15 Мобильная связь 4-го поколения

Радиоканалы

Термин «радиоканалы» обычно используют, чтобы описать все каналы в радиоэфире: как в нисходящем потоке, так и в восходящем; как в режиме FDD, так и в TDD.
На рис. 15.30 приводится взаимодействие логических, транспорт­ных и физических каналов «вниз» (от eNB к MS).


РССН ВССН СССН DTCH DCCH мтсн мссн





Рис. 15.30. Взаимодействие логических, транспортных и физических каналов


«вниз»

Мобильная связь 4-го поколения

155


Логические
каналы


Транспортные
каналы


Физические
каналы


СССН DCCH DTCH





UL-SCH


Рис. 15.31. Взаимодействие логических, транспортных и физических каналов
«вверх»


В каналах PDCCH, PHICH и PCFICH передаётся управляющая ин­формация для мобильной станции DCI (Downlink Control Information — управляющая информация «вниз»).
На рис. 15.31 приводится взаимодействие логических, транспорт­ных и физических каналов «вверх» (от MS к eNB).

11. 
    Аутентификация и шифрование в LTE
    

В стандарте GSM была предусмотрена аутентификация только мобильной станции (см. раздел 11.2). Это допускало возможность несанкционированного доступа с использованием ложной базовой станции. Поэтому уже в UMTS была введена взаимная аутентифика­ция: не только сеть аутентифицирует мобильную станцию, но и МС аутентифицирует сеть, чтобы устранить возможность атак (несанк­ционированного доступа) с использованием ложных элементов сети. Кроме того, дополнительные проблемы могут возникнуть из-за того, что в системах 3-го и 4-го поколений часть трафика проходит через незащищенные сети Интернета. А при использовании фемтосот (см. раздел 13.4) даже аутентификация проходит через Интернет. Поэто­му в сетях LTE предусмотрена взаимная аутентификация, защита це­лостности данных и шифрование внутри и между различными сетями. В сетях LTE предусмотрены два уровня защиты передаваемых по сети данных: NAS (Non Access Stratum — уровень без доступа) и AS (Access Stratum — уровень с доступом). Уровень NAS устанавливает сессии связи между мобильными станциями и ядром сети прозрачно через радиоподсистему (аутентификация, шифрование, управление вызова­ми и мобильностью).
В разделе 11.2 мы видели, что вектор безопасности (триплет) состоял из следующих компонент: RAND, SRES, Кс.

156

Глава 15


В LTE вектор безопасности имеет вид:
RAND, AUTN,XRES, (15.1)


где:
RAND (Random) — случайное число (ранее мы назвали это число паролем);
AUTN (Authentication TokeN) — аутентификационный знак;
XRES (eXpected RESponse) — ожидаемый отклик (на пароль);
Kasme ~ ключ безопасности для вычисления других ключей (Access Security Management Entity).
Для входа в сеть мобильная станция передаёт свой идентифи­катор при первом подключении IMSI, при последующих подключениях передаются временные идентификаторы M-TMSI, S-RNTI или C-RNTI (см. рис. 15.22 и 15.23).
Идентификатор мобильной станции поступает на узел управле­ния мобильности ММЕ. ММЕ присоединяет к номеру IMSI мобильной станции (т. е. заменяет временный идентификатор мобильной станции на постоянный) свой идентификатор публичной наземной сети PLMN ID. К этим двум идентификаторам добавляется код сети E-UTRAN. Полученная тройка чисел: IMSI, PLMN ID, Network (E-UTRAN) по­ступает на опорный сервер данных HSS. В ответ HSS вырабатывает вектор безопасности (15.1).
Как и ранее в GSM, в HSS для каждого IMSI существует ключ К (root Key — корневой ключ), этот же ключ записан в USIM-карте або­нента. В алгоритме по выработке ключа K_asme участвует кроме RAND и К ещё один параметр SQN (SeQuence Number — порядковый номер процедуры). Ключ К^те является ключевым параметром для выра­ботки различных ключей шифрования различных видов сообщений во всей сети LTE. На мобильную станцию поступают следующие числа:
RAND, AUTN, KSIasme, (15.2)
где KSUsme (Key Set Identifier) — идентификатор ключа установки.
На основе вектора (15.2) и ключа К в USIM-карте абонента вы­рабатывается отклик на пароль RES, ключ шифрования и ключ це­лостности. Отклик на пароль RES отправляется в ММЕ и, если он совпадает с XRES, то мобильная станция допускается в сеть (и ей присваивается новый идентификатор).
Кроме того, мобильная станция из (15.2) вычисляет специаль­ный код сети MAC (Message Authentication Code — код сообщения аутентификации) и, если он совпал с полученным из AUTN, то сооб­щает сети о завершении процедуры аутентификации. Если не совпал, то мобильная станция также посылает информацию об этом в сеть.

QCI	Тип ресурса	Прио­ ритет	Допустимая средняя задержка, мс	Относительное число пакетов, принятых с ошибкой	Примеры услуг
1	GBR	2	100	10-^2	Телефония
2	GBR	4	150	10~^3	Видеотелефония в реальном
					времени
3	GBR	3	50	ю-^3	Игры в реальном времени
4	GBR	5	300	10"^6	Видео в нереальном времени
					(с буферизацией)
5	Non-GBR	1	100	10"^6	Сигнализация IMS
б	Non-GBR	6	300	10“^б	Видео (с буферизацией)
7	Non-GBR	7	100	10~^3	Аудио, видео (в реальном
					времени), интерактивные игры
8	Non-GBR	8	300	О ! о 1-Н	Видео (с буферизацией),
					услуги, базирующиеся на TCP
9	Non-GBR	9

158

Глава 15


Как видно из табл. 15.10:

• 
  первые 4 класса относятся к группе с гарантированной скоростью
  

передачи;

• 
  классы 1, 2, 3 и 7 для услуг, предоставляемых в реальном вре­мени;
  
• 
  наивысший приоритет у сигнального трафика.
  

Сеть LTE на прямую не предусматривает передачу телефонного трафика, так как сеть создана только для пакетной передачи. Однако в настоящее время основные доходы операторы получают именно за телефонный трафик. Поэтому телефония важна для операторов и относится к 1-му классу.
Самый простой способ реализовать телефонную связь для або­нента в сети LTE — осуществить хэндовер в сеть 3G или 2G. Другой путь: использовать технологию Voice over IP (речь через Интернет). Если общая задержка в приходе пакетов не превосходит 300 мс, то качество связи будет приемлемым для абонентов. Сейчас уже су­ществуют и постоянно совершенствуются алгоритмы, обеспечиваю­щие такую максимальную задержку.

11. 
    Технология MIMO в LTE
    

Повышение качества услуг и повышение скорости передачи дан­ных в LTE связано с использованием технологии MIMO (Multiple In­put Multiple Output — множественный вход — множественный выход), т. е. с использованием нескольких передающих и нескольких приём­ных антенн.
На рис. 15.32 hij — передаточные характеристики канала для сиг­налов, излучаемых г-й антенной и принятых j-й антенной. Оценки передаточных характеристик получают по периодически передава­емым пилот-сигналам (обучающим последовательностям).
В технологии MIMO используются различные методы разделе­ния сигнала в передающем устройстве и различные методы обра­ботки сигнала в приёмном устройстве: пространственно-временное, пространственно-частотное и пространственно-поляризационное ко­дирование и сверхразрешение по направлению прихода сигнала.
Простейшая антенна MIMO состоит из двух вибраторов, ориен­тированных под углами +45° и -45° относительно вертикальной оси (рис. 15.33). Аналогичная антенна используется и на приёмной сто­роне. Такой подход позволяет одновременно передавать сигналы с одинаковыми несущими, но модулированные различными способами. В идеальных условиях это позволяет удвоить пропускную способность по радиоканалу.
Чаще всего в LTE используется метод пространственно-времен­ного кодирования Аламоути [20]. В этом методе используется две

Мобильная связь 4~го поколения

159








Рис. 15.33. Антенна MIMO
из двух вибраторов под уг-
лами + 45° и —45° отно-
сительно вертикальной оси


передающих и одна приёмная антенна: 2x1 (MISO — Multiple Input — Single Output — множественный вход — единственный выход). Метод основан на передаче разнесённых в пространстве и во времени копий передаваемых сигналов. Передаваемые сигналы разбиваются на бло­ки по два символа. Блок передаётся двумя антеннами на протяжении двух временных интервалов, длительность которых равна длительнос­ти символа. Приём осуществляется на одну антенну.
В первом временном интервале первая и вторая передающие ан­тенны передают два комплексных сигнала Si и S2. Во втором вре­менном интервале эти антенны передают сигналы, комплексно-сопря­женные с S2 и Si соответственно. При использовании предварительно полученных оценок передаточных характеристик hij несложно оценить действительную и мнимую части двух переданных символов. Таким образом, за два временных интервала получаются оценки четырех ин­формационных сигналов, т. е. пропускная способность удваивается. Обратим внимание, что при использовании двух антенн число пилот- сигналов, необходимых для оценки передаточных характеристик, так­же увеличивается в два раза.

11. 
    Управление частотным ресурсом в LTE
    

Управление частотным ресурсом осуществляется с целью дости­жения максимальной пропускной способности сети при обеспечении требуемого качества предоставляемых услуг. Каждому каналу трафи­ка соответствует набор параметров QoS, определяемых из табл. 15.10. Существуют специальные программы Scheduler (планировщик), раз­рабатываемые поставщиками оборудования. Эти программы выстра­ивают очередь из пакетов на передачу. При планировании плани­ровщик учитывает приоритеты, допустимые задержки и для ресур­сов с гарантированной скоростью передачи GBR - параметр PBR (Prioritized Bit Rate — приоритетная скорость передачи битов). В со­ответствии с выстроенной очередью пакетов и информации о качестве

Q Ю* 1 I	_ *00 I
-1	1 /
• -1	— •
11	01

Таблица 15.11 Таблица соответствия при ФМ-4 (QPSK) Биты сi, с*+1	Комплексный символ е*
00	^(1 + Л
01	^(-1 + Л
11	^(-1-Л
10	^(1 -л

Рис. 15.36. Созвездие сигнала ФМ-4 (QPSK)

	Q
• 1101	• 3 1001	- • 0001	• 0101
• 1100	. 1 1000	- • 0000	• 0100
-3 • 1110	-1 •-1 1010	1 - • 0010	3 / • 0110
1111	.-3 1011