Сетевая подсистема

MTSO (MSC) - Центр коммутации мобильных служб

GMSC

Центр обслуживания вызовов и технической эксплуатации - ЦТЭ

ТА

где:

- МЕ - мобильное оборудование

- MS - мобильная станция

- SIM - Subscriber Identity Module - модуль идентификации абонента (SIM-карта), без которого MS работать не будет

- HLR - Home Location Register - регистр собственных абонентов - регистр исходного положения ("домашних" абонентов, "домашней" сети). В нем - вся информация об абонентах сети, данные о текущей зоне местонахождения MS, оплаченные услуги, ключи аутентификации - эта информация нужна для идентификации пользователя в сетях GSM.

Как только MS покидает текущую локальную зону местонахождения - LA, данные в регистре HLR обновляются.

- GMSC - шлюз между мобильным центром коммутации и другими сетями фиксированной и мобильной связи

- VLR - Visitor Location Register - регистр визитеров (гостей) - регистр местонахождения посетителей "гостей" сети с динамической базой данных, которая копируется из регистра HLR о конкретном абоненте, находящемся в данной локальной зоне - LA и местонахождении мобильной станции - MS.

Такая иерархия регистров VLR и HLR позволяет избежать частых обновлений HLR и передачи данных о пользователе на большие расстояния.

- ОМС - Operation and Maintenance Centre - центр оперативной эксплуатации (аналог TMN - сети управления телекоммуникациями) отвечает за управление и контроль всех объектов сети GSM через интерфейс "О"

( для сетей передачи данных Х.25 - через сеть сигнализации ОКС №7, или SS7), управление безопасностью, ведение расчетов (биллинг), мониторинг информационного обмена и т.д.

- AuC - центр аутентификации - обеспечивает конфиденциальность пользователей и защиту передачи данных, содержит алгоритмы аутентификации и ключи шифров, генерирует значения, необходимые для аутентификации пользователя в регистре HLR, частью которого и является сам центр аутентификации AuC.

- EIR - регистр опознавания оборудования - в нем хранятся списки действующего и неисправного оборудования, идентификация всех устройств, зарегистрированных для конкретной сети GSM. Так как MS - портативные устройства, их легко потерять. Другое лицо, у которого есть действующая SIM-карта (SIM - Subscriber Identive Module - модуль идентификации абонента), может использовать найденную мобильную станцию - MS. Поэтому в регистре EIR должен содержаться "черный" список (украденных или блокированных MS), "серый" список - MS на контроле, "белый" список - санкционированные пользователи.

- U_m - самый интересный радио интерфейс системы GSM, который обеспечивает механизмы уплотнения и доступа к среде. U_m - интерфейс "U" - цифровой сети с интеграцией услуг - ЦСИО (ISDN), приспособленный к мобильному окружению. Этот интерфейс обеспечивает связь между мобильной и базовой станциями.

- A_bis - интерфейс состоит из каналов с пропускной способностью 16,0кбит/с (канал D) или 64,0кбит/с (канал B).

Функции базовой трансиверной станции - BTS и контроллера базовых станций - BSC в подсистеме базовых станций - BSS в сети сотовой

связи GSM поколения 2G

Функции / Название систем	BTS	BSC
Управление радиоканалами		+
Переключение частоты (канала)	+	+
Управление наземными каналами		+
Соединение наземных каналов с радиоканалами		+
Кодирование и декодирование сигналов	+
Адаптация скорости передачи	+
Шифрование и дешифрование	+	+
Поиск мобильных станций MS	+	+
Измерение исходящего сигнала	+
Измерение информационного обмена		+
Аутентификация		+
Регистрация и обновление данных о местонахождении MS		+
Управление переключением базовых станций		+

Состав оборудования мобильной станции - MS:

Самая простая часть функциональной схемы MS состоит:

• МЕ - Mobile Equipment - мобильное устройство (оборудование).

• Модуля (смарт-карты) - SIM - Subscriber Identity Module - модуль идентификации абонента (подписчика), получаемой при заключении договора с Оператором сети сотовой связи.

• Как автомобиль имеет уникальный номер кузова, так и MS имеет собственный номер - IMEI - International Mobile Equipment Identity - международный идентификатор мобильного устройства, который может передаваться сети по ее запросу.

• SIM, в свою очередь, содержит IMSI - International Mobile Subscriber Identity - международный идентификационный номер (идентификатор) абонента (подписчика).

Разница между идентификаторами IMEI и IMSI: - IMEI - соответствует конкретной мобильной станции MS (№ оборудования).

• IMSI - соответствует конкретному абоненту (№ абонента).

Сетевая подсистема NSS - Network Subsystem, ядром которой является MSC - Mobile services Switching Center, управляет услугами подвижной связи и взаимодействием абонентов сети GSM и других типов сетей.

Элемент сети, выполняющий функции "мозга", называется MSC - Mobile (Services) Switching Center - центр коммутации мобильных служб. MSC иногда называют коммутатором.

Центров мобильной коммутации MSC в сети GSM может быть несколько.

MSC занимается маршрутизацией вызовов, формированием данных для биллинга (расчетов), управляет многими процедурами и т.д.

Следующими по важности элементами сети:

• HLR - Home Location Register - регистр собственных (домашних) абонентов.

• VLR - Visitor Location Register - регистр визитеров (гостей).

Регистр HLR содержит базу данных всех "собственных" абонентов, заключивших с Оператором данной сети сотовой связи договор. В базе данных хранится информация об идентификаторе IMSI пользователей, идентификаторе MS ISDN - Mobile Subscriber ISDN - мобильный телефон цифровой сети с интеграцией услуг, перечень доступных конкретной MS услуг и др.

В отличие от регистра HLR, который в системе один, регистров VLR может быть несколько и каждый из них контролирует свою часть сети.

В регистре VLR содержатся данные о всех мобильных станциях MS, которые находятся на его территории (причем обслуживаются не только мобильные станции своей сети сотовой связи, но и зарегистрированные в сети визитеры.

Как только пользователь покидает зону действия одного VLR, информация о нем копируется в новый регистр VLR, а из старого информация удаляется. Принципиальное отличие регистров HLR от VLR:

• в HLR расположена информация обо всех абонентах сети, независимо от их местоположения,

• в VLR данные только о тех абонентах, которые находятся на подведомственной этому регистру VLR территории. В регистре HLR для каждого абонента постоянно присутствует ссылка на тот регистр VLR, который с этим абонентом сейчас работает. При этом сам регистр VLR может принадлежать сети другого Оператора связи, расположенной, например, на другом конце Земли.

Исполнительной частью сети сотовой связи, является BSS - Base Station Subsystem - подсистема базовых станций.

.

.

BSS состоит из нескольких BSC - Base Station Controller - контроллеров базовых станций, а также нескольких BTS - Base Transceiver Station - базовых трансиверных станций.

Каждый BSC контролирует целую группу базовых трансиверных станций BTS и отвечает за управление и распределение каналов, уровень мощности базовых станций и т.д. Обычно BSC в сети не один, их множество (базовых станций - сотни).

Управляется и координируется работа сети с помощью OMC -Operation and Meintenance Centre - центр эксплуатации и обслуживания.

- MTSO (MSC) - Mobile Telecommunications Switching Office - коммутатор (центр) мобильных телекоммуникаций, его чаще называют: MSC - Mobile Switching Center - центр мобильной коммутации - обслуживает несколько BTS одновременно с помощью проводной, а иногда и беспроводной связи (радиорелейной, спутниковой). MSC (MTSO) устанавливает соединение в течение 10,0с между мобильными станциями MS, а также между устройствами стационарной связи (например, телефонным аппаратом, включенным в ТфОП) и MS сети сотовой связи.

MSC (MTSO) выделяет для каждого соединения речевой канал и в течение 10,0с и обеспечивает коммутацию соединения, а также контролирует это соединение в целях обеспечения расчетов (биллинга) за оказанные услуги.

Регистрация в сети сотовой связи.

При каждом включении мобильной станции MS после выбора сети начинается процедура регистрации.

Наиболее общий случай - регистрация не в "домашней", а в "гостевой", сети и услуга роуминга абоненту разрешена.

Мобильная станция MS передает идентификационный номер IMSI абонента в VLR гостевой сети. Идентификатор IMSI начинается с кода страны (первые три цифры), далее следуют две или, как правило, три цифры, определяющие домашнюю сеть, а затем - уникальный номер конкретного абонента. По номеру IMSI регистр VLR гостевой сети определяет домашнюю сеть и связывается с регистром HLR.

Из регистра HLR передается информация об абоненте в регистр VLR, который делает запрос, а у себя размещает ссылку на этот регистр VLR, чтобы в случае необходимости знать, "где искать" абонента.

Процесс определения подлинности (аутентификации) абонента:

При регистрации центр аутентификации AuC домашней сети генерирует

128-битовое случайное число - RAND - Random number, пересылаемое в мобильную станцию - MS пользователя, вызывающего услугу. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключа идентификации, который содержится в SIM) и специального алгоритма вычисляется 32-битовый ответ - SRES - Signed RESult по формуле:

SRES = Ki · RAND

Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в центре аутентификации AuC (по принятому из регистра HLR ключу Ki пользователя).

Если SRES мобильной станции пользователя совпадет со SRES, рассчитанным центром аутентификации AuC, процесс авторизации считается успешным.

Абоненту присваивается TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identity - врéменная идентификация (идентификатор) мобильного абонента (подписчика).

Временная идентификация мобильного абонента - TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия MS с сетью.

TMSI может периодически меняться (в том числе, смена регистра VLR при переходе MS в другую локальную зону местонахождения - LA).

Теоретически, при регистрации должен передаваться и идентификационный номер MS - оборудования мобильной станции - IMEI, но российские Операторы связи практически не обеспечивают отслеживание идентификатора IMEI мобильных станций. При получении идентификатора IMEI сетью, он направляется в регистр EIR, где сравнивается с так называемыми "списками" номеров:

• "Белый" список содержит номера санкционированных к использованию мобильных телефонов.

• "Черный" список состоит из идентификаторов IMEI, украденных или по какой-либо иной причине не допущенных к эксплуатации мобильных станций MS.

• "Серый" список - "MS с "проблемами", работа которых разрешается системой, но за которыми ведется постоянное наблюдение.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого регистра VLR с домашним регистром HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи.

Обычно период обязательной регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необходима для того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия.

В режиме ожидания мобильная станция MS только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает - процесс передачи начинается только в случае установления соединения.

При значительных перемещениях относительно сети таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново.

Поэтому при "выходе" MS из сети (например, был отключен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

Все абоненты случайным образом разбиваются на 10 равноправных классов доступа (с номерами от 0 до 9). Кроме того, существует несколько специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети и др.).

Информация о классе доступа хранится в SIM.

Особый, 10 класс доступа, позволяет совершать экстренные звонки (по номеру "112"), если пользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу, или вообще не имеет идентификатор IMSI (а, следовательно, SIM-карту).

В случае чрезвычайных ситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрыт доступ в сеть.

Территориальное деление сети и handover - переключение каналов.

Сеть состоит из множества BTS - базовых трансиверных станций (одна BTS - одна "сота", ячейка).

Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика BTS объединяют в группы - домены, получившие название LA - Location Area -зона местонахождения.

Каждой зоне местонахождения - LA соответствует свой идентификатор LAI - Location Area Identity - идентификация зоны местонахождения.

Один регистр VLR может контролировать несколько зон местонахождения LA.

Идентификатор зон местонахождения LAI размещается в VLR для задания местоположения мобильной станции - MS.

В случае необходимости именно в соответствующей зоне местонахождения - LA, а не в отдельной соте, производится поиск мобильной станции - MS пользователя.

При перемещении MS из одной соты в другую в пределах одной зоны LA перерегистрация и изменение записей в VLR / HLR не производится, но стоит мобильной станции - MS перейти на территорию другой зоны LA, начнется взаимодействие MS с сетью.

Каждый пользователь слышит периодические помехи в магнитоле во время езды в автомобиле от находящегося в режиме ожидания мобильного телефона - часто это является следствием проводимой перерегистрации (смены каналов) при пересечении границ зон местонахождения LA. При смене зоны местоположения LA идентификатор прежней зоны стирается из регистра VLR и заменяется новым идентификатором LAI, если же следующий LA контролируется другим регистром VLR, произойдет смена регистра VLR и обновление записи в регистре HLR.

Разбиение сети на зоны местонахождения LA довольно сложная инженерная задача, решаемая при построении каждой сети индивидуально.

Очень малые зоны LA приведут к частым перерегистрациям MS и, как следствие, к возрастанию трафика служебных сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов.

Если сделать зоны местонахождения LA большими, то, в случае необходимости установления соединения с мобильной станцией пользователя, сигнал вызова придется направлять всем базовым трансиверным станциям во все соты, входящие в зону расположения LA, что также ведет к неоправданному росту передачи служебной информации и перегрузке служебных каналов сети.

Алгоритм "handover" - переключение используемого канала на канал, находящийся в другой зоне местонахождения - LA в процессе соединения.

Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление MS от базовой станции BTS, многолучевая интерференция, перемещение MS в зону так называемой "тени" и т.п.) мощность (и, следовательно, качество) сигнала ухудшается. В этом случае происходит переключение соединения на другой канал с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения (ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего "handover").

"Handover " разделяют на четыре типа:

• смена каналов в пределах одной базовой трансиверной станции BTS;

• смена канала одной BTS на канал другой, но находящейся в зоне действия

этого же контроллера - BSC;

• переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными подсистемами базовых станций - BSC, но одним центр коммутации мобильной связи MSC;

• переключение каналов между BTS, за которые отвечают не только разные BSC, но и разные MSC.

В общем случае, проведение переключение каналов - handover - задача MSC.

Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover, чтобы снизить нагрузку на MSC и служебные линии связи, процессом смены каналов управляет BSC, который лишь информирует о происшедшем MSC.

Во время разговора мобильная станция - MS постоянно контролирует уровень сигнала от соседних BTS (количество таких каналов для систем GSM - до 16), за которыми необходимо вести наблюдение и измерение мощности излучения.

На основании этих измерений выбираются шесть лучших каналов, данные о которых постоянно (не реже раза в секунду) передаются в контроллер BSC и центр коммутации мобильной связи - MSC для организации возможного переключения.

Существуют две основные схемы переключения каналов – handover:

- "Режим наименьших переключений" - Minimum acceptable performance.

В этом случае, при ухудшении качества связи MS повышает мощность своего передатчика до тех пор, пока это возможно. Если, несмотря на повышение уровня сигнала, связь не улучшается (или мощность достигла максимума), то происходит переключение каналов - handover. - "Энергосберегающий режим" - Power budget. При этом мощность передатчика мобильного телефона остается неизменной, а в случае ухудшения качества меняется канал связи (режим handover). Инициировать смену каналов может не только MS, но и центр коммутации мобильной связи - MSC, например, для лучшего распределения трафика.

Маршрутизация вызовов в сетях сотовой связи

При поступлении запроса на установление соединения, например, от телефонной сети общего пользования (ТфОП) или другой сотовой сети связи в MSC - центр коммутации мобильной связи (мобильных служб) домашней сети, который "находит" нужный MSC по идентификатору мобильной станции IMEI, содержащий код страны и код сети.

Взаимодействие основных элементов сети сотовой связи при поступлении входящего вызова:

MSC передает в регистр HLR номер вызываемого абонента мобильной станции MS. Регистр HLR, в свою очередь, обращается с запросом к регистру VLR гостевой сети, в которой находится этот вызываемый абонент .

VLR выделяет один из имеющихся в его распоряжении MSRN - Mobile Station Roaming Number - номер роуминга мобильной станции.

Идеология назначения кода роуминга мобильной станции MSRN аналогична динамическому присвоению адресов IP при коммутируемом доступе в Интернет через модем.

Регистр HLR "домашней" сети получает от регистра VLR присвоенный мобильной станции номер роуминга MSRN и, сопроводив его адресом IMSI пользователя, передает в центр коммутации MSC домашней сети.

Заключительной стадией установления соединения является направление вызова, сопровождаемого идентификационными номерами (идентификаторами) IMSI и MSRN, в центр коммутации MSC гостевой сети.

Центр коммутации мобильной связи - MSC формирует специальный сигнал, передаваемый по PAGCH - PAGer CHannel - канал вызова - по всей локальной зоне LA местонахождения MS вызываемого пользователя.

Рассмотренные выше сотовые системы GSM имеют ограниченное число каналов, что создает проблемы в мегаполисах: часто приходится ждать уменьшения нагрузки системы.

Малая скорость передачи данных (9,6кбит/с) в системах GSM не позволяет передавать большие файлы данных и предоставлять широкополосные услуги.

Возможности роуминга также не безграничны, т.к. США и Япония развивают свои, несовместимые с системами GSM, цифровые системы беспроводной связи в тех же частотных диапазонах, что и GSM (1800мГц). Но дни GSM не сочтены, т.к. системы беспроводной связи третьего поколения 3G, олицетворяющие начало новой эры в развитии сетей сотовой связи, лишены перечисленных недостатков.

Увеличение пропускной способности ячеек сетей сотовой связи на примере ячейки GSM