Технология GPRS (стр. 2 из 13)

Типовая структурная схема и состав оборудования GSM сети соответствует рисунку 1.2.

"Центральной нервной системой" сети является NSS (Network and Switching Subsystem – подсистема сети и коммутации), а компонент, выполняющей функции "мозга" называется MSC (Mobile services Switching Center – центр коммутации). MSC в сети может быть и не один (в данном случае очень уместна аналогия с многопроцессорными компьютерными системами). MSC занимается маршрутизацией вызовов, формированием данных для биллинговой системы, также управляет многими другими процедурами.

Следующими по важности компонентами сети, также входящими в NSS, являются HLR (Home Location Register – реестр собственных абонентов) и VLR (Visitor Location Register – реестр перемещений). HLR представляет собой базу данных обо всех абонентах, заключивших контракт с данным оператором. В ней хранится информация о номерах пользователей (под номерами подразумеваются, во-первых, упоминавшийся выше IMSI, а во-вторых, так называемый MSISDN – Mobile Subscriber ISDN, т.е. телефонный номер в его обычном понимании).

В отличие от HLR, который в системе один, VLR-ов может быть и несколько – каждый из них контролирует свою часть сети. В VLR содержатся данные об абонентах, которые находятся на его территории (причем обслуживаются не только свои подписчики, но и зарегистрированные в сети клиенты роуминга). Как только пользователь покидает зону действия какого-то VLR, информация о нем копируется в новый VLR, а из старого удаляется. В HLR для каждого абонента постоянно присутствует ссылка на тот VLR, который с ним (абонентом) сейчас работает (при этом сам VLR может принадлежать чужой сети, расположенной, например, на другом конце Земли).

Рисунок 1.2 – Типовая структурная схема

На рисунке 1.2 приняты обозначения:

- MSC (Mobile Switching Centre) – центр коммутации подвижной связи;

- BSS (Base Station System) – оборудование базовой станции;

- ОМС (Operations and Maintenance Centre) – центруправленияиобслуживания;

- MS (Mobile Stations) – подвижныестанции.

NSSсодержитещедвакомпонента– AuC (Authentication Center – центравторизации) иEIR (Equipment Identity Register – реестридентификацииоборудования). Первый блок используется для процедур установления подлинности абонента, а второй, как следует из названия, отвечает за допуск к эксплуатации в сети только разрешенных сотовых телефонов.

Исполнительной частью сотовой сети, является BSS (Base Station Subsystem – подсистема базовых станций). BSS состоит из нескольких BSC (Base Station Controller – контроллер базовых станций), а также множества – BTS (Base Transceiver Station – базовая станция). Каждый BSC контролирует целую группу BTS и отвечает за управление и распределение каналов, уровень мощности базовых станций и тому подобное. BSC в сети не один, а целое множество (базовых станций же вообще сотни).

Управляется и координируется работа сети с помощью OSS (Operating and Support Subsystem – подсистемауправленияиподдержки). OSS состоит из всякого рода служб и систем, контролирующих работу и трафик – дабы не перегружать читателя информацией.

1.2 Регистрация в сети

При каждом включении телефона после выбора сети начинается процедура регистрации. Рассмотрим наиболее общий случай – регистрацию не в домашней, а в чужой, так называемой гостевой, сети (будем предполагать, что услуга роуминга абоненту разрешена).

Пусть сеть найдена. По запросу сети телефон передает IMSI абонента. IMSI начинается с кода страны "приписки" его владельца, далее следуют цифры, определяющие домашнюю сеть, а уже потом – уникальный номер конкретного подписчика. По номеру IMSI VLR гостевой сети определяет домашнюю сеть и связывается с ее HLR. Последний передает всю необходимую информацию об абоненте в VLR, который сделал запрос, а у себя размещает ссылку на этот VLR, чтобы в случае необходимости знать, "где искать" абонента.

При регистрации AuC домашней сети генерирует 128-битовое случайное число – RAND, пересылаемое телефону. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключ идентификации – так же как и IMSI, он содержится в SIM) и алгоритма идентификации А3 вычисляется 32-битовый ответ – SRES (Signed RESult) по формуле:

SRES = Ki × RAND (1.1)

Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в AuC (по выбранному из HLR Ki пользователя). Если SRES, вычисленный в телефоне, совпадет со SRES, рассчитанным AuC, то процесс авторизации считается успешным и абоненту присваивается TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity-временный номер мобильного абонента). TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия подписчика с сетью и может периодически меняться (в том числе при смене VLR).

Теоретически, при регистрации должен передаваться и номер IMEI. При получении IMEI сетью, он направляется в EIR, где сравнивается с так называемыми "списками" номеров. Белый список содержит номера санкционированных к использованию телефонов, черный список состоит из IMEI, украденных или по какой-либо иной причине не допущенных к эксплуатации телефонов, и, наконец, серый список – "трубки" с проблемами, работа которых разрешается системой, но за которыми ведется постоянное наблюдение.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого VLR с домашним 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. Дело в том, что в режиме ожидания телефон только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сам ничего не излучает – процесс передачи начинается только в случае установления соединения, а также при значительных перемещениях относительно сети. В таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при "выпадении" телефона из сети (например, был отсоединен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

1.3 Территориальное деление сети и Handover

Как уже было сказано, сеть состоит из множества BTS – базовых станций (одна BTS – одна "сота", ячейка). Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика, BTS объединяют в группы – домены, получившие название LA (Location Area – области расположения). Каждой LA соответствует свой код LAI (Location Area Identity). Один VLR может контролировать несколько LA. И именно LAI помещается в VLR для задания местоположения мобильного абонента. Именно в соответствующей LA, а не в отдельной соте, будет произведен поиск абонента. При перемещении абонента из одной соты в другую в пределах одной LA перерегистрация и изменение записей в VLR/HLR не производится, но стоит ему (абоненту) попасть на территорию другой LA, как начнется взаимодействие телефона с сетью.

Разбиение сети на LA довольно непростая инженерная задача, решаемая при построении каждой сети индивидуально. Слишком мелкие LA приведут к частым перерегистрациям телефонов и, как следствие, к возрастанию трафика разного рода сервисных сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов. Если же сделать LA большими, то, в случае необходимости соединения с абонентом, сигнал вызова придется подавать всем сотам, входящим в LA, что также ведет к неоправданному росту передачи служебной информации и перегрузке внутренних каналов сети.

Рассмотрим очень красивый алгоритм так называемого handover`ра (такое название получила смена используемого канала в процессе соединения). Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление "трубки" от базовой станции, многолучевая интерференция, перемещение абонента в зону так называемой тени и т.п.) мощность (и качество) сигнала может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение на канал (может быть, другой BTS) с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения. Handover`ра принято разделять на четыре типа:

- смена каналов в пределах одной базовой станции;

- смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под патронажем того же BSC;

- переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC, но одним MSC;

- переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC, но и MSC.

В общем случае, проведение handover`а – задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover`ами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC, а MSC лишь информируется о происшедшем.

1.4 Маршрутизация вызовов

Каким образом происходит маршрутизация входящих вызовов мобильного телефона? Рассмотрим наиболее общий случай, когда абонент находится в зоне действия гостевой сети, регистрация прошла успешно, а телефон находится в режиме ожидания.

При поступлении запроса, в соответствии с рисунком 1.3, на соединение от проводной телефонной (или другой сотовой) системы на MSC домашней сети (вызов "находит" нужный коммутатор по набранному номеру мобильного абонента MSISDN, который содержит код страны и сети).

Рисунок 1.3 – Маршрутизация вызовов

MSC пересылает в HLR номер (MSISDN) абонента. HLR, в свою очередь, обращается с запросом к VLR гостевой сети, в которой находится абонент. VLR выделяет один из имеющихся в ее распоряжении MSRN (Mobile Station Roaming Number – номер "блуждающей" мобильной станции). Идеология назначения MSRN очень напоминает динамическое присвоение адресов IP при коммутируемом доступе в Интернет через модем. HLR домашней сети получает от VLR присвоенный абоненту MSRN и, сопроводив его IMSI пользователя, передает коммутатору домашней сети. Заключительной стадией установления соединения является направление вызова, сопровождаемого IMSI и MSRN, коммутатору гостевой сети, который формирует специальный сигнал, передаваемый по PAGCH (PAGer CHannel – канал вызова) по всей LA, где находится абонент.