ПТСМС / Planirovanie_radiosetei(2)
.pdfстандарты IS-95A, ANSI-J-STD-008 и TSB-74 и относится к поколению 2.5G
технологии CDMA. Основные преимущества этой системы включают частотное разнесение (т.к. нарушения/ошибки/помехи, зависящие от частоты передачи, имеют меньшее влияние на сигнал), повышенную конфиденциальность, так как в результате расширения спектра получают шумоподобные сигналы. К недостаткам системы относится радиоинтерфейс, который является самым сложным, мягкий хэндовер, который является более сложным, чем в системах TDMA/FDMA, разная мощность принимаемых сигналов (проблема ближних - дальних терминалов) и т.д.
1.3.3 GSM (Global System for Mobile Communication)
GSM была впервые разработана в 1980-х годах. С 1982 по 1985 в группе по разработке стандарта (GSM Group, организована CEPT) проводились обсуждения, чтобы выбрать между аналоговым или цифровым построением системы. После множества полевых тестов и т.д., было решено строить цифровую систему и использовать узкополосную схему TDMA. В качестве модуляции была выбрана Гауссова манипуляция с минимальным сдвигом (GMSK). Технические основы системы были готовы к 1987 году, и к 1990 году была разработана первая спецификация. В 1991 в Финляндии оператор Radiolinja запустил в коммерческую эксплуатацию первую цифровую сотовую систему GSM. GSM на сегодняшний день является самой популярной и широко внедренной системой сотовой связи, имеющей более миллиарда пользователей (в 2005 году). Такие функции, как оплата только исходящих вызовов, международный роуминг и др., привели к росту популярности системы. Конечно, это также привело к развитию небольших и легких многофункциональных телефонов. Помимо передачи речи в системе появилось большое количество услуг, таких как голосовая почта, SMS, ожидание вызова и т.д. SMS имела феноменальный успех: к 2000 году каждый месяц отправлялось почти 15 млрд. SMS-сообщений. Ключевым преимуществом GSM систем было высокое цифровое качество передачи голоса и низкие по стоимости альтернативы голосовым вызовам, такие как обмен текстовыми сообщениями. Преимуществом для сетевых операторов была возможность развертывать оборудование от различных производителей, так как открытый стандарт обеспечивает его совместимость.
Система GSM работает на различных радиочастотах, но наиболее часто на частотах 900 МГц и/или 1800 МГц. В США и Канаде система работает на частотах 850 МГц и/или 1900 МГц. В диапазоне 900 МГц полоса частот восходящей линии связи составляет 935-960 МГц, а полоса частот нисходящей линии связи составляет 890-915 МГц. Таким образом, для каждого направления выделена полоса частот в 25 МГц, которая разделяются на 124 канала шириной 200 кГц. Каждый радиочастотный канал содержит восемь речевых каналов. Радиус соты в сети GSM варьируется в зависимости от высоты антенны, усиления антенны, условия распространения и т.д. Эти
11
факторы варьируют размер сот от нескольких сотен метров до нескольких километров. В связи с этим, в сети GSM выделяют четыре размера соты:
макро (macro), микро (micro), пико (pico) и зонтичный (umbrella). Макро соты являются самыми крупными, а пико и зонтичные соты является наименьшими.
Архитектура системы
Мобильная система имеет две основные составляющие: фиксированная инфраструктура (сеть) и мобильные абоненты, которые пользуются услугами сети. Фиксированную сеть можно снова разделить на три подсети: радиосеть, сеть мобильной коммутации и сеть управления.
Эти подсети называются подсистемами. Соответствующие три подсистемы – это:
−Подсистема базовых станций (Base Station Subsystems, BSS);
−Подсистема коммутации (Switching and Management Subsystem, SMSS);
−Подсистема ТОиЭ (Operation and Management Subsystems, OMSS).
Радиосеть – подсистема базовых станций
Эта подсистема включает в себя контроллер базовых станций (Base Station Controller, BSC) и базовые приемопередающие станции/базовые станции (Base Transceiver Station/Base Station (BTS/BS). Мобильная станция
(Mobile Station, MS) взаимодействует с сотовой сетью через базовую станцию. BTS обычно располагается в центре соты. BTS предоставляет радиоканалы для сигнализации и трафика данных пользователя в сотах. Кроме высокочастотной части (передатчик и приемник) она содержит всего несколько компонентов для обработки сигналов и протоколов. BS имеет от 1 до 16 трансиверов, каждый из которых представляет собой отдельный радиочастотный канал.
Основными задачами BSC являются:
−администрирование частотам,
−управление BTS,
−функции обмена.
Оборудование BSC может быть расположено совместно с оборудованием BTS, в своем собственной месте, или совместно с оборудованием центра мобильной коммутации (Mobile Switching Centre, MSC).
Сеть мобильной коммутации
Подсистема мобильной коммутации (MSS) состоит из центров мобильной коммутации и баз данных, которые хранят данные, необходимые для обеспечения маршрутизации и обслуживания. Коммутационный узел мобильной сети называется центр мобильной коммутации (MSC). Он
12
выполняет все функции коммутации узла коммутации фиксированной сети. Наземная сеть мобильной связи может иметь несколько центров мобильной коммутации, каждый из которых отвечает за часть зоны обслуживания. Контроллеры из подсистемы базовых станций подчинены одному MSC.
Выделенный шлюзовой MSC( Dedicated Gateway MSC, GMSC)
Он передает голосовой трафик между сетями фиксированной связи и сетями мобильной связи. При отсутствии соединений между коммутатором фиксированной сети и «входящим» MSC вызов маршрутизируется к GMSC. Это GMSC запрашивает информацию о маршрутизации в домашнем регистре
(Home Location Register, HLR) и маршрутизирует соединение к MSC, на территории которого в настоящее время находится мобильная станция. Соединения к другим мобильным международным сетям, маршрутизируются на центр международной коммутации (International Switching Centre, ISC)
соответствующей страны.
Домашний и гостевой регистр местоположения (Home and Visitor Location Registers, HLR and VLR)
Данная мобильная сеть имеет несколько баз данных. Два функциональных блока определены для синхронизации зарегистрированных абонентов и их текущего местоположения: домашний регистр местоположения (HLR) и гостевой регистр местоположения (VLR). Как правило, в наземной сети мобильной связи общего пользования (PLMN) есть один центральный HLR и один VLR для каждого MSC.
Домашний регистр местоположения (Home Location Register,HLR)
HLR хранит идентификационные данные пользователя всех абонентов, принадлежащих к области соответствующего GMSC. Это постоянные данные, такие как Международный идентификатор мобильного абонента (IMSI) отдельного пользователя, номер телефона пользователя в сети общего пользования (не то же самое, как IMSI), ключ аутентификации, дополнительные услуги, разрешенные абоненту и некоторые временные данные. Временные данные о модуле идентификации абонента (SIM) могут включать в себя такие элементы, как:
−адрес текущего VLR,
−номер, на который вызовы могут быть направлены,
−некоторые параметры передачи для аутентификации и шифрования.
Гостевой регистр местоположения (Visitor Location Register, VLR)
VLR хранит данные обо всех мобильных станциях, которые в настоящее время находятся в зоне обслуживания соответствующего MSC. VLR может отвечать за зону обслуживания одного или нескольких MSC. Мобильные станции могут находиться в роуминге и, следовательно, в зависимости от их текущего местоположения, они могут быть
13
зарегистрированы в одном из VLR их домашней сети или в VLR внешней сети.
Подсистема ТОиЭ (Operation and Maintenance Subsystem,OMSS)
Работа сети контролируется и поддерживается подсистемой техобслуживания и эксплуатации. Функции сетевого управления контролируются и инициируются из Центра технического обслуживания и эксплуатации (OMC). OMC имеет доступ как к GMSC так и к BSC. Некоторые из его функций:
−административные и коммерческие операции (абоненты, терминалы, статистика);
−управления безопасностью;
−конфигурация сети, эксплуатация, управление эффективностью;
−работы по техническому обслуживанию.
OMC конфигурирует BTS через BSC и позволяет оператору проверять подключенные компоненты системы.
Аутентификация пользователей и регистрация оборудования (User Authentication and Equipment Registration)
Две дополнительных базы данных отвечают за различные аспекты безопасности системы. Они основаны, прежде всего, о проверке оборудования и подлинности абонента, поэтому, базы данных служат для аутентификации пользователя, идентификации и регистрации. Конфиденциальные данные и ключи хранятся или генерируется в Центре аутентификации (Authentication Centre, AUC). Регистр идентификации оборудования (Equipment Identity Register, EIR) хранит серийные номера (присваиваются производителем) терминалов (IMEI), и может заблокировать доступ к услугам украденным мобильным станциям.
Адреса и идентификаторы (Addresses and Identifiers)
Мобильная станция (Mobile Station, MS)
Это оборудование, используемое мобильными абонентами для доступа к услугам. Они состоят из двух основных компонентов: мобильного оборудования (ME) и модуля идентификации абонента (SIM). В дополнение к Международному идентификатору мобильного оборудования (International Mobile Equipment Identity, IMEI) мобильная станция имеет идентификаторы абонента (IMSI и MSISDN или ISDN-номер мобильного абонента (Mobile Subscriber ISDN Number)).
Модуль идентификации абонента (Subscriber Identity Module, SIM)
SIM обеспечивает идентификацию мобильного оборудования. Некоторые абонентские параметры хранятся на SIM-карте и вместе с персональными данными используются абонентом. SIM-карта
14
идентифицирует абонента в сети. Для защиты SIM-карты от несанкционированного использования, абоненты вводят 4-разрядный персональный идентификационный номер (Personal Identification Number, PIN), прежде чем использовать мобильный телефон. PIN хранится на карте. Если PIN будет введен неправильно три раза подряд, карточка блокируется и может быть разблокирована только 8-битным личный разблокирующим ключом (Personal Unblocking Key, PUK), также хранящимся на карте.
Международный идентификатор мобильного оборудования
(International Mobile Equipment Identity, IMEI)
Этот серийный номер однозначно идентифицирует мобильную станцию на международном уровне. Он выделяется производителем оборудования и зарегистрируется сетевыми операторами, которые хранят их в регистре идентификации оборудования (EIR). IMEI представляет собой иерархический адрес, содержащий следующие поля:
−утвержденный код типа устройства (Type Approval Code, TAC): 6 десятичных знаков, централизованно назначается
−код страны финальной сборки (Final Assembly Code, FAC): 2 десятичных знака, присваивается производителем;
−(Serial Number, SNR): 6 десятичных знаков, назначается производителем;
−запасной (Spare, SP): 1 десятичный знак.
IMEI = TAC + FAC + SNR + SP.
С 1 января 2003 года была принята новая структура IMEI. Современная структура IMEI:
−назначенный код типа (Type Allocation Code, TAC): 8 знаков;
−серийный номер (Serial number, Serial No): 6 знаков;
−проверочный код (Check Digit): 1 знак.
Международный идентификатор мобильного абонента (International Mobile Subscriber Identity, IMSI)
При регистрации для обслуживания у оператора сети, каждый абонент получает уникальный идентификатор, Международный идентификатор мобильного абонента (IMSI), который хранится в SIM. Мобильная станция может работать, если SIM с валидным (действующим) IMSI вставляется в оборудование с валидным IMEI. IMSI также состоит из следующих частей:
−мобильный код страны (Mobile Country Code, MCC): 3 десятичных знака, международный стандарт.
−код мобильной сети (Mobile Network Code, MNC): 2 десятичных знака, для уникальной идентификации мобильных сетей в стране;
−номер идентификации мобильного абонента (Mobile Subscriber Identification Number , MSIN): не более 10 знаков, идентификационный номер абонента в мобильной домашней сети.
15
IMSI = MCC + MNC + MSIN и максимальная длина IMSI – 15 цифр.
ISDN-номер мобильного абонента (Mobile Subscriber ISDN Number, MSISDN)
Реальным телефонным номером мобильной станции является ISDNномер мобильного абонента. Он присваивается абоненту, так что MS может иметь несколько номеров MSISDN в зависимости от SIM-карты. Идентификация абонента не может быть получена по MSISDN, если IMSI и MSISDN не хранятся в HLR.
В дополнение к этому абонент может владеть несколькими номерами MSISDN для выбора различных услуг. Каждый MSISDN абонента зарезервирован для конкретной услуги (голос, данные, факс и т.д.). MSISDN имеют следующую структуру:
−код страны (Country Code, CC): до 3 десятичных знаков;
−национальный код назначения (National Destination Code, NDC): как правило, 2-3 десятичных знака;
−абонентский номер (Subscriber Number, SN): не более 10 десятичных знаков.
Роуминговый номер мобильной станции (Mobile Station Roaming Number, MSRN)
Роуминговый номер мобильной станции является ISDN-номером, зависящим от местоположения. Он присваивается VLR всем мобильным станциям, находящимся в его зоне ответственности. MSRN используется для маршрутизации вызовов к МС. По запросу MSRN передается от HLR к GMSC.
The MSRN has the same structure as the MSISDN. Компоненты CC и NDC принадлежат текущей сети, в которой находится МС. SN назначается текущим VLR и является уникальным в рамках сети мобильной связи. Назначение MSRN делается таким образом, чтобы по номеру абонента можно было определить текущий коммутационный узел MSC в гостевой сети (CC + NDC), и направить к нему вызов.
MSRN может быть назначен VLR двумя способами: либо при каждой регистрации, когда МС входит в новую зону местоположения (Location Area, LA) или каждый раз, когда HLR запрашивает его для установления соединения для входящих звонков к мобильной станции. В первом случае, MSRN также передаются от VLR в HLR, где он хранится для маршрутизации вызовов. При входящем вызове MSRN сначала запрашивается у HLR МС. При этом способе текущий MSC может быть определен, и вызов может быть направлен на этот коммутационный узел. Во втором случае, MSRN не хранится в HLR, так как он назначается во время установления соединения. Поэтому адрес текущего VLR необходимо хранить в таблицах HLR. При запросе информации о маршрутизации у HLR, HLR запрашивает у текущего
16
VLR действующий MSRN, используя уникальный идентификатор абонента (IMSI и MSISDN). Это позволяет дальнейшую маршрутизацию вызова.
Идентификатор зоны местоположения (Location Area Identity, LAI)
Каждая зона местоположения имеет свой собственный идентификатор. Идентификатор иерархическую структуру и является уникальным в международном масштабе. Он состоит из следующих частей:
−код страны (Country Code, CC): 3 десятичных знака;
−мобильный код страны (Mobile Country Code, MNC): 2 десятичных знака;
−код зоны местоположения (LAC): максимум 5 десятичных знаков, или максимум два байта.
LAI регулярно транслируется базовой станцией на широковещательном канале управления (BCCH). Таким образом, каждая ячейка однозначно идентифицируется по радиоканалу, и каждая мобильная станция может определять свое местоположение с помощью LAI. Если МС определяет изменение LAI, она просит обновить ее информацию о местоположении в VLR и HLR (обновление местоположения). При входящем вызове MSC запрашивает у VLR LAI для определения местоположения и вызова МС.
Временный идентификатор мобильного абонента (Temporary Mobile Subscriber Identity, TMSI)
Временный идентификатор мобильного абонента назначает текущий VLR, в зоне ответственности которого находится абонент. Идентификатор имеет значение только в этой зоне. Он используется вместо IMSI для идентификации и адресации MS. Поэтому невозможно определить личность абонента, слушая радиоканал, так как TMSI назначается только на время присутствия МС в зоне одного VLR, и даже может быть изменен в течение этого периода (ID (identity) hopping). TMSI хранится только в VLR и не передается в HLR.
Локальный идентификатор мобильного абонента (Local Mobile Subscriber Identity, LMSI)
VLR может назначить дополнительный ключ поиска каждой МС в пределах своей области, чтобы ускорить доступ к базе данных. Он называется локальный идентификатор мобильного абонента. LMSI добавляется в каждое сообщение, связанное с MS, которое отправляется в
VLR.
Установление и завершение вызова к мобильной станции
Рассматривается случай, когда человек, находящийся в городе А, делает вызов с телефона, подключенного к коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN) или ISDN, к мобильному абоненту,
17
находящемуся в городе B. Вызов состоится, только если мобильный телефон абонента включен. Если мобильный телефон включен, он осуществляет поиск сотовой сети, сканируя соответствующую полосу частот для некоторого канала управления, передаваемого рядом с МС. После обновления местоположения МС получает доступ к сети и уникальный серийный номер. После регистрации в сети МС переходит в режим ожидания, в котором она слушает вызывные каналов выбранной БС.
Поскольку абонент в настоящее время в городе А, MS определит БС в этой зоне. При движении МС из города А, в город Б МС будет определять падение уровня сигнала и искать БС с лучшим уровнем сигнала. Когда МС определяет более подходящую БС она проверяет ее каналы управления для определения зоны местоположения, к которой она принадлежит. Если она принадлежит к той же зоне местоположения, что и предыдущая БС, МС просто настраивается на канал вызова новой БС и продолжает следить за этом новым каналом, ожидая входящих вызовов. Если мобильная станция переместилась между БС, относящимся к разным зонам местоположения, то она выполняет обновление местоположения и информирует сеть о своем новом положении. Этот процесс перехода между БС в режиме ожидания называется хэндовером в режиме ожидания [4].
Процесс вызова инициируется человеком поднятием трубки и набором номера мобильного абонента. Получив номер с кодом зоны, ТфОП/ISDN сеть направит звонок на шлюзовой коммутатор мобильной сети, а также отправит телефонный номер мобильного абонента. Шлюзовой коммутатор затем запрашивает у HLR информацию о мобильном абоненте.
Как только вызов поступает в MSC, МС вызывается, чтобы информировать ее о входящем вызове. Вызов передается всеми БС зоны местоположения, в которой зарегистрирован абонент. На прием вызова МС отвечает, инициируя процедуру доступа. Процедура доступа начинается с отправки МС сообщения на БС с запросом канала. Базовая станция отвечает, посылая МС параметры выделенного канала и МС настраивается на этот канал. Выполняются определенные действия по идентификации мобильного абонента.
После установления выделенного канала управления, на этом канале выполняются процедуры обеспечения безопасности, такие как аутентификация абонента. После этого, сеть назначает выделенный речевой канал и БС и МС настраиваются на этот канал и устанавливают соединение. Видно, что до этого момента все процессы выполняются автономно мобильной станцией, и не требуется взаимодействия с абонентом. И как только эти процессы будут завершены, МС начинает звонить.
Теперь абонент может говорить и хэндовер может происходить между различными БС. После завершения вызова начинается процесс разъединения соединения. МС снова возвращается в режим ожидания и слушает канал вызова своей текущей ячейки.
18
Несколько криптографических алгоритмов используются для обеспечения безопасности в GSM, которые включают возможности аутентификации пользователей, обеспечение конфиденциальной передачи речи по радиоинтерфейсу и т.д. В модели безопасности GSM, однако, отсутствуют некоторые функции, такие как аутентификация пользователя к сети, а не наоборот (это функция, которая появилась в Универсальной системе мобильной связи, или UMTS).
Рисунок 1.1 – GSM и GPRS
Ограничения сетей второго поколения
Низкая скорость передачи. Сети 2G изначально разрабатывались для предоставления голосовых услуг абонентам. Поэтому эти сети предоставляют низкую скорость передачи. Хотя скорость передачи зависит от технологии, средняя скорость составляет десятки килобит в секунду.
Низкая эффективность для услуг пакетной коммутации. Существует спрос на доступ в Интернет, а не только у себя дома или в офисе, но и в роуминге. Беспроводной доступ в Интернет через сети 2G реализован неэффективно.
Множество стандартов. Имея множество конкурирующих стандартов, пользователь может обслуживаться только в сетях одного стандарта. Это позволяет пользователю лишь ограниченный роуминг. Поэтому технология сети 2G была полу-глобальной в этом отношении.
1.3.4 GPRS (General Packet Radio Service)
19
GPRS является услугой передачи данных, добавленной к GSM сети. Это сделано путем наложения радиоинтерфейса с пакетной коммутацией на существующую сеть GSM с коммутацией каналов (см. рис. 1.1 ). С точки зрения инфраструктуры, оператору просто нужно добавить пару узлов и сделать изменения в программном обеспечении для обновления существующей голосовой системы GSM до системы GPRS, в которой передаются и голос и данные. Голосовой трафик является трафиком с коммутацией каналов, а трафик данных – с коммутацией пакетов. При пакетной коммутации ресурсы используются только тогда, когда абонент фактически отправляет и получает данные. Это позволяет использовать радиоресурсы одновременно, разделяя их между несколькими пользователями. Количество данных, которые могут быть переданы, зависит от количества пользователей. Теоретическая максимальная скорость 171,2 кбит/с достижима в GPRS при использовании одновременно всех восьми временных интервалов. GPRS позволяет взаимодействие между мобильной сетью и Интернетом. Так как используются одинаковые протоколы, GPRS сеть можно рассматривать как подсеть Интернета, а телефоны с поддержкой GPRS рассматривать как мобильные хосты.
Тем не менее, существуют некоторые ограничения в GPRS сети, такие как низкая скорость (практическая скорость значительно ниже, чем теоретические скорости).
1.3.5 EDGE (Enhanced Data Rate for GSM Evolution)
Ограничения GPRS сети были в определенной степени устранены путем введения технологии EDGE. EDGE работает в TDMA и GSM системах. EDGE считается подмножеством GPRS, так как она может быть установлена
влюбой системе с GPRS. Это не альтернатива UMTS, но данная технология для нее. При использовании технологии EDGE 3G-услуги могут предоставляться на скорости более низкой, но сравнимой с UMTS. Максимальная скорость передачи может достигать 500 кбит/с (теоретически). Это осуществляется путем внедрения новой схемы модуляции 8-PSK (фазовая манипуляция) и будет сосуществовать с GMSK, которая используется в GPRS. Основным преимуществом внедрения EDGE является то, что существующие GSM сети можно модернизировать, предотвращая огромные затраты, необходимые для развертывания сетей 3G, и в то же время предоставляя услуги подобные сетям 3G. Основные особенности EDGE включают повышение пропускной способности на временной интервал (8.8 – 59.2 кбит/с на временной интервал), изменение модуляции GMSK на 8-PSK, снижение чувствительности сигнала 8-PSK и увеличение емкости и покрытия. Для внедрения EDGE требуется не так много изменений
воборудовании, за исключением некоторых аппаратных обновлений в BTS и некоторой модернизации программного обеспечения в сети.
20