Дефицит частотного диапазона привел к появлению схемы сотовой связи, показанной на рис. 1.27, которая используется сейчас в мобильных сетях. Чтобы снизить вероятность возникновения радиопомех между пользователями, зона охвата разделена на ячейки сот. В пределах ячейки пользователям назначаются каналы, не затрагивающие друг друга и не вызывающие проблем для смежных ячеек. Таким образом обеспечивается эффективное использование спектра и повторное использование частотных диапазонов в соседних ячейках, что увеличивает пропускную способность сети. В системах первого поколения, которые передавали каждое голосовое сообщение в определенном диапазоне частот, приходилось тщательно выбирать частоты, чтобы не возникало конфликтов передачи данных в соседних ячейках. Одна частота могла использоваться в группе соседних ячеек только однократно. Современные 3G-системы позволяют каждой ячейке использовать полный диапазон доступных частот, обеспечивая при этом удовлетворительную работу соседних ячеек. Существует множество способов построения отдельных ячеек, например с использованием направленных и секторных антенн, позволяющих уменьшить взаимное влияние ячеек, но основная идея — одна и та же.
Рис. 1.27. Схема сотовой сети мобильных телефонов
Архитектура мобильной сети сильно отличается от Интернета. Мобильную сеть можно разделить на несколько блоков, как показано в упрощенной схеме архитектуры UMTS (рис. 1.28). Первый блок — радиоинтерфейс — название протокола радиосвязи, который используется при беспроводной передаче данных между мобильным устройством (например, сотовый телефон) и сотовой базовой станцией. Совершенствование радиоинтерфейса за прошлые десятилетия очень увеличило скорость беспроводной передачи данных. Радиоинтерфейс UMTS основан на множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA, Code Division Multiple Access), метод, который мы изучим в главе 2.
Сотовая базовая станция вместе с контроллером формирует сеть с радиодоступом. Этот фрагмент схемы — беспроводная сторона сети мобильных телефонов. Узел контроллера или RNC (Radio Network Controller, контроллер радиосети) управляет использованием спектра. Базовая станция обеспечивает радиоинтерфейс (так называемый «узел B»).
Остальная часть сети передает трафик в сеть с радиодоступом. Ее называют базовой сетью (core network). Базовая сеть UMTS происходит от базовой сети GSM, используемой в 2G-racreMax предыдущего поколения. Однако в базовой сети UMTS есть много интересных нюансов.
Рис. 1.28. Архитектура сети мобильной связи 3G UMTS
С начала существования сетей продолжается война между поклонниками пакетных сетей (то есть подсетей без установления соединения) и теми, кто поддерживает сети с коммутацией каналов (то есть подсетей, ориентированных на соединения). Основные сторонники пакетов происходят из интернет-сообщества. В схеме без установления соединений каждый пакет двигается независимо от остальных. Как следствие, если во время сеанса некоторые маршрутизаторы выйдут из строя, то не возникнет никаких проблем, пока система может динамически реконфигурировать себя, позволяя последующим пакетам найти маршрут к месту назначения, даже если он отличается от того, который использовали предыдущие пакеты.
Сторонники сетей с коммутацией каналов принадлежат миру телефонных компаний. В телефонной сети звонящий должен набрать номер абонента и ждать, пока установится соединение, чтобы получить возможность говорить или передавать данные. Данное соединение устанавливает маршрут движения по телефонной сети, который остается стабильным, пока звонок не закончен. Все слова или пакеты следуют одним и тем же маршрутом. Если линия или коммутатор отключаются, вызов обрывается. Такой вариант менее устойчив к ошибкам, чем сети без установления соединения.
Преимущество сетей с коммутацией каналов состоит в том, что в этом случае легче поддерживать качество обслуживания. Настраивая соединение заранее, подсеть может зарезервировать ресурсы, например частотную полосу канала, буфер коммутатора, и загрузку центрального процессора. Если предпринята попытка настроить вызов, а ресурсов недостаточно, вызов отклоняется и вызывающий получает своего рода сигнал «занято». Таким образом, как только соединение оказывается настроено, можно гарантировать высокое качество обслуживания.
Если в сети без установления соединения на один из маршрутизаторов поступает слишком много пакетов одновременно, произойдет сбой и маршрутизатор, вероятно, потеряет часть информации. Отправитель, в конечном счете, заметит это и снова их отправит. Такого уровня обслуживания будет недостаточно для работы с аудио или видео, особенно если сеть окажется загруженной. Очевидно, что обеспечение соответствующего качества звука волнует телефонные компании более, чем проблема соединения.
Особенность схемы, представленной на рис. 1.28, состоит в том, что в базовой сети используются и пакетная и канальная маршрутизация. Это демонстрирует промежуточное положение сетей мобильной связи, когда оба подхода реализуются как по отдельности, так и одновременно. Более старые сети использовали ядро с канальной маршрутизацией в стиле традиционной телефонной сети, чтобы передавать голосовые сообщения. Это же «наследие» можно заметить в сетях UMTS с элементами MSC (Mobile Switching Center), GMSC (Gateway Mobile Switching Center) и MGW (Media Gateway), которые настраивают сети с коммутацией каналов, такие как PSTN (Public Switched Telephone Network).
Цифровая обработка стала намного более важной частью мобильных сетей, начиная с возникновения обмена текстовыми сообщениями и появления ранних пакетных информационных протоколов, таких как GPRS (General Packet Radio Service) в системе GSM. Эти более старые информационные протоколы работали на скоростях в десятки килобит в секунду, но пользователи хотели больше. Скорость передачи пакетных данных в более новых сетях меряется уже в мегабитах в секунду. Голосовой звонок передается со скоростью 64 Кбит/с, а со сжатием — в 3-4 раза быстрее.
Чтобы передать все эти данные, основные сетевые узлы UMTS соединяются непосредственно с пакетно-коммутируемой сетью. SGSN (Serving GPRS Support Node) и GGSN (Gateway GPRS Support Node) доставляют и получают пакеты данных от мобильных телефонов и связывают их с внешними сетями с пакетной коммутацией, такими как Интернет.
Этот переход продолжится в сетях мобильных телефонов, которые разрабатываются и запускаются в настоящее время. Используются даже специальные интернетпротоколы для мобильной телефонии, чтобы настроить соединения для голосовых сообщений по сетям с пакетной коммутацией, например IP-телефония. IP и пакеты используются на всех уровнях — от радиодоступа до базовой сети. Конечно, методика, по которой создаются IP-сети, также изменяется, чтобы обеспечивать лучшее качество обслуживания. Если бы так не происходило, то проблемы с прерванным аудио- или видеопотоком заставили бы платежеспособных клиентов усомниться в данной технологии. Мы еще вернемся к этой теме в главе 5.
Другое различие между мобильными сетями и традиционным Интернетом — движение. Когда пользователь перемещается из района действия одной базовой станции в другой район, поток данных должен перенаправляться между базовыми станциями. Этот метод известен как переадресация вызова и проиллюстрирован на рис. 1.29.
Мобильное устройство или базовая станция могут запросить смену базовой станции, когда качество сигнала понижается. В некоторых сетях, обычно основанных на CDMA-технологии, можно соединиться с новой базовой станцией прежде, чем будет разорвано соединение с предыдущей базовой станцией. Это повышает качество соединения, поскольку не происходит никакого перерыва в обслуживании. В течение непродолжительного времени мобильный телефон соединяется с двумя базовыми станциями одновременно. Этот способ передачи данных называют мягкой передачей, в отличие от жесткой передачи, при которой мобильный телефон разъединяется со старой базовой станцией прежде, чем успевает соединиться с новой.
