Комутаційно-мережна частина
Лабораторна робота № 2
Вивчення архітектури та принципів функціонування системи базових станцій (BSS)
1. Мета работи:
- вивчити архітектуру системи базових станцій;
- вивчити архітектуру базових станцій, функції та електричні параметри;
- вивчити архітектуру радіоінтерфейса та принципи організації радіоканалів;
- вивчити архітектуру та функції контролера базових станцій;
- поглибити та закріпити знання в області систем стільникового зв’язку стандарту GSM.
2. Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів.
При підготовці до виконання лабораторної роботи необхідно вивчити теоретичні матеріали з темою лабораторної роботи за конспектом лекцій та літературою [1, 2, 3]. Також теоретичний матеріал додатково видається в електронному вигляді.
Необхідно вивчити архітектуру систем базових станцій, склад, їх функції. Ознайомитися з електричними параметрами базових станцій. Вивчити архітектуру базових станцій, базового контролера та структуру радіоінтерфейса, принцип організації радіоканалів.
Відповісти на контрольні запитання та завдання.
Система базових станцій
Архітектура системи GSM
Функціональний поділ системи GSM
На рис. 6.1 показано функціональну схему типової системи GSM та описано, як з точки зору функцій, що їx виконують окремі фрагменти системи, можна поділити її на такі частини:
- комплект базових станцій (англ. Base Station Subsystem - BSS);
- комутаційно-мережна частина (англ. Network and Switching Subsystem - NSS);
- pyxoмi станції (англ. Mobile Station - MS);
- комплект експлуатації та обслуговування (англ. Operation and Maintenance Subsystem - OMS).
Ансамбль базових станцій
3 принципів побудови системи рухомого радіозв'язку випливає, що основним способом створення такої системи є коміркова структура. В кожній комірці є одна базова станція. Комплект базових станцій відкриває доступ рухомим станціям до стаціонарної частини системи GSM i далі, по потребі, до інших телекомунікаційних систем.
Ансамбль базових станцій в системі GSM має двохрівневу структуру. На рівні, ближчому до комутаційно-мережної частини, знаходяться блоки управління базовими станціями (контролери базових станцій). На нижчому рівні в кожній комірці знаходиться базова станція.
БАЗОВА СТАНЦІЯ (англ. Base Transceiver Station - BTS) має зв'язок з рухомими станціями через радіоінтерфейс. Кожна з комipoк має одну базову станцію, на яку надходять всі розмови (з'єднання) з даної комірки. Базова станція складається з передавача i приймача радіосигналів, антени та пристроїв перетворення сигналів, що характерні для радіоінтерфейсу. Базова станція є інтерфейсом між стаціонарними лініями (кабельні, оптичні, або стаціонарні радіолінії) до контролера базових станцій та радіолінії до рухомих станцій.
КОНТРОЛЕР БАЗОВИХ СТАНЦІЙ (англ. Base Station Controller - BSC) з’єднаний з одного боку з кількома або кількома десятками базових станцій, виконують відносно них функції управління. Контролер базових станцій керує такими функціями як перемикання каналів (англ. handover) та управління потужністю рухомої станції (англ. power control). З іншого боку контролер базових станцій під’єднаний до територіальної комутаційної системи MSС (англ. Mobile Switching Centre).
Описана вище структура ансамблю базових станцій відповідає поділу на обладнання, яке виконує трансмісійні функції (базові станції) та обладнання, яке виконує функції управління (контролери базових станцій). Всі вище згадані інтерфейси стандартизовані. Інтерфейс між рухомими станціями і базовими носить назву радіоінтерфейсу, стик між базовими станціями та контролерами базових станцій названо інтерфейсом А-bis, а стик контролерів базових станцій з MSC названо інтерфейсом А. Стандартизація стиків дає можливість взаємодіяти в рамках однієї системи різним модулям, що виготовлені різними виробниками.
Комутаційно-мережна частина
В комутаційно-мережній частині реалізуються основні комутаційні функції системи GSM. Разом з MSC в ній є база даних, в якій знаходиться інформація про зареєстрованих користувачів системи, і вся інформація, яка необхідна для управління «рухливістю» абонентів (англ. mobility management) та реєстр даних, які перевіряються в момент ідентифікації і контролю прав користувача. Комутаційно-мережній частині надані функції, що необхідні для взаємодії з іншими телекомунікаційними мережами.
Центральним модулем комутаційно-мережевої частини є автоматична комутаційна станція (АКС) коміркової системи (рис. 6.1).
АВТОМАТИЧНА КОМУТАЦІЙНА СТАНЦІЯ РУХОМОЇ СИСТЕМИ - MSC (англ. Mobile Switching Centre) виконує комутаційні функції між двома абонентами системи GSM, або між абонентом системи GSM та абонентами інших телекомунікаційних систем. Це може бути, наприклад, стаціонарна телефонна мережа, така як ISDN, мережа передачі даних, інша коміркова система і т. п. З одного боку MSC має зв’язок через інтерфейс А з контролерами базових станцій, а через них з рухомими станціями.
Рисунок 6.1 – Функціональна схема типової системи GSM
З іншого боку, MSC з’єднана з іншими MSC даної системи GSM, втому числі транзитною автоматичною комутаційною станцією GMSC, яка дозволяє встановити зв’язок з іншими системами. При цьому використовують модуль узгодження IWF (англ. InterWorking Funkctions). Цей модуль може бути непотрібним у випадку, коли послуги, що надаються системою GSM, узгоджуються з послугами, які надають стаціонарні системи. На відміну від АТС, які працюють в стаціонарній телефонній мережі, комутаційна станція MSC виконує додаткові функції, що випливають з «рухомого» характеру абонентів, такі як: реєстрація місця знаходження абонента, посилка виклику абонентам, передача криптографічних параметрів з метою шифрування трансмісії і т.п. Комутаційно-мережна частина системи GSM реалізує деякі функції, що пов’язані з рухливістю абонента. Проблема є відносно простою, якщо рухомий абонент дзвонить до абонента зі стаціонарної мережі, місце знаходження якого відоме. Якщо ж абонент, якого викликають є рухомим, то система GSM повинна спочатку визначити актуальне місце перебування рухомої станції, яку викликають. Викликаючий абонент часто не має інформації про місце знаходження абонента, якого він викликає. Отже необхідною є система, яка б слідкувала за рухом абонента на території, яку охоплює мережа GSM. З цією метою створені дві бази даних, які називаються реєстрами HLR та VLR.
РЕЄСТР ВЛАСНИХ СТАНЦІЙ - HLR (англ. Home Location Register). В кожному районі, що обслуговується даним оператором системи GSM є один або кілька реєстрів HLR. В момент реєстрації абонента в оператора системи (викупу абонемента), до реєстру власних станцій HLR вносяться дані нового абонента. Вони стосуються прав абонента, в них знаходиться інформація, що дозволяє ідентифікувати користувача та інформація про актуальне місце перебування даної рухомої станції. В останньому випадку це є адреса MSC, на території якої зараз знаходиться рухома станція. Ця інформація змінюється зі зміною місця перебування рухомої станції.
РЕЄСТР ГОСТЬОВИХ СТАНЦІЙ - VLR (англ. Visitors Location Register) - це другий реєстр, який бере участь в процесі слідкування за зміною положення рухомої станції. Реєстр VLR містить інформацію про абонентів, які зараз знаходяться на території, що обслуговується спорідненою MSC. Як тільки рухома станція перетинає межі нової території реєстр VLR, який має зв’язок з обслуговуючою цей район MSC, вимагає від реєстру HLR, в якому чужа станція зареєстрована постійно, даних про нового для себе користувача. Одночасно реєстр HLR отримує від реєстру VLR і запам’ятовує інформацію про нове місце перебування рухомої станції. В реєстрі VLR знаходяться набагато конкретніші дані про локалізацію рухомої станції ніж дані з реєстру HLR. У випадку коли описана нами рухома станція вимагатиме з’єднати її з ким-небудь, реєстр VLR буде вже мати всю інформацію, потрібну для порівняння, без необхідності звертатися в кожному випадку до реєстру HLR.
В системі GSM функціонують два типи комутаційних станцій - звичайні MSC, описані раніше, та транзитні GMSC.
ТРАНЗИТНА КОМУТАЦІЙНА СТАНЦІЯ - GMSC (англ. Gateway Mobile Switching Centre) є перехідною між системою GSM та іншими телекомунікаційними системами. У випадку, коли абонемент стаціонарної мережі викликає рухомого абонента, АТС стаціонарної мережі спочатку встановлює з’єднання з найближчою транзитною станцією GMSC. Часто нею є одна зі звичайних станцій, але обладнана в додатковими модулями спряження - IWF. Транзитна станція GMSC відіграє важливу роль в правильному ході виконання з’єднань до абонентів системи GSM. Спочатку вона від материнського реєстру HLR комутаційної станції MSC одержує дані про актуальне місце знаходження абонента, якого викликають. Далі транзитна станція GMSC керує з’єднанням безпосередньо від абонента, якого викликають до саме його комутаційної станції MSC. Коли сигнали з’єднання надійдуть до потрібної комутаційної станції MSC, взаємодіючий з нею реєстр VLR видасть точну інформацію про знаходження рухомої станції, яку викликають і з’єднання відбудеться.
ЦЕНТР ІДЕНТИФІКАЦІЇ - АuC(англ. Authentication Centre)-це модуль, що взаємодіє з реєстром власних станцій HLR і реалізує функції, що пов’язані з захистом системи від несанкціонованого доступу. Тут іде мова як про протидію спробам виконання з’єднань за рахунок інших абонентів, так і про неможливість підслуховування розмов в радіоканалі. В модулі AuC є параметри, які необхідні для ідентифікації абонентів, так звані шифрувальні ключі, а також самі алгоритми шифрування і генератор випадкових чисел.
РЕЄСТР ІДЕНТИФІКАЦІЇ ОБЛАДНАННЯ - EIR (англ. Equipment Identity Register) - це база даних, яка використовується для ідентифікації рухомих станцій. На відміну від аналогових коміркових систем, в системі GSM права абонента не зв’язані з терміналом, що ним використовується, а лише із спеціальним модулем, який є його власністю. Ідентифікація абонента проводиться окремо від ідентифікації терміналу. Реєстр EIR з’єднаний з комутаційною станцією MSC за допомогою сигналізаційного каналу. Рухома станція, яка не отримала дозволу від MSC (напр., повідомлено в систему, що вона вкрадена) може бути заблокована.
Рухомі станції
Рухомі станції MS (англ. Mobile Station) виконують роль інтерфейсу абонента з системою GSM. Існують різні типи рухомих станцій, які відрізняються одна від одної потужністю передавача, а це впливає на розміри і ємність акумуляторів. Розрізняють найменші кишенькові рухомі станції (англ. handheld), більші, носимі станції (англ. portable), возимі та безпровідні виносні і безпровідні абонентські станції.