivnit váhu a pohotovostní dobu použití telefonu. Uživatel platí za služby poskytnuté prostřednictvím technologie UMA jak mobilnímu operátorovi, tak poskytovateli internetového připojení, cena za výslednou službu pak není jednoznačně vidět. strana 83

1 2 3 4 5 6 7 8 9 * 0 # Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář UMA je rozšířením sítě mobilního operátora o přístup přes Wi-Fi a využívá jeho CN. Operátoři si jistě nechají za tyto služby platit. Účastníci pak mohou být překvapeni, proč jsou operátorem účtováni za data přenášená přes jejich připojení, které provozují na své náklady. 5 Síťová architektura UMA do struktury sítě příliš nových prvků nepřináší. Vlastně jde jen o UNC a mobilní telefon, který nyní kromě sítí GSM a GPRS musí být vybaven i Wi-Fi a rozšířeným firmwarem umožňujícím spojení přes Up rozhraní viz obr. 3. Síťové prvky mezi UNC a mobilním telefonem (např. i access point) na obrázku naznačeny nejsou, protože protokoly technologie UMA jsou přenášeny přes IPSec a prochází síťovými prvky transparentně. Ze strany ústředny (MSC Mobile Switching Centre) a SGSN (Serving GPRS Support Node) se UNC jeví jako další Base Station Controller (BSC). Obsahuje SEcurity GateWay (SEGW), která ukončuje zabezpečený IPSec tunel od mobilního telefonu, provádí oboustrannou autentizaci (jak účastníka, tak i operátora), šifrování, zabezpečuje integritu přenášené signalizace, hlasu a dat. Dále UNC poskytuje služby DHCP a DNS serveru, provádí registraci mobilních telefonů do sítě UMA, zabezpečuje handover do ostatních sítí (GSM/GPRS a UMTS) a transparentně přenáší zprávy protokolů, které již nesouvisí s přístupem ke službám, ale se službami samotnými (NAS - Non Access Stratum). Do sítě mobilního operátora se připojuje standardními rozhraními: A - přenos hovoru a signalizace s ním spojené, Gb - signalizace a GPRS data, Wm - autentizace účastníka do sítě UMA. Propojení s SMLC (Serving Mobile Location Centre) a CBC (Cell Broadcast Centre) jsou nepovinná. SMLC CBC Lb A HPLMN/PLMN Generic IP Up UMA Network Controller (UNC) Gb MSC Access Network SGSN MS SEGW Wm D /Gr AAA Proxy/Server HLR Wd MS SEGW SMLC CBC Mobile Station Security Gateway Serving Mobile Location Centre Cell Broadcast Centre Out of Scope HPLMN (roaming case) Obr. 3: Začlenění UNC do sítě mobilního operátora strana 84

6 Protokolový model Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář Pro znázornění používaných protokolů následuje velmi stručný popis protokolového stacku pro řízení při spojování okruhů. Přístupové vrstvy (Access Layers) a transportní IP vrstva (Transport IP) poskytují základní přístup mobilního telefonu k UNC. Na základě znalosti IP adres SEGW a mobilního telefonu se pakety směrují internetem. IPSec zajistí integritu a zabezpečení přenášených dat. TCP poskytuje spolehlivý přenos pro GA-RC (Generic Access - Resource Control), který se stará o přístup, registraci a celé řízení IP spojení mobilního telefonu s UNC. GA-CSR (Generic Access - Circuit Switched Resource) vykonává podobné funkce jako GSM-RR protokol. Jsou to zejména nastavení parametrů pro přenos hlasu, handover, paging a další. Protokoly jako MM (Mobility Management) a vyšší jsou přenášeny transparentně mezi ústřednou a mobilním telefonem. UNC zakončuje GA-CSR protokol, zpracovává jeho zprávy a překládá je na zprávy BSSMAP (Base Station Subsystem Management Application Part) na rozhraní A. Celý protokol stack pro řízení při spojování okruhů (Circuit Switch Control Plane) je zobrazen na obr. 4. Kromě tohoto protokol stacku jsou definovány ještě modely pro: řízení při spojování paketů (Packet Switch Control Plane), uživatelská data při spojování okruhů (Circuit Switch User Plane), uživatelská data při spojování paketů (Packet Switch User Plane), které se liší v protokolech vyšších vrstev (nad IpSec). Up interface A CC/SS/SMS CC/SS/SMS MM MM GA-CSR GA-RC TCP GA-CSR GA-RC TCP BSSMAP SCCP BSSMAP SCCP Remote IP IPSec ESP Remote IP IPSec ESP MTP 3 MTP 3 Transport IP Transport IP Transport IP MTP 2 MTP 2 Access Layers Access Layers Access Layers MTP 1 MTP 1 MS Generic IP Network UNC MSC Obr. 4: UMA protokolový model (řízení při spojování okruhů) 7 Další vývoj Začátkem roku 2007 vydalo 3GPP studii EGAN (Enhanced Generic Access Network) [4]. Nejvíce limitující částí při přenosu dat je v původním doporučení rozhraní Gb, které je založeno na Frame Relay. Byla tedy snaha nahradit toto úzké hrdlo rozhraním založeným na IP, nebo ho zcela vypustit. Některé ze základních požadavků na nový standard EGAN jsou: zpětná kompatibilita s GANem v 3GPP Rel-6 a Rel-7, snížení zpoždění v přenosu uživatelských dat, kompatibilita s vylepšeními v CN (pouze jedno tunelování PS služeb), dostupnost nejen pro GSM/GPRS operátory, ale i pro operátory provozující pouze síť UMTS. Na základě těchto požadavků byly navrženy tři alternativy budoucího standardu EGAN. strana 85

Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář 1. Enhanced Up: Nový UNC (EGANC Enhanced Generic Network Controller) je kombinací stávajícího a části funkcí SGSN. Na rozhraní Up protokolový stack pro spojování okruhů zůstává beze změn, dochází však ke změnám v protokolech u PS. Tento návrh splňuje většinu požadavků, kromě na možnosti propojení s UMTS. 2. Combined GANC/SGSN: Tento návrh plně integruje UNC a SGSN do nového prvku. Rozhraní Up zůstává beze změn. Ani zde není možné propojení s UMTS. 3. GAN Iu Mode: Jediný z návrhů, který umožňuje propojení UNC a UMTS CN. UNC je kromě rozhraní A a Gb možno připojit do CN i pomocí rozhraní Iu-CS a Iu-PS. Tyto UMTS rozhraní jsou již založena na Ethernetu, popřípadě na ATM. V tomto návrhu dochází rovněž ke změně v rozhraní Up, kde přibývá nový protokol GA-RRC (Generic Access - Radio Resource Control). Tento návrh byl vybrán a stal se součástí doporučení 3GPP TS 43.318 [1] a 3GPP TS 44.318 [3]. 8 GAN Iu Mode 8.1 Síťová architektura UMA Network Controller (UNC) je v GAN Iu modu propojen s adekvátními 3G síťovými prvky, jako při připojení do sítě 2,5 generace. Původní rozhraní A a Gb jsou nahrazena jim odpovídajícím 3G rozhranním Iu-CS a Iu-PS, jenž také daly novému módu jméno. UNC se ze strany ústředny a SGSN chová stejně jako další RNC (Radio Network Controller) ekvivalent BSC v 3G přístupové síti (UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network). Začlenění UNC do sítě operátora je zřejmé z obr. 5. Obr.5: UMA Iu Mode - Začlenění do sítě operátora strana 86

8.2 Protokolový model Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář Jak je patrné z obr. 6, v protokolovém modelu pro řízení spojování okruhů došlo na rozhraní Up jen ke změně protokolu GA-CSR za GA-RRC. GA-RRC (Generic Access Radio Resource Control) odpovídá RRC protokolu z UTRANu a obstarává i obdobné funkce (handover, paging, transparentní přenos NAS signalizace, ). UNC zakončuje GA-RRC protokol, zpracovává jeho zprávy a překládá je na zprávy RANAP (Radio Access Network Application Part) na rozhraní Iu-CS. Transportní vrstvy rozhraní Iu-CS (jak založené na ATM, tak i na IP) jsou definovány v doporučení TS 25.412 [5]. Kromě tohoto protokol stacku jsou definovány ještě modely pro: řízení při spojování paketů (Packet Switch Control Plane), uživatelská data při spojování okruhů (Circuit Switch User Plane), uživatelská data při spojování paketů (Packet Switch User Plane), které se liší v protokolech vyšších vrstev (nad IpSec). Obr. 6: UMA Iu Mode - Protokolový model (řízení při spojování okruhů) Literatura [1] Doleček, V.: Unlicensed Mobile Access rozšíření mobilních služeb do bezlicenčního spektra. Telekomunikace, 1-2/2008, str. 16-19. [2] Doporučení 3GPP TS 43.318. Generic access to the A/Gb interface; Stage 2. [3] Doporučení 3GPP TS 44.318. Generic Access (GA) to the A/Gb interface; Mobile GA interface layer 3 specification. [4] Doporučení 3GPP TR 43.902. Enhanced Generic Access Networks Study (EGAN). [5] Doporučení 3GPP TS 25.412. UTRAN Iu interface signalling transport. [6] UMA Today [online]. Dostupné z: <http://www.umatoday.com>. strana 87

Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář strana 88