Архитектура сотовой сети связи стандарта GSM, описание основных подсистем, блоков, и устройств

 

Сеть сотовой мобильной связи стандарта GSM является крупной и сложной телекоммуникационной системой. При рассмотрении внутренней структуры сети GSM можно выделить четыре основных компонента - центр управления и обслуживания (ЦУО) и три подсистемы:

подсистема мобильных станций (ПМС);

подсистема базовых станций (ПБС);

подсистема коммутации (ПК).

Функциональное сопряжение данных подсистем описывается рядом интерфейсов.

Подсистема мобильных станций объединяет оборудование, обеспечивающее доступ абонентов в систему.

Главным звеном в архитектуре ССМС является подсистема коммутации, которая включает в себя центр коммутации подвижной связи (ЦКПС), визитный (гостевой) регистр местоположения (ВРМ), домашний регистр местоположения (ДРМ), центр аутентификации (ЦА) и регистр идентификации оборудования (РИО).

В подсистему базовых станций входят базовые приемопередающие станции (БС) и контроллеры базовых станций (КБС). Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается и процессе работы мобильная станция, т.е. коммутацию мобильных абонентов друг с другом, с абонентом телефонной сети общего пользования (ТфОП) и др.

ЦКПС представляет собой автоматическую цифровую телефонную станцию и обслуживает группу сот, обеспечивая все виды соединений, в которых нуждается мобильная станция:

1) выход мобильной станции на телефон общего пользования,

2) выход на телефон внутри сети одного оператора,

3) звонок на телефон этого стандарта другого оператора,

4) звонок на сеть другого стандарта.

На ЦКПС возлагаются также функции коммутации каналов, к которым относятся "передача обслуживания" (или "эстафетная передача") и переключение каналов в соте при появлении сильных помех и неисправностей, если только это не является обязанностью КБС. Помимо коммутационных задач ЦКПС, управляет процедурами слежения за мобильными станциями с помощью домашнего и визитного регистров местоположения для обеспечения доставки вызова, а также процедурами аутентификации и идентификации абонентов с помощью ЦА и РИО.

Блоки ДРМ и ВРМ по своей сути представляют собой базы данных. Первый содержит сведения о постоянно приписанных к данному ЦКМС абонентах и о видах услуг, которые им могут быть оказаны, второй содержит информацию об абонентах, временно находящихся в зоне обслуживания данного ЦКМС.

Контроллер базовых станций осуществляет управление несколькими БС, которые обеспечивают связь с МС через радиоинтерфейс, а также производит упаковку информации, передаваемой в ЦКПС, и ее распаковку при передаче в обратном направлении.

При этом ЦКПС может выполнять функции коммутации каналов и пакетов:

1) коммутация каналов – создание канала передачи информации между абонентами на всё время сеанса связи (речевой трафик – передача речевой информации);

2) коммутация пакетов (формируются пакеты переменной или посто-янной длины).

В общем случае можно организовать независимую коммутацию каналов и независимую коммутацию пакетов. Получил распространение протокол GPRS (General Packet Radio Serves), который позволяет более быстро передать данные.

ЦКПС также выполняет функции эстафетной передачи и роуминга.

В ДРМ содержатся номера, адреса, параметры подлинности абонентов, состав услуг связи и другие параметры, помогающие выполнять маршрутизацию. ВРМ и ДРМ содержат до 20 наименований постоянно и временно хранящихся данных. Доступ к данным в ДРМ имеют все остальные центры коммутации. ВРМ обеспечивает контроль за перемещением мобильных станций и служит для эффективного управления установленными соединениями, при этом заносится информация о его месте расположения.

В GSM соты объединяются в географические зоны LA. Каждой зоне присваивается свой идентификационный номер LA_C. Когда абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются регистром местоположения. После записи по новому адресу старые данные стираются.

ЦА обеспечивает возможность проведения процедуры аутентификации абонентов и шифрование передаваемых сообщений.

РИО содержит сведения об эксплуатируемых мобильных станциях на предмет исправности и санкционированного использования.

Цель внедрения этих процедур – обеспечение защиты абонентов от попыток обмана, несанкционированных действий, попыток захвата.

ЦУО (центр управления и обслуживания) осуществляет взаимодействие со всеми основными узлами и устройствами подсистемы коммутации.

Кроме того, имеется ЦУС – центр управления сетью, который позволяет обеспечить иерархическое управление всей сетью GSM, диспетчерское управление, контроль трафика, предотвращение аварийных ситуаций при перегрузке, контроль региональных проблем, контроль маршрутов сигнализации.

ЦКПС обеспечивает через ШЦКПС связь с внешними сетями: телефонной сетью общего пользования (TфОп), цифровой сетью с интеграцией служб (ЦСИС или ISDN), сетью передачи данных (PTN).

На рисунке 1.4 показана структурная схема сети сотовой мобильной связи стандарта GSM с возможностью пакетной передачи данных.

 

Рисунок 1.4 – Структурная схема сети сотовой мобильной связи стандарта GSM

 

Для высокоскоростной передачи данных посредством существующих GSM сетей была разработана услуга пакетной передачи данных по радиоканалу (GPRS).

Кроме повышения скорости (максимум составляет 171,2 кбит/с), новая система предполагает иную схему оплаты услуги передачи данных – при использовании GPRS расчеты производятся пропорционально объему переданной информации, а не времени. К тому же, технология GPRS способствует более бережливому и рациональному распределению радиочастотного ресурса, можно сказать, что пакеты данных передаются одновременно по многим каналам (именно в одновременном использовании нескольких каналов и заключается выигрыш в скорости) в паузах между передачей речи. И только в паузах голосовой трафик имеет безусловный приоритет перед данными, так что скорость передачи информации определяется не только возможностями сетевого и абонентского оборудования, но и загрузкой сети [5].

Для корпоративных пользователей система GPRS служит отличным инструментом для обеспечения безопасного и быстрого доступа сотрудников к корпоративным сетям предприятий, к почтовым, информационным серверам, удаленным базам данных. При этом появится возможность получать доступ к корпоративным сетям даже если абонент находится в сети другого GSM оператора, с которым организован GPRS роуминг.

Технологии GPRS применяется в системах телеметрии: устройство может быть все время подключено, не занимая при этом отдельный канал. Такая услуга востребована службами охраны, банками для подключения банкоматов и в других областях, в том числе и промышленных. Технология GPRS позволяет быстро передавать и получать большие объемы данных, видеоизображения, музыкальные файлы стандарта MP-3 и другую мультимедийную информацию.

В GPRS ни один канал не занимается под передачу данных целиком - и это основное качественное отличие этой технологии. Разумеется, разработчики GPRS приложили все усилия для того, чтобы установка новой системы "поверх" существующих GSM сетей оказалась как можно менее обременительной для операторов.

Рассмотрим подробнее, какие новые блоки и связи появляются в общей архитектуре системы сотовой связи стандарта GSM с внедрением GPRS, и пользовательское оборудование, способное работать с высокоскоростной пакетной передачей данных. Доработку GSM сети для предоставления услуг высокоскоростной передачи данных GPRS можно условно разделить на две формы - программную и аппаратную. Если говорить о программном обеспечении, то оно нуждается в замене или обновлении практически всюду - начиная с реестров ДРМ-ВРМ и заканчивая базовыми станциями. В частности, вводится режим многопользовательского доступа к временным кадрам каналов GSM, а в ДРМ, например, появляется новый параметр Mobile Station Multislot Capability (количество каналов, с которыми одновременно может работать мобильный телефон абонента).

Ядро системы GPRS (GPRS Core Network) состоит из двух основных блоков – SGSN (Serving GPRS Support Node – узел поддержки GPRS (УП ППД)) и GGSN (Gateway GPRS Support Node – шлюзовой узел GPRS (ШУ ППД)). Остановимся на их функциях более подробно.

Узел поддержки пакетной передачи данных (УП ППД) является “мозгом” рассматриваемой системы. В некотором роде УП ППД можно назвать аналогом ЦКМС - коммутатора сети GSM. УП ППД контролирует доставку пакетов данных пользователям, взаимодействует с реестром собственных абонентов сети ДРМ, проверяя, разрешены ли запрашиваемые пользователями услуги, ведет мониторинг находящихся online пользователей, организует регистрацию абонентов вновь "проявившихся" в зоне действия сети и т.п. Так же как и ЦКМС, УП ППД, в системе может быть и не один – в этом случае каждый узел отвечает за свой участок сети. Например, УП ППД производства компании Motorola имеет следующие характеристики: каждый узел поддерживает передачу до 2000 пакетов в секунду, одновременно контролирует до 10000 находящихся online пользователей. Всего же в системе может быть до 18 УП ППД Motorola.

Предназначение шлюзового узла пакетной передачи данных (ШУ ППД) можно понять из его названия – это шлюз между сотовой сетью (вернее, ее частью для передачи данных GPRS) и внешними информационными магистралями (Internet, корпоративными интернет-сетями, другими GPRS системами и так далее). Основной задачей ШУ ППД, таким образом, является маршрутизация данных, идущих от и к абоненту через УП ППД. Вторичными функциями ШУ ППД является адресация данных, динамическая выдача IP-адресов, а также отслеживание информации о внешних сетях и собственных абонентах (в том числе тарификация услуг).

В GPRS систему заложена хорошая масштабируемость – при появлении новых абонентов оператор может увеличивать число УП ППД, а при эскалации суммарного трафика – добавлять в систему новые ШУ ППД. Внутри ядра GPRS-системы (между УП ППД и ШУ ППД) данные передаются с помощью специального туннельного протокола GTP (GPRS Tunneling Protocol).

Еще одной составной частью системы GPRS является контролер пакетной передачи КПП (устройство контроля пакетной передачи). КПП стыкуется с КБС и отвечает за направление трафика данных непосредственно от КБС к УП ППД. Но есть альтернатива такой модернизации, без изменений в контролере (КБС) например компания Alcatel предлагает решение Alcatel EVOLIUM™ MFS 9135 Multi-BSS Fast packet Server — это специальный сервер GPRS, предназначенный для поддержки существующих базовых станций Evolium BSS (СБС). Сервер может располагаться на площадке ЦКМС или отдельным, и поэтому его инсталляция требует только удаленной загрузки небольшого программного обеспечения без прерывания работы сети. Конструктивно сервер может состоять из одной или двух полок, вмещающих до 11 процессорных плат плюс 1 резервную каждая. В максимальной конфигурации сервер обслуживает 22 КБС и обеспечивает одновременную обработку до 5280 каналов PDCH (Packet Data channels). В перспективе (при ориентации системы на мобильный Интернет) возможно добавление специального узла – IGSN (Internet GPRS Support Node – узел поддержки Интернет).

За управление и контроль GPRS-системы отвечает OMC-R/G (Operation and Maintenance Center – Radio/GSN – центр управления и обслуживания радио/узла GPRS. Это интерфейс между системой и обслуживающим ее персоналом.

Прежде чем приступить к работе с GPRS, мобильная станция, так же как и в обычном случае передачи голоса, должна зарегистрироваться в системе. В случае успешного прохождения всех процедур (проверки доступности запрашиваемой услуги и копирования необходимых данных о пользователе из ДРМ в УП ППД) абоненту выдается P-TMSI (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity – временный номер мобильного абонента для пакетной передачи данных), аналогичный TMSI, который назначается мобильному телефону для передачи голоса (если абонентский терминал относится к классу А, то ему при регистрации выделяется как TMSI, так и P-TMSI).

Для быстрой маршрутизации информации к мобильному абоненту GPRS-система нуждается в данных о его месторасположении относительно сети, причем с большей точностью, нежели в случае передачи голосового трафика (ДРМ и ВРМ хранят номер Location Area (LA), в которой находится абонент). Но как возрастет служебный трафик в сотовой сети и расход энергии мобильным аппаратом, если телефон будет информировать систему каждый раз при переходе от одной соты к другой. Чтобы найти разумный компромисс между объемом сигнального трафика в сети GPRS и необходимостью знать с высокой точностью местонахождение абонента принято деление терминалов на три класса.

1. Неработающий (IDLE). Телефон отключен или находится вне зоны действия сети. Очевидно, что система не отслеживает перемещение подобных абонентов.

2. Режим ожидания (STANDBY). Аппарат зарегистрирован (прикреплен) в GPRS-системе, но уже долгое время (определяемое специальным таймером) не работает с передачей данных. Местоположение STANDBY - абонентов известно с точностью до RA (Routing Area – область маршрутизации). RA мельче, чем LA (каждая LA разбивается на несколько RA, но, тем не менее, RA крупнее, чем сота, и состоит из нескольких элементарных ячеек).

3. Готовность (READY). Абонентский терминал зарегистрирован в системе и находится в активной работе. Координаты телефонов, находящихся в режиме READY, известны системе (а, точнее, УП ППД) с точностью до соты. Согласно этой идеологии, терминалы, находящиеся в STANDBY-режиме, при переходе из одного RA в другой посылают УП ППД специальный сигнал о смене области маршрутизации (routing area update request). Если новая и старая RA контролируется одним УП ППД, то смена RA приводит лишь к корректировке записи в УП ППД. Если же абонент переходит в зону действия нового SGSN, то новый УП ППД запрашивает у старого информацию о пользователе, а ЦКМС, ВРМ, ДРМ и вовлеченные в работу ШУ ППД ставятся в известность о смене УП ППД. Когда телефон, работающий с GPRS-системой, перемещается в другую LA, то УП ППД отправляет соответствующему ВРМ сообщение о необходимости смены записи о местонахождении абонента.

При маршрутизации данных в случае роуминга GPRS-абонента возможны два варианта. УП ППД в обоих случаях используется визитный (ВУП ППД – Visited SGSN), а ШУ ППД может использоваться либо визитный (ШУ ППД – Visited GGSN), либо домашний (ДШУ ППД – Home GGSN). В последнем случае между домашним и гостевым операторами должна существовать GPRS-магистраль (InterPLMN GPRS BackBone – GPRS-линия между разными мобильными сетями) для передачи трафика между HGGSN и мобильным абонентом. Кроме того, появляется необходимость в BG (Border Gateway – граничный шлюз) с обеих сторон с целью обеспечения защиты сетей от атак извне.