Принцип роботи GSM-мереж.

  • Час 8-09-2015, 10:40
  • Автор admin
  • Коментарів 0 Комент.
  • Силка url

GSM (або Global System for Mobile Communications) був розроблений у 1990 році. Перший оператор GSM прийняв абонентів в 1991 році, до початку 1994 року мережі, засновані на даному стандарті, мали вже 1.3 мільйона передплатників, а до кінця 1995 року їх число збільшилося до 10 мільйонів!

Почнемо з самого складного і, мабуть, нудного - блок-схеми мережі. При описі будуть використовуватися прийняті у всьому світі англомовні скорочення.

Найпростіша частина структурної схеми - переносний телефон, складається з двох частин: власне "трубки" - МО (Mobile Equipment - мобільний пристрій) і смарт-карти SIM (Subscriber Identity Module - модуль ідентифікації абонента), одержуваної при укладенні контракту з оператором. Як будь-який автомобіль забезпечений унікальним номером кузова, так і стільниковий телефон має власний номер IMEI (International Mobile Equipment Identity - міжнародний ідентифікатор мобільного пристрою), який може передаватися мережі за її запитом. SIM, у свою чергу, містить так званий IMSI (International Mobile Subscriber Identity - міжнародний ідентифікаційний номер підписувача). Таким чином, IMEI відповідає конкретному телефону, а IMSI - певного абонента.

"Центральною нервовою системою" мережі є NSS (Network and Switching Subsystem - підсистема мережі і комутації), а компонент, що виконує функції мозку" називається MSC (Mobile services Switching Center - центр комутації). Саме останній називають "комутатор", а також, при проблемах зі зв'язком, звинувачують у всіх смертних гріхах. MSC в мережі може бути і не один. MSC займається маршрутизацією викликів, формуванням даних для білінгової системи, управляє багатьма процедурами - простіше сказати, що не входить в обов'язки комутатора, ніж перераховувати всі його функції.

Наступними за важливістю компонентами мережі, що також входять в NSS, я б назвав HLR (Home Location Register - реєстр власних абонентів) і VLR (Visitor Location Register - реєстр переміщень). Зверніть увагу на ці частини, в подальшому ми будемо часто згадувати їх. HLR, грубо кажучи, являє собою базу даних про всіх абонентів, які уклали з розглянутої мережею контракт. У ній зберігається інформація про номери користувачів (під номерами маються на увазі, по-перше, згадуваний вище IMSI, а по-друге, так званий MSISDN-Mobile Subscriber ISDN, тобто телефонний номер у його звичайному розумінні), перелік доступних послуг та багато іншого - далі за текстом часто будуть показані параметри, що знаходяться в HLR.

На відміну від HLR, який в системі один, VLR'ів може бути і декілька - кожен з них контролює свою частину мережі. В VLR містяться дані про абонентів, які перебувають на його (і тільки його!) території (причому обслуговуються не тільки свої передплатники, але і зареєстровані в мережі роумери). Як тільки користувач покидає зону дії якогось VLR, інформація про нього копіюється в новий VLR, а з старого видаляється. Фактично, між тим, що є про абонента в VLR і в HLR, дуже багато спільного - подивіться таблиці, де наведено перелік довгострокових (табл.1) і тимчасових (табл.2 і 3) даних про абонентів, що зберігаються в цих реєстрах. Ще раз про відміну HLR від VLR: у першому розташована інформація про всіх передплатників мережі, незалежно від їх місцезнаходження, а в другому - дані тільки про тих, хто знаходиться на підвідомчої цьому VLR території. В HLR для кожного абонента постійно присутнє посилання на той VLR, який з ним (абонентом) зараз працює (при цьому сам VLR може належати чужій мережі, розташованої, наприклад, на іншому кінці Землі).

Довгострокові дані, збережені в HLR і VLR
1. Міжнародний ідентифікаційний номер абонента (IMSI)
2. Телефонний номер абонента в звичайному сенсі (MSISDN)
3. Категорія рухомий станції
4. Ключ ідентифікації абонента (Ki)
5. Види забезпечення додатковими послугами
6. Індекс закритої групи користувачів
7. Код блокування закритої групи користувачів
8. Склад основних викликів, які можуть бути передані
9. Оповіщення абонента
10. Ідентифікація номера абонента
11. Графік роботи
12. Оповіщення абонента
13. Контроль сигналізації при з'єднанні абонентів
14. Характеристики закритої групи користувачів
15. Пільги закритої групи користувачів
16. Заборонені вихідні виклики в закритій групі користувачів
17. Максимальна кількість абонентів
18. Використовувані паролі
19. Клас пріоритетного доступу

Тимчасові дані, збережені в HLR
1. Параметри ідентифікації та шифрування
2. Тимчасовий номер мобільного абонента (TMSI)
3. Адреса реєстру переміщення, в якому знаходиться абонент (VLR)
4. Зони переміщення рухомої станції
5. Номер соти при передачі естафетної
6. Реєстраційний статус
7. Таймер відсутності відповіді
8. Склад використовуваних у даний момент паролів
9. Активність зв'язку

Тимчасові дані, збережені в VLR
1. Тимчасовий номер мобільного абонента (TMSI)
2. Ідентифікатори області розташування абонента (LAI)
3. Вказівки по використанню основних служб
4. Номер соти при передачі естафетної
5. Параметри ідентифікації та шифрування

NSS містить ще два компоненти - AuC (Authentication Center - центр авторизації) та EIR (Equipment Identity Register - регістр ідентифікації обладнання). Перший блок використовується для процедур встановлення автентичності абонента, а другий, як випливає з назви, відповідає за допуск до експлуатації в мережі тільки дозволених стільникових телефонів.

Виконавчої, якщо так можна висловитися, частиною мережі, є BSS (Base Station Subsystem - підсистема базових станцій). Якщо продовжувати аналогію з людським організмом, то цю підсистему можна назвати кінцівками тіла. BSS складається з декількох "рук" і "ніг" - BSC (Base Station Controller - контролер базових станцій), а також безлічі "пальців" - BTS (Base Transceiver Station - базова станція). Базові станції можна спостерігати всюди - в містах, полях - фактично це просто приймально-передавальні пристрої, що містять від одного до шістнадцяти випромінювачів. Кожен BSC контролює цілу групу BTS і відповідає за управління та розподіл каналів, рівень потужності базових станцій тощо. Зазвичай BSC в мережі не один, а ціле безліч (базових станцій ж взагалі сотні і тисячі).

Управляється і координується робота мережі з допомогою OSS (Operating and Support Subsystem - підсистема управління і підтримки). OSS складається з усякого роду служб і систем, контролюючих роботу і трафік.

При кожному включенні телефону після вибору мережі починається процедура реєстрації. Розглянемо найбільш загальний випадок - реєстрацію не в домашній, а в чужій, так званої гостьовій мережі (будемо припускати, що послуга роумінгу абоненту дозволена).

Нехай мережа знайдена. За запитом мережі телефон передає IMSI абонента. IMSI починається з коду країни "приписки" його власника, далі йдуть цифри, що визначають домашню мережу, а вже потім - унікальний номер конкретного споживача. Наприклад, початок IMSI 25099... відповідає російському оператора Білайн. (250-Росія, 99 - Білайн). За номером IMSI VLR гостьовій мережі визначає домашню мережу і зв'язується з її HLR. Останній передає всю необхідну інформацію про абонента в VLR, який зробив запит, а у себе розміщує посилання на цей VLR, щоб у разі необхідності знати, де шукати" абонента.

Дуже цікавий процес визначення достовірності абонента. При реєстрації AuC домашньої мережі генерує 128-бітове випадкове число - RAND, пересланого запрошення телефону. Всередині SIM з допомогою ключа Ki (ключ ідентифікації, так само як і IMSI, він міститься в SIM) і алгоритму ідентифікації А3 обчислюється 32-бітовий відповідь - SRES (Signed RESult) за формулою SRES = Ki * RAND. Точно такі ж обчислення робляться одночасно і AuC (по вибраному з HLR Ki користувача). Якщо SRES, обчислений в телефоні, співпаде з SRES, розрахованим AuC, то процес авторизації вважається успішним і абоненту присвоюється TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity-тимчасовий номер мобільного абонента). TMSI служить виключно для підвищення безпеки взаємодії абонентів з мережею і може періодично змінюватися (в тому числі при зміні VLR).

Теоретично, при реєстрації повинен передаватися і номер IMEI, але у мене є великі сумніви щодо того, що мінський оператор відстежують IMEI використовуваних абонентами телефонів. Давайте будемо розглядати якусь "ідеальну" мережу, що функціонує так, як було задумано творцями GSM. Так ось, при отриманні IMEI мережею, він направляється в EIR, де порівнюється з так званими "списками" номерів. Білий список містить номери санкціонованих до використання телефонів, чорний список складається з IMEI, вкрадених чи з якоїсь іншої причини не допущених до експлуатації телефонів, і, нарешті, сірий список - "трубки" з проблемами, робота яких дозволяється системою, але за якими ведеться постійне спостереження.

Після процедури ідентифікації та взаємодії гостьового VLR з домашнім HLR запускається лічильник часу, що задає момент перереєстрації у разі відсутності будь-яких сеансів зв'язку. Зазвичай період обов'язкової реєстрації становить кілька годин. Перереєстрація необхідна для того, щоб мережа отримала підтвердження, що телефон знаходиться в зоні її дії. Справа в тому, що в режимі очікування "трубка" тільки відслідковує сигнали, що передаються мережею, але сама нічого не випромінює - процес передачі починається тільки у разі встановлення з'єднання, а також при значних переміщеннях щодо мережі (нижче буде розглянуто детально) - в таких випадках таймер, що відлічує час до наступної перереєстрації, запускається заново. Тому при "випаданні" телефону з мережі (наприклад, було від'єднано акумулятор, або власник апарата зайшов у метро, не вимкнувши телефон) система про це не дізнається.

Всі користувачі випадковим чином розбиваються на 10 рівноправних класів доступу (з номерами від 0 до 9). Крім того, є кілька спеціальних класів з номерами з 11 по 15 (різного роду аварійні та екстрені служби, службовий персонал мережі). Інформація про класі доступу зберігається на SIM. Особливий, 10 клас доступу, дозволяє здійснювати екстрені дзвінки (за номером 112), якщо користувач не належить до якого-небудь дозволеного класу, або взагалі не має IMSI (SIM). У разі надзвичайних ситуацій або перевантаження мережі деякими класами може бути на час закритий доступ в мережу.

Як вже було сказано, мережа складається з безлічі BTS - базових станцій (одна BTS - одна "сота", комірка). Для спрощення функціонування системи і зниження службового трафіку, BTS об'єднують у групи - домени, які отримали назву LA (Location Area - області розташування). Кожній LA відповідає свій код LAI(Location Area Identity). Один VLR може контролювати кілька LA. І саме LAI поміщається в VLR для визначення місця розташування мобільного абонента. У разі необхідності саме у відповідній LA (а не в окремій соте) буде проведений пошук абонента. При переміщенні абонента з однієї соти в іншу в межах однієї LA перереєстрація та зміна записів в VLR/HLR не проводиться, але варто йому (абоненту) потрапити на територію іншої LA, як почнеться взаємодія телефону з мережею. При зміні LA код старої області стирається з VLR і замінюється новим LAI, якщо ж наступний LA контролюється іншим VLR, то відбудеться зміна VLR і оновлення записів в HLR.

Взагалі кажучи, розбиття мережі на LA досить непроста інженерна задача, розв'язувана при побудові кожної мережі індивідуально. Занадто дрібні LA призведуть до частих перерегистрациям телефонів і, як наслідок, до зростання трафіку різного роду сервісних сигналів і більш швидкої розрядки батарей мобільних телефонів. Якщо ж зробити LA великими, то, у разі необхідності з'єднання з абонентом, сигнал виклику доведеться подавати всім стільників, що входять в LA, що також веде до невиправданого зростання передачі службової інформації і перевантаження внутрішніх каналів мережі.

Тепер розглянемо дуже гарний алгоритм так званого handover'ра (таку назву отримала зміна використовуваного каналу в процесі з'єднання). Під час розмови по мобільному телефону внаслідок низки причин (видалення "трубки" від базової станції, многолучевая інтерференція, переміщення абонента в зону так званої тіні тощо) потужність (і якість) сигналу може погіршитися. В цьому випадку відбудеться перемикання на канал (може бути, інший BTS) з кращою якістю сигналу без переривання поточного з'єднання (додам - ні сам абонент, ні його співрозмовник, як правило, не помічають події handover'а).

Handover'и прийнято розділяти на чотири типи:
1. зміна каналів у межах однієї базової станції
2. зміна каналу однієї базової станції на канал іншій станції, але знаходиться під патронажем того ж BSC.
3. перемикання каналів між базовими станціями, контрольованими різними BSC, але одним MSC
4. перемикання каналів між базовими станціями, за які відповідають різні BSC, але і MSC.

У загальному випадку, проведення handover'а - завдання MSC. Але в двох перших випадках, званих внутрішніми handover'ами, щоб знизити навантаження на комутатор і службові лінії зв'язку, процес зміни каналів управляється BSC, а MSC лише інформується про подію.

Під час розмови мобільний телефон постійно контролює рівень сигналу від сусідніх BTS (список каналів (до 16), за якими необхідно вести спостереження, визначається базовою станцією). На підставі цих вимірювань вибираються шість кращих кандидатів, дані про яких постійно (не рідше одного разу в секунду) передаються BSC і MSC для організації можливого перемикання. Існують дві основні схеми handover'а:

"Режим найменших перемикань" (Minimum acceptable performance). У цьому випадку, при погіршенні якості зв'язку мобільний телефон підвищує потужність свого передавача до тих пір, поки це можливо. Якщо ж, незважаючи на підвищення рівня сигналу, зв'язок не поліпшується (або потужність досягла максимуму), то відбувається handover.

"Енергозберігаючий режим (Power budget). При цьому потужність передавача мобільного телефону залишається незмінною, а у разі погіршення якості змінюється канал зв'язку (handover).
Цікаво, що ініціювати зміну каналів може не тільки мобільний телефон, але і MSC, наприклад, для кращого розподілу трафіку.

Поговоримо тепер, яким чином відбувається маршрутизація вхідних дзвінків мобільного телефону. Як і раніше, будемо розглядати найбільш загальний випадок, коли абонент знаходиться в зоні дії гостьовій мережі, реєстрація пройшла успішно, а телефон знаходиться в режимі очікування.
При надходженні запиту (малюнок нижче) на з'єднання від дротового телефонного (або іншого стільникового) системи на MSC домашньої мережі (виклик "знаходить" потрібний комутатор за набраним номером мобільного абонента MSISDN, який містить код країни та мережі).

MSC пересилає в HLR номер (MSISDN) абонента. HLR, у свою чергу, звертається із запитом до VLR гостьовій мережі, в якій знаходиться абонент. VLR виділяє один з наявних в її розпорядженні MSRN (Mobile Station Roaming Number - номер "блукаючої" мобільної станції). Ідеологія призначення MSRN дуже нагадує динамічне присвоєння адрес IP при комутованому доступу в Інтернет через модем. HLR домашньої мережі отримує від VLR присвоєний абоненту MSRN і, супроводивши його IMSI користувача, передає комутатора домашньої мережі. Заключною стадією встановлення з'єднання є напрям виклику, супроводжуваного IMSI і MSRN, комутатора гостьовій мережі, який формує спеціальний сигнал, переданий по PAGCH (PAGer CHannel - канал виклику) по всій LA, де знаходиться абонент.

Маршрутизація вихідних дзвінків не представляє з ідеологічної точки зору, нічого нового і цікавого. Наведу лише деякі з діагностичних сигналів , що свідчать про неможливість встановити з'єднання і які користувач може отримати у відповідь на спробу встановлення з'єднання.

Основні діагностичні сигнали про помилку при встановленні з'єднання
Номер абонента зайнятий - 425±15 Гц - 500мс гудок, 500 мс пауза
Перевантаження мережі - 425±15 Гц - 200мс гудок, 200 мс пауза
Загальна помилка - 950±50Гц 1400±50Гц 1800±50Гц - Потрійний гудок (тривалість кожної частини 330 мс), 1 з пауза

Tags

Коментарі до новини

Календарчик

  • «    Квітень 2018    »
    ПнВтСрЧтПтСбНд
     1
    2345678
    9101112131415
    16171819202122
    23242526272829
    30 

Опитування

Оцените работу движка

Лучший из новостных
Неплохой движок
Устраивает ... но ...
Встречал и получше
Совсем не понравился