Wireless networks - WAN

Определение:

WWAN (англ. Wireless Wide Area Network) — разновидность беспроводных компьютерных сетей, главной особенностью которой является широкая зона охвата.

Особенности WWAN, сравнение с WLAN

Основным различием между WWAN и WLAN является их зона охвата. В случае с WLAN это обычно небольшая площадь (дом, офис). Зона охвата WWAN же достигает гораздо больших размеров - район, город.

С точки зрения производительности, WLAN имеет значительное преимущество над WWAN. Из-за меньшей площади, которую она охватывает и меньшего числа клиентов, которое она обслуживает, WLAN может уделять больше внимания оптимизации скорости и производительности.

Из-за разницы в зоне охвата, WWAN не может использовать те же технологии, что и WLAN. Технологии WLAN имеют гораздо меньшую дальность действия, поэтому для того, чтобы покрыть большую площадь, потребуется много узлов. Вместо этого, WWAN использует технологии мобильных сетей, которые позволяют покрыть большие площади.

Однако, WLAN имеет и свои проблемы. В частности, существенным недостатком систем 802.11 является высокое энергопотребление. Данное требование к мощности обуславливает размер питающих элементов и делает непрактичным использование этих систем в компактных устройствах типа смартфонов.

В то время как распространяющаяся природа систем WWAN соблазнительна для потребностей маленьких мобильных устройств, более широкая полезность систем остается ограниченной. Действительно, скорость передачи данных систем сотовой связи доступная сегодня не достаточна для организации беспроводной сети полнофункциональных компьютеров. Чтобы как-то расширить возможности для передачи данных, сотовым компаниям приходится изобретать различные, весьма изотерические протоколы и службы, позволяющие компрессировать традиционную WEB-информацию и передавать её конечным пользователям. Одним из таких протоколов является WAP.

Wireless Access Protocol (WAP) – это в сущности ужатый протокол Wireless Markup Language (WML). WML очень похож на HTML, но созданный для отображения содержания интернет-страниц на маленьких дисплеях сотовых телефонов и смартфонов. В свою очередь, WMA обрабатывается шлюзом WAP, где сильно сжимается и преобразуется в протокол WAP и, затем, передаётся через беспроводные сотовые сети клиентам, подключенным к службе WAP. Все эти преобразования делаются для того, чтобы получить возможность передачи информации по очень низкоскоростным беспроводным каналам сотовых сетей.

Используемые технологии

Как уже было сказано, WWAN использует беспроводные технологии сотовой связи. Вот некоторые из них:

GSM

Определение:

GSM (англ. Global System for Mobile Communications) — стандарт сотовой связи второго поколения.

Структура сети

Сеть GSM делится на 2 системы. Каждая из этих систем включает в себя ряд функциональных устройств, которые, в свою очередь являются компонентами сети мобильной радиосвязи.

Система коммутации – Network Switching System

Система коммутации выполняет функции обслуживания вызовов и установления соединений, а также отвечает за реализацию всех назначенных абоненту услуг. В нее входят следующие функциональные устройства:

• Центр коммутации мобильной связи (MSC) - является главным элементом системы GSM, он осуществляет контроль за базовыми станциями и за контроллерами базовых станций, расположенными в его зоне обслуживания. Основная его функция заключается в установлении соединения между абонентами сети. Через него также осуществляется выход на другие сети связи: стационарную телефонную сеть, сети междугородной связи, другие сотовые сети.

• Домашний регистр местоположения (HLR) - содержит информацию об абонентах, которые приписаны к данному центру коммутации мобильной связи. В нем хранится информация о подключенных услугах, о его состоянии (включен, выключен, активное соединение), местоположении абонента и некоторая другая информация. Информация о каждом абоненте храниться лишь в одном домашнем регистре местоположения.

• Визитный регистр местоположения (VLR) - в нем хранится информация об активных абонентах, которые находятся в зоне обслуживания данного центра коммутации мобильной связи. В него занесены данные и о домашних абонентах, приписанных к данному центру коммутации мобильной связи и о так называемых роумерах – абонентах, для которых данный центр коммутации мобильной связи гостевой. Это могут быть абоненты других операторов связи, либо абоненты того же оператора, но из других регионов. В визитный регистр местоположения информация поступает из домашнего регистра местоположения.

• Центр аутентификации (AUC) - предназначен для аутентификации абонентов. Эта процедура предназначена для предотвращения несанкционированного доступа в сеть. Каждый раз, когда абонент включает свой телефон, совершает голосовой вызов, отправляет SMS и т.п. сеть предлагает пройти процедуру аутентификации. Ее осуществляет центр коммутации мобильной связи на основании данных полученных из центра аутентификации.

• Регистр идентификации абонентского оборудования (EIR) – это база данных, содержащая информацию о идентификационных номерах мобильных телефонов GSM. Данная информация необходима для осуществления блокировки краденых трубок. Регистр идентификации абонентского оборудования не является обязательным элементом сети. В мире существует лишь несколько операторов, которые внедрили его в своей сети.

Система базовых станций - Base Station System (BSS)

Система базовых станций отвечает за все функции, относящиеся к радиоинтерфейсу. Эта система включает в себя следующие функциональные блоки:

• Контроллер базовых станций (BSC) - управляет всеми функциями, относящимися к работе радиоканалов в сети GSМ. Это коммутатор большой емкости, который обеспечивает такие функции, как хэндовер, назначение радиоканалов и сбор данных о конфигурации сот. Каждый центр коммутации мобильной связи может управлять несколькими контроллерами базовых станций.

• Базовая станция (BTS) - управляет радиоинтерфейсом. Она включает в себя такое радиооборудование, как трансиверы (приемо-передатчики) и антенны, которые необходимы для обслуживание каждой соты в сети.

Элементы сети относящиеся к пакетной передаче данных

• Узел обслуживания абонентов GPRS (SGSN) - Пакетные данные в отличии от голосового трафика передаются от подсистемы базовых станций не в сторону центра коммутации мобильной связи, а в сторону узла обслуживания абонентов GPRS. Этот элемент представляет собой маршрутизатор с расширенными функциями. На него возложены функции установления сессии пакетной передачи данных, маршрутизации пакетов, начисления платы за предоставленные услуги.

• Шлюзовой узел GPRS (GGSN) - представляет собой шлюз сети. Если пакеты маршрутизируются за пределы сети оператора, то они попадают именно в шлюзовой узел GPRS. Этот элемент часто конструктивно объединяется вместе с узлом обслуживания абонентов GPRS в одном устройстве.

UMTS

Определение:

UMTS (англ. Universal Mobile Telecommunications System) — стандарт сотовой связи третьего поколения.

Стандарты третьего поколения пришли на смену стандартам 2G. В первую очередь их появление обусловлено возросшими потребностями абонентов в скорости передачи данных. Скорость передачи данных для сетей UMTS может достигать 2Мбит/сек. Благодаря технологии HSDPA-High Speed Downlink Packet Access (3.5G), которая была внедрена в 2006 году максимальная скорость возрасла до 14 Мбит/сек.

Рассмотрим структуру системы UMTS и ее основные отличия от стандарта второго поколения GSM.

Структура сети

Подсистема коммутации

В первых релизах стандарта UMTS (R99, R4) подсистема коммутации не отличалась по своей структуре от той же подсистемы сетей второго поколения. В нее входили MSC – Mobile Switching Centre (центр коммутации мобильной связи), который выполнял функции коммутации, установления соединения, тарификации и др., а также ряд регистров - домашний регистр местоположения, визитный регистр местоположения и центр аутентификации, которые предназначены для хранения абонентских данных. В более поздних релизах (R5, R6, R7,R8) функции центра коммутации мобильной связи были разделены между двумя устройствами: MSC-Server и MGW (медиашлюз). MSC-Server отвечает за установление соединений, тарификацию, выполняет некоторые функции аутентификации. Медиашлюз представляет собой коммутационное поле, подчиненное MSC-Server.

Подсистема базовых станций

В сети UMTS по сравнению с сетью GSM наибольшие изменения претерпела подсистема базовых станций. Отмеченные выше преимущества достигаются в первую очередь за счет новой технологии передачи информации между базовой станцией и телефоном абонента.

Контроллер сети радиодоступа (RNC) - он является центральным элементом подсистемы базовых станций и выполняет большую часть функций: контроль радиоресурсов, шифрование, установление соединений через подсистему базовых станций, распределение ресурсов между абонентами и др. В сети UMTS контроллер выполняет гораздо больше функций нежели в системах сотовой связи второго поколения.

NodeB – базовая станция системы сотовой связи стандарта UMTS. Основной функцией NodeB является преобразование сигнала, полученного от контроллера сети радиодоступа в широкополосный радиосигнал, передаваемый к телефону. Базовая станция не принимает решений о выделении ресурсов, об изменении скорости к абоненту, а лишь служит мостом между контроллером и оборудованием абонента, и она полностью подчинена контроллеру сети радиодоступа.

Оборудование абонента получило название UE (англ. User Equipment). Тем самым подчеркивается, что в отличии от предшествующих стандартов в UMTS может быть не только обычный телефон, но и смартфон, ноутбук, стационарный компьютер и т.п.

Пакетные данные в сети UMTS передаются от медиашлюза к известному нам по системе GSM узлу обслуживания абонентов, после чего через шлюзовой узел поступают к другим внешним сетям передачи данных, например Internet. Как правило, узел обслуживания абонентов и шлюзовой узел сети GSM применяются для тех же целей и в сети UMTS. Производится только коррекция программного обеспечения данных элементов.

LTE

Определение:

LTE (англ. Long Term Evolution) — стандарт сотовой связи четвертого поколения.

Стандарты третьего поколения позволяют предоставить широкий перечень мультимедийных услуг и поддерживают скорости передачи данных до 14Мбит/сек. Это вполне соответствует запросам абонентов в настоящее время. Однако, объемы передаваемой информации в телекоммуникационных сетях растут с каждым днем. Чтобы удовлетворить потребности пользователей по скорости передачи данных и набору услуг хотя бы на 20 лет вперед необходим новый стандарт, уже четвертого поколения.

Сети LTE поддерживают скорости передачи данных до 326,4 Мбит/сек. К примеру, загрузка фильма в хорошем качестве займет менее одной минуты. Таким образом, верхняя планка по скорости передачи данных практически снимается.

Структура сети

Из схемы сети LTE, представленной справа, уже видно, что структура сети сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные изменения претерпела и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации. Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией. Также подверглись изменению и протоколы передачи данных между сетевыми элементами. Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные.

Можно выделить следующие основные элементы сети стандарта LTE:

• Serving SAE Gateway или просто Serving Gateway – обслуживающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. По сути, заменяет центр коммутации мобильной связи, медиашлюз и узел обслуживания абонентов сети UMTS. Обслуживающий шлюз имеет прямое соединение с сетями второго и третьего поколений того же оператора, что упрощает передачу соединения в /из них по причинам ухудшения зоны покрытия, перегрузок и т.п.

• Public Data Network (PDN) SAE Gateway или просто PDN Gateway – шлюз к/от сетей других операторов. Если информация (голос, данные) передаются из/в сети данного оператора, то они маршрутизируются именно через него.

• Mobility Management Entity (MME) – узел управления мобильностью. Предназначен для управления мобильностью абонетов сети LTE.

• Home Subscriber Server (HSS) – сервер абонентских данных. Он представляет собой объединение домашнего регистра местоположения, визитного регистра местоположения и центра аутентификации, выполненных в одном устройстве.

• Policy and Charging Rules Function (PCRF) – узел выставления счетов абонентам за оказанные услуги связи.

Все перечисленные выше элементы относятся к системе коммутации сети LTE. В системе базовых станций остался лишь один знакомый нам элемент – базовая станция, которая получила название eNodeB. Этот элемент выполняет функции и базовой станции, и контроллера базовых станций сети LTE. За счет этого упрощается расширение сети, т.к. не требуется расширение емкости контроллеров или добавления новых.

Безопасность

Поскольку беспроводные сети не могут обеспечить физически безопасного канала передачи данных, в сетях WWAN для обеспечения безопасности, как правило, используются различные средства шифрования и аутентификации. Данные меры безопасности не следует, однако, переоценивать, поскольку уже известны случаи успешного взлома некоторых видов ключей шифрования в беспроводных сетях, а возможность взлома ключей GSM обоснована теоретически. Впрочем, случаев взлома ключей UMTS(3G) пока не известно.