АРХИТЕКТУРЫ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ. [сотовая связь; сеть 2G; стандарт GSM; архитектура сети GSM; сеть 3G]

[сотовая связь; сеть 2G; стандарт GSM; архитектура сети GSM; сеть 3G]

7.2. АРХИТЕКТУРА МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ СТАНДАРТА GSM

Сеть стандарта GSM охватывает территорию области, разделенной на соты[1] шестиугольной формы, диаметр которых может быть различным – от нескольких сот метров до десятков километров. Она включает несколько функциональных подсистем, функции и интерфейсы которых специфицируются:

· Мобильная Станция (MS – Mobile Station, англ.),

· Подсистема Базовой Станции (BSS – Base Station Subsystem, англ.), управляющая радио-соединением с Мобильной Станцией,

· Подсистема сети (NWS – NetWork Subsystem, англ.), основной частью которой выступает Центр Коммутации и Управления Мобильных услуг (MSC – Mobile services Switching Center, англ.), осуществляющий как собственно коммутацию абонентов, так и управление мобильностью.

· Центр Операций и Поддержки (OMC – Operations and Maintenance Center, англ.), отвечающий за корректность происходящих в сети операций и за подготовку к работе новых сетей.

На рис.7.1 изображена архитектура сети, основанной на стандарте GSM.

Мобильная станция состоит из терминала Мобильного Оборудования радиосвязи (ME – Mobile Equipment, англ.) и карточки, называемой Модулем Идентификации Абонента (SIM – Subscriber Identity Module, англ.). В SIM-карте содержится независящая от типа используемого оборудования информация о сервисах, предоставляемых абоненту. Карта может использоваться с любым другим GSM-терминалом, обеспечивая абоненту возможность получения через этот терминал всех сервисов системы, на которые он подписан. Мобильное оборудование уникально идентифицируется Международным Идентификатором Мобильного оборудования (IMEI – International Mobile Equipment Identity, англ.). SIM-карта содержит Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI – International Mobile Subscriber Identity, англ.), используемый для идентификации абонента системой; закрытый ключ авторизации доступа и некоторую другую информацию. Идентификаторы IMEI и IMSI взаимно независимы. SIM-карта может быть защищена от неавторизованного доступа системой паролей.

Подсистема Базовой Станции состоит из двух основных частей:

· Трансивера Базовой Станции (BTS– Base Transceiver Station, англ.),определяющего размеры ячейки и управляющего протоколами обмена сообщениями с Мобильной Станцией.

· Контроллера Базовой Станции (BSC– Base Station Controller, англ.), управляющего радиоресурсами одной или нескольких BTS и контролирующего установление радиоканала, смену частоты, процессы смены канала или ячейки.

Ключевым звеном Подсистемы Сети выступает Центр Коммутации и Управления (MSC). MSC функционирует как обычный узел коммутации таких сетей, как, например, ISDN, но с добавлением функций, необходимых для управления мобильностью абонента, а именно: регистрация абонента и его авторизация, процедура смены местонахождения, процедуры смены соты и канала, маршрутизация вызова к перемещающемуся абоненту. Эти сервисы предоставляются несколькими взаимодействующими компонентами Подсистемы Сети. MSC предоставляет возможность подсоединения к фиксированным сетям таким, как PDN, PSTN и ISDN. Протокол обмена сигналами между элементами Подсистемы Сети основывается на протоколе SS7 (Signaling System Number 7), используемого в ISDN и широко распространенного в других сетях общего назначения.

Регистр положения собственных абонентов (HLR – Home Location Register, англ.) и Регистр положения гостей (VLR – Visitor Location Register, англ.), вместе с MSC поддерживают маршрутизацию и возможность перемещения абонентов сети GSM.

В HLR хранится часть информации о местоположении какой-либо подвижной стан­ции, позволяющая MSC доставить вызов станции. HLR содержит IMSI, используемый для опознавания подвижной станции в Центре Авторизации (AuC – Authentication Center, англ.).

VLR осуществляет контроль перемещения подвижной станции из зоны в зону. Он обеспечивает функционирование под­вижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контрол­лера BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, ее регистрирует новый BSC, и в VLR заносится инфор­мация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвиж­ной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.

Для предотвращения несанкционированного использования ресурсов системы предус­мотрены механизмы удостоверения подлинности абонента. AuC состоит из нескольких блоков, формирующих ключи и ал­горитмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента, и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о пара­метрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентс­ких станций на основе базы данных, сосредоточенной в Регистре Идентифика­ции Оборудования (EIR– Equipment Identification Register, англ.).

Подсистема OMC обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. OMC обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала; обеспечивает проверку состояния сети и определяет возможность прохождения вызова; производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и выполняет некоторые другие функции.

Подсистема Базовой Станции общается с Центром Коммутации и Управления через A-интерфейс. Он обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова, управления передвижением. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации.

BTS и BSC общаются через стандартизованный Abis-интерфейс, позволяя взаимодействовать компонентам системы от разных производителей.

Интерфейс между MSC и HLR совмещен с VLR (В-интерфейс). Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру местоопределения с MSC, он информирует свой VLR, который заносит всю изменяющуюся информацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области местоопределения в другую. В случае, если абонент запрашивает специальные дополнительные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR.

С-интерфейс используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. MSC может послать указание (сообщение) HLR в конце сеанса связи для того, чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна исполнить процедуру установления вызова подвижного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения местоположения абонента для того, чтобы послать вызов MS.

Интерфейс между HLR и VLR (D-интерфейс) используется для расширения обмена данными о положении подвижной станции, управления процессом связи. Основные услуги, предоставляемые подвижному абоненту, заключаются в возможности передавать или принимать сообщения независимо от местоположения. Для этого HLR должен пополнять свои данные. VLR сообщает HLR о положении MS, управляя станцией и переприсваивая ей номера в процессе перемещения; посылает все необходимые данные для обеспечения обслуживания подвижной станции.

Интерфейс между MSC (Е-интерфейс) обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры HANDOVER, то есть «передачи» абонента из одной зоны в другую при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва.

Интерфейс между BSC и ОМС (О-интерфейс) предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией Х.25.

Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования.

Мобильная и Базовая станции взаимодействуют через Um-интерфейс, известный также под названиями воздушный интерфейс (air interface, англ.) или радио-соединение (radio link, англ.).

На рис.7.2 показано соответствие функциональных особенностей нижних уровней сетей стандарта GSM уровням эталонной модели OSI.

7.3. АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СЕТЕЙ 3G

Совершенствование сетей мобильной связи, призванное обеспечить им прочные позиции в длительной перспективе, затронули системную архитектуру и технологии передачи данных в нисходящем и восходящем направлениях.

Соответствующие изменения, оформленные в концепцию «эволюции системной архитектуры» (SAE – System Architecture Evolution, англ.), выпущены консорциумом 3GPP (Third-Generation Partnership Program – программа партнерства третьего поколения [сетей мобильной связи], англ.) летом 2006 года. Позже эта концепция переименована организацией 3GPP из SAE в EPS (Evolved Packet System Architecture – системная архитектура с выделением пакетов, англ.).

Основная задача, которую преследовал консорциум 3GPP при разработке новой архитектуры сетей мобильной связи, состояла в создании технологической основы для совершенствования коммуникационной инфраструктуры. Ориентация на пакетную передачу голоса привела к тому, что при разработке SAE/EPS упор был сделан на технологию пакетной коммутации.

Разработчикам новой архитектуры предстояло обеспечить работоспособность новых радиоинтерфейсов; предложить вариант перехода к сети, целиком базирующейся на протоколе IP; добиться поддержки мобильности и непрерывности сервисов в гетерогенной среде доступа. Кроме того, новая архитектура должна поддерживать HANDOVER с сетями передачи данных, описанными в документах 3GPP, и мобильность при перемещении абонента между сетями, которые могут, как соответствовать, так и не соответствовать спецификациям 3GPP. Последняя задача потребовала дополнительного согласования протоколов.

В сети с архитектурой SAE применяются узлы только двух типов – базовые станции и шлюзы доступа.

В функциональном отношении ядро сети SAE включает в себя четыре основных компонента:

· Модуль управления мобильностью (MME– Mobility Management Entity, англ.) обеспечивает: хранение служебной информации об абоненте и управление ею; генерацию временных идентификационных данных; авторизацию терминальных устройств в наземных сетях мобильной связи; общее управление мобильностью.

· Модуль управления абонентом (UPE – User Plane Entity, англ.) отвечает за разрыв нисходящего соединения, шифрование данных, маршрутизацию и пересылку пакетов.

· «Якорь 3GPP» играет роль своеобразного шлюза между сетями 2G/3G и LTE.

· Функции «Якоря SAE» аналогичны функциям «Якоря 3GPP», но служат для поддержки непрерывности связи при перемещении абонента между сетями, соответствующими и не соответствующими спецификациям 3GPP.

Последние два компонента представляют собой новые элементы архитектуры ядра сети мобильной связи, обязанные своим появлением требованию поддержки мобильности при перемещении абонента между сетями разных типов.

Функциональные элементы архитектуры SAE физически могут совмещаться либо распределяться по сети в зависимости от особенностей применяемых продуктов и самой сети. Например, «якорь 3GPP» допустимо размещать вместе с модулем управления абонентом, но это не является обязательным требованием. Так же модули MME и UPE могут быть совмещены либо находиться в разных узлах сети.

Как отмечают разработчики SAE, предложенные ими архитектурные изменения в перспективе позволят значительно уменьшить задержки передачи данных, которые особенно критичны для таких приложений, как VoIP[2] или онлайновые интерактивные игры. Как ориентир, для коротких IP-пакетов и небольшой сетевой нагрузки суммарная задержка при обращении пакета по сети LTE/SAE должна составлять около 5 мс для полосы 5 МГц и свыше 10 мс для меньшей полосы. Эти значения значительно лучше аналогичных показателей современных сетей 3G.

[1] Такое условное разделение географической территории обусловило ещё одно популярное название этого вида сетей – сети сотовой подвижной связи.

[2] VoIP – Voice over Internet Protocol (пакетная передача голосовых сообщений с использованием протокола IP, иначе– IP-телефония).

Поиск по сайту: