Principy technologie UMA - Teorie a praxe telefonie

Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář
Kongresové centrum Hotelu Olšanka, 5. a 6. listopadu 2008
PRINCIPY TECHNOLOGIE UMA
Václav DOLEČEK
pracoviště: ČVUT FEL, Katedra telekomunikační techniky; mail: [email protected]
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
Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář
Kongresové centrum Hotelu Olšanka, 5. a 6. listopadu 2008
3
Možnosti využití technologie UMA
Technologii UMA se však dá využít i jiným způsobem než jen pomocí dvou-módových UMA
mobilních telefonů (viz obr. 2):
Mobilní páteřní síť
(Core Network)
Privátní TDM
přístup
Duální mobilka
podporující UMA
UNC
1
4
7
*
2
5
UNC - UMA Network Controller
3
6
8
9
0
#
Internet
Standardní
mobilka
UMA softwarový klient
Wi-Fi Access
Point
1
2
4
5
7
8
*
0
3
6
9
#
Domov
UMTS/GSM
Kancelář
Hot Spot
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
Kongresové centrum Hotelu Olšanka, 5. a 6. listopadu 2008
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
4.1
Klady a zápory technologie UMA
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
Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář
Kongresové centrum Hotelu Olšanka, 5. a 6. listopadu 2008
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
Up
UMA Network
Controller
(UNC)
HPLMN/PLMN
MSC
Gb
Generic IP
1
2
4
5
7
8
9
*
0
#
3
6
SGSN
Access Network
Wm
MS
SEGW
D‘/Gr‘
HLR
AAA Proxy/Server
Wd
Out of Scope
MS
SEGW
SMLC
CBC
Mobile Station
Security Gateway
Serving Mobile Location Centre
Cell Broadcast Centre
Obr. 3: Začlenění UNC do sítě mobilního operátora
strana 84
HPLMN (roaming case )
Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář
Kongresové centrum Hotelu Olšanka, 5. a 6. listopadu 2008
6
Protokolový model
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-CSR
GA-RC
GA-RC
TCP
Remote IP
IPSec ESP
BSSMAP
BSSMAP
TCP
SCCP
SCCP
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
Kongresové centrum Hotelu Olšanka, 5. a 6. listopadu 2008
8
8.1
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].
GAN Iu Mode
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
Teorie a praxe IP telefonie - 3. dvoudenní odborný seminář
Kongresové centrum Hotelu Olšanka, 5. a 6. listopadu 2008
8.2
Protokolový model
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
Kongresové centrum Hotelu Olšanka, 5. a 6. listopadu 2008
strana 88