Структурная схема и состав оборудования системы связи

GSM

Структурная схема системы мобильной связи стандарта GSM пред­ставлена на рисунке 3.1. Сеть GSM делится на две системы: система коммутации (SSS) и система базовых станций (BSS). В стандарте GSM функциональное сопряжение элементов системы осуществляется посредством интерфейсов, а все сетевые компоненты взаимодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ SS № 7 (CCITT SS № 7).

Центр коммутации мобильной связи MSCобслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы мобильная станция. MSC аналогичен коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т. д.) и системой мобильной связи. Он обеспечивает мар­шрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполне­ния функций обычной коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся «эстафетная пере­дача», в процессе которой достигается непрерывность связи при переме­щении мобильной станции из соты в соту и переключение рабочих кана­лов в соте при появлении помех или при неисправностях.

Рисунок 3.1 - Структурная схема системы мобильной связи стандарта GSM

На данной схеме обозначены: MS – мобильная станция; BTS – приемно-передающие базовые станции; BSC – контроллер базовой станции; TCE – транскодер; BSS – оборудование базовой станции; MSC – центр коммутации мобильной связи; HLR – регистр положения; VLR – регистр перемещения; AUC – центр аутентификации; EIR – регистр идентификации оборудования; OMC – центр эксплуатации и технического обслуживания; NMC-центр управления сетью.

MSC обеспечивает обслуживание мобильных абонентов, располо­женных в пределах определенной географической зоны.

MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации, накапливает данные о состоявшихся разговорах, необходимые для вы­писки счетов за предоставленные сетью услуги.

MSC поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступом к радиоканалам. MSC управляет процедурами ре­гистрации местоположения для обеспечения доставки вызова переме­щающимся мобильным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования и обеспечения ведения разговора при перемещении мобиль­ной станции из одной зоны обслуживания в другую. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (кон­троллерами), относящимися к разным MCS.

MSC формирует данные, необходимые для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передаёт их в центр расчётов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.

MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления.

Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за мобильными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR).

Регистр положения HLRпредставляет собой базу данных о посто­янно прописанных в сети абонентах. Информация об абоненте заносится в HLR в момент регистрации абонента и хранится до тех пор, пока абонент не прекратит пользоваться данной системой связи и не будет удалён из регистра HLR.

В базе данных содержатся опознавательные номера и адреса, параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, информация о маршрутизации, регистрируются данные о роуминге або­нента, включая данные о временном идентификационном номере мо­бильного абонента (TMSI) и соответствующем VLR. Долговременные данные, хранящиеся в регистре положения HLR приведены в таблице 3.3.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC- и VLR-сети, в том числе относящиеся к другим сетям при обеспе­чении межсетевого роуминга абонентов. Если в сети несколько HLR, ка­ждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MS ISDN (номеру мобильного абонента в сети ISDN).

HLR может быть выполнен как в собственном узле сети, так и отдельно. Если емкость HLR исчерпана, то может быть добавлен дополнительный HLR. В случае организации нескольких HLR база данных остаётся единой – распределённой. Запись данных об абоненте всегда остаётся единственной. К данным, хранящихся в HLR, могут получить доступ MSC и VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Таблица 3.3 – Долговременные данные, хранящиеся в регистре HLR

Состав долговременных данных, хранящихся в HLR
	IMS1 - международный идентификационный номер подвижного абонента
	Номер подвижной станции в международной сети ISDN
	Категория подвижной станции
	Ключ аутентификации
	Виды обеспечения вспомогательными службами
	Индекс закрытой группы пользователей
	Код блокировки закрытой группы пользователей
	Состав основных вызовов, которые могут быть переданы
	Оповещение вызывающего абонента
	Идентификация номера вызываемого абонента
	График работы
	Оповещение вызываемого абонента
	Контроль сигнализации при соединении абонентов
	Свойства (средства) закрытой группы пользователей
	Льготы закрытой группы пользователей
	Запрещенные исходящие вызовы в закрытой группе пользователей
	Максимальное количество абонентов
	Используемые пароли
	Класс приоритетного доступа
	Запрещенные входящие вызовы в закрытой группе абонентов

Регистр перемещения VLRтакже предназначен для контроля пере­движения мобильной станции из одной зоны в другую. База данных VLR содержит информацию обо всех абонентах мобильной связи, расположенных в данный момент в зоне обслуживания MSC. Он обеспечивает функционирование мобильной станции за пределами зоны, контролируе­мой HLR.

Когда абонент перемещается в зону обслуживания нового MSC, VLR, подключенный к данному MSC, запрашивает информацию об абоненте из того HLR, в котором хранятся данные этого абонента. HLR посылает копию информации в VLR и обновляет у себя информацию о местоположении абонента. Когда абонент звонит из новой зоны обслуживания, VLR уже располагает всей информацией, необходимой для обслуживания вызова. В случае роуминга абонента в зону действия другого MSC, VLR запрашивает данные об абоненте из HLR, к которому принадлежит данный абонент. HLR в свою очередь передаёт копию данных об абоненте в запрашивающий VLR и в свою очередь обновляет информацию о новом местоположении абонента. После того как информация обновится, MS может осуществлять исходящие/входящие соединения.

Для обеспечения сохранности данных в регистрах HLR и VLR преду­смотрена защита их устройств памяти. VLR содержит такие же данные, что и HLR. Эти данные хранятся в VLR, пока абонент находится в контролируемой зоне. Временные данные, хранящиеся в регистре VLR приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 – Временные данные, хранящиеся в регистре VLR

	Состав временных данных, хранящихся в HLR и VLR
	HLR		VLR
	Параметры аутентификации и шифрования		1	TMSI - временный международ­ный идентификационный номер пользователя
	Временный номер подвижной станции, который назначается VLR			Идентификация зоны расположения
	Адреса регистров перемещения VLR			Указания по использованию основных служб
	Зоны перемещения подвижной станции			Номер соты «эстафетной передачи»
	Номер соты при эстафетной передаче			Параметры аутентификации и шифрования
	Регистрационный статус
	Таймер отсутствия ответа (отклю­чения соединения)
	Состав используемых в данный момент паролей
	Активность связи

При роуминге мобильной станции VLR присваивает ей номер (MSRN). Когда мобильная станция принимает входящий вызов, VLR вы­бирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с мо­бильным абонентом.

VLR управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. По решению оператора TMSI может периодически изменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов, Дос­туп к базе данных VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или че­рез MSRN. В целом VLR представляет собой локальную базу данных о мобиль­ном абоненте для той зоны, где находится абонент. Это позволяет исклю­чить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вы­зовов.

Центр аутентификации AUC предназначен для удостоверения под­линности абонентов с целью исключения несанкционированного исполь­зования ресурсов системы связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентифи­кации оборудования (Equipment Identification Register – EIR). Каждый мобильный абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который со­держит: международный идентификационный номер (IMSI), свой инди­видуальный ключ аутентификации K_iи алгоритм аутентификации А3. С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между мобильной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети. Процедура проверки подлинности абонента следующая показана на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Схема процедуры аутентификации

Сеть передает случайный номер (RAND)на мобильную станцию. На ней с помощью K_iи алгоритма аутентификации А3определяется значение отклика (SRES),т. е. SRES = Кi*[RAND].Мобильная станция посылает вычисленное значение SRES в сеть. Сеть сверяет принятое значение SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если значения совпадают, мобильная станция допускается к пере­даче сообщений. В противном случае связь прерывается и индикатор мобильной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация не подвергается обработке в модуле SIM.

Регистр идентификации оборудования EIRсодержит базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования мобильной станции (IMEI). База данных EIR со­стоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом:

- белый список – содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными мобильными станциями;

- черный список – содержит номера IMEI мобильных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по какой-либо причине;

- серый список – содержит номера IMEI мобильных станций, у которых выявлены проблемы, не являющиеся основанием для внесения в «черный список».

К базе данных EIR имеют доступ MSC данной сети, а также могут получать доступ MSC других мобильных сетей.

Центр эксплуатации и технического обслуживания ОМСявляется центральным элементом сети GSM. Он обеспечивает управление элемен­тами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими элементами сети по каналам пакетной передачи протокола Х.25. ОМС обеспечивает обработку аварийных сигналов, предназначенных для опо­вещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об ава­рийных ситуациях в элементах сети. В зависимости от характера неис­правности ОМС обеспечивает ее устранение автоматически или при ак­тивном вмешательстве персонала. ОМС может осуществить проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова мобильной станции. ОМС позволяет регулировать нагрузку в сети.

Центр управления сетью NMCпозволяет обеспечивать рациональ­ное иерархическое управление сетью GSM. NMC обеспечивает управле­ние трафиком сети и диспетчерское управление сетью в сложных ава­рийных ситуациях. Кроме того, NMC контролирует и отражает на дис­плее состояние устройств автоматического управления сетью. Это позволяет операторам NMC контролировать региональные проблемы и оказывать помощь при их решении. В экстремальных ситуациях операто­ры NMC могут задействовать такие процедуры управления, как «приори­тетный доступ», когда только абоненты с высоким приоритетом (экс­тренные службы) могут получить доступ к системе. NMC контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне и, следова­тельно, обеспечивает сеть данными, необходимыми для ее оптимального развития.

Итак, персонал NMT может сосредоточиться на решении долгосрочных стратегических проблем, связанных со всей сетью в целом, а локальный персонал каждого OMC/OSS может сосредоточиться на решении краткосрочных региональных или тактических проблем.

Оборудование базовой станции BSSсостоит из контроллера базо­вой станции (BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS). Кон­троллер базовой станции может управлять несколькими BTS. BSC управ­ляет распределением радиоканалов, контролирует соединения, регулиру ет их очередность, обеспечивает режим работы со скачками частоты, мо­дуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование и декодирование сооб­щений, кодирование речи, адаптацию скорости передачи речи, данных и вызова. BSS совместно с MSC выполняет функции освобождения канала, если из-за радиопомех не проходит вызов, а также осуществляет приори­тетную передачу информации для некоторых категорий мобильных стан­ций.

Транскодер ТСЕ обеспечивает приведение выходных сигналов ка­нала передачи речи и данных MSC (64 кбит/с ИКМ) к виду, соответст­вующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу (Рек. GSM 04.08), со скоростью передачи речи 13 кбит/с – полноскоростной канал. Стандар­том предусмотрено использование в перспективе полускоростного рече­вого канала 6,5 кбит/с. Снижение скорости передачи обеспечивается применением специ­ального речепреобразующего устройства, применяющего линейное пре­дикативное кодирование (LPC), долговременное предсказание (LTP), ос­таточное импульсное возбуждение (RPE или RELP). Транскодер, как правило, размещается вместе с MSC. При передаче цифровых сообщений к контроллеру базовых станций BSC осуществля­ется стафингование (добавление дополнительных битов) информацион­ного потока 13 кбит/с до скорости передачи 16 кбит/с. Затем осуществля­ется уплотнение полученных каналов с кратностью 4 в стандартный ка­нал 64 кбит/с. Так формируется определенная Рекомендациями GSM 30-канальная ИКМ-линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Дополнительно один канал (64 кбит/с) выделяется для передачи инфор­мации сигнализации, второй канал (64 кбит/с) может использоваться для передачи пакетов данных, согласующихся с протоколом Х.25 МККТТ. Таким образом, результирующая скорость передачи по указанному ин­терфейсу составляет 30x64 + 64 + 64 = 2048 кбит/с.

Идентификаторы – ряд номеров, которые сеть GSМ использует для определения местоположения абонента при установлении соединения. Данные идентификаторы используются для маршрутизации вызовов к МS. Важно, чтобы каждый идентификационный номер был уникальным и был всегда корректно определён. Описание идентификаторов приведено ниже.

IМSI (International Mobile Subscriber Identity) уникально описывает мобильную станцию в глобальной мировой сети GSМ. Большинство операций внутри сети GSМ производятся именно по этому номеру. IМSI хранится в SIМ, в НLR, в обслуживающем VLR и в АUС. Согласно спецификациям GSM длина IМSI составляет как правило 15 цифр. IМSI состоит из трёх основных частей:

- MCC (Mobile Country Code) – код мобильной связи для страны (3 цифры);

- MNC (Mobile Network Code) – код оператора мобильной связи (3 цифры);

- MSIN (Mobile Station Identification Number) – идентификационный номер MS.

MSISDN (Моbile Station ISDN Number) это номер абонента, котрый мы набираем, когда хотим ему позвонить. Данных номеров может быть несколько у одного абонента. План нумерации для MSISDN полностью соответствует плану нумерации ТфОП:

- СС (Country Code) - код страны;

- NDC (National Destination Code) - национальный код пункта назначения (города или сети);

- SN (Subscriber Number) — номер абонента.

Для каждой сети РLМN существует свой NDC. В сети связи Республики Казахстан NDC + SN называется «национальный значащий номер». NDС для мобильных сетей обозначаются как DEF и называются «негеографическим кодом зоны». В России для каждой РLМN определены несколько NDС. Номер MSISDN может быть переменной длины. Максимальная длина составляет 15 цифр, префиксы не включаются (+7). Входящее соединение с абонентом сети Beeline осуществляется набором +7 777 ХХХ ХХХХ или же с кодом 705.

ТМSI (Теmporary Mobile Subscriber Identity) – временный номер IМSI, который может выдаваться МS при её регистрации. Он используется для сохранения конфиденциальности передвижения мобильной станции. МS всегда будет выходить в радиоэфир с новым номером ТМSI. ТМSI не имеет жесткой структуры как IМSI, длина его как правило составляет 8 цифр. Поскольку TМSI имеет в два раза меньший размер, чем IМSI, пейджинг в одном цикле осуществляется для двух абонентов, что также сокращает нагрузку на процессор. Каждый раз, когда МS делает запрос на системные процедуры (LU, попытка вызова или активация сервиса) МSС/VLR ставит новый ТМSI в соответствие с IМSI, МSС/VLR. передаёт ТМSI на МS, которая хранит его в SIМ-карте. Сигнализация между МSС/VLR. и МS используется только на основе ТМSI. Таким образом, реальный номер абонента IМSI не передается через радиоэфир. IМSI используется тогда, когда процедура Location Update выполнена неудачно или не назначен ТМSI.

IМЕI (International Mobile Terminal Identity) используется для уникальной идентификации мобильного терминала в сети. Данный код используется в процедурах обеспечения безопасности связи для идентификации украденного оборудования и предотвращения неавторизованного доступа в сеть. Согласно спецификациям GSМ длина IМЕI составляет 15 цифр:

- ТАС(Туре Арргоvаl Соdе) – код утвержденного типового образца (6 цифр);

- FАС (Final Assembly Соdе) – код окончательно собранного изделия,

присваивает производитель (2 цифры);

- SNR (Serial Number) – индивидуальный серийный номер (6 цифр).

Идентифицирует полностью все оборудование с учетом кодов ТАС и FАС.

- Sраrе – свободная цифра. Зарезервирована для будущего использования.

Когда данный код передается в МS, значение данного кода должно быть всегда «0».

IМЕISV (International Mobile Terminal Identity и Software Version number) – обеспечивает уникальную идентификацию каждого МТ, а также обеспечивает соответствие версии программного обеспечения, инсталлированного в МS, разрешенному оператором. Версия программного обеспечения является важным параметром, так как от этого зависят услуги, доступные для МS, а также способность выполнять речевое кодирование. Так, например, PLMN необходимо знать возможности речевого кодирования MS при установлении соединения (например, half rate/full rate, и т.д.). Данные возможности отображаются с помощью IМЕISV, первые 14 цифр которого повторяют IМЕI, а 2 последние:

- SVN (Software Version number) – номер программной версии, позволяют производителю МS идентифицировать различные версии программного обеспечения утверждённого типового образца МS. SVN со значением 99, зарезервирован для будущих целей.

МSRN (Моbile Station Roaming Number) – временный номер, необходимый для маршрутизации входящего соединения в тот МSС, в котором сейчас находится МS. Время использования МSRN очень маленькое - только проключение входящего соединения, после этого номер освобождается и может быть использован для проключения следующего соединения. МSRN состоит из трёх частей, таких же как в MSISDN, но в этом случае SN означает адрес обслуживающего МSC/VLR.

LAI (Location Area Identity) – номер области (LA), описывающий уникально LA в рамках всей мировой сети GSM. LAI состоит из следующих частей:

- MCC (Mobile Country Code) – код мобильной связи для страны (3 цифры);

- MNC (Mobile Network Code) – код оператора мобильной связи (3 цифры);

- LAC (Location Area Code) – код местоположения, максимальная длина LAC составляет 16 бит, что позволяет определить 65536 различных LA внутри одной PLMN.

- CGI (Cell Global Identity) используется для идентификации конкретной соты внутри LA. Идентификация соты осуществляется посредством добавления параметра Cell Identity (CI) к компонентам LAI. CI имеет размер 16 бит.

- BSIC (Base Station Identity Code) дает возможность MS различать соты с одинаковыми частотами. BSIC состоит из:

- NCC (Network Color Code) – цветовой код сети. Используется для того, чтобы разграничивать зоны действия операторов в тех местах, где сети операторов перекрывают друг друга.

- BCC(Base station Color Code) – цветовой код базовой станции. Используется для того, чтобы различать между собой базовые станции, использующие одинаковые частоты.