Исследование принципов построения сотовых сетей стандарта GSM

Как цифровая технология, помимо передачи речи GSM может поддерживать и передачу данных. Прежде всего, это  широко доступная для абонентов GSM служба коротких сообщений (Short Message Service, SMS), причем сообщения (длиной до 160 байт) могут передаваться в обоих направлениях.

SMS может использоваться, например, для автоматического оповещения  администратора о каких-либо событиях  в сети, так как сообщения могут отправляться не только с телефона на телефон, но и через Internet.При наличии модема сотовый телефон может использоваться для передачи файлов с компьютера и других подобных целей.

Конечно, скорость передачи при этом небольшая, да и  обходится это не дешево, но для нас важно наличие принципиальной возможности, тем более что скорости увеличиваются — с 9,6 до 14,4 Кбит/с, а в скором времени — и свыше сотни килобит в секунду, а цены падают. Кроме того, в определенных ситуациях деньги отходят на второй план.

Новое поколение  сотовых телефонов оснащается микробраузерами, так что их можно непосредственно  использовать для чтения сообщений  электронной почты, просмотра информации Web. Все это ведет к тому, что  сотовые телефоны становятся такими же компонентами корпоративной сети, как, например, PDA, тем более что некоторые производители совмещают функции обоих в одном устройстве.

Идея сотовой  связи была придумана в “Bell Labs”  в начале 70-х гг. Она состояла в  применении передатчиков небольшой  мощности в целях обеспечения возможности повторного использования одних и тех же частот на одной территории. Топология такой сети напоминает пчелиные соты, отсюда и ее название.

Архитектура сотовой  сети состоит из трех основных компонентов  — сотовых телефонов, базовых  станций и сетевой подсистемы. Стандарт GSM представляет собой, по сути, набор рекомендаций. Производители вольны в выборе способа реализации оборудования — главное, чтобы оно выполняло необходимые функции и поддерживало соответствующие интерфейсы. Этим объясняется, в частности, сегодняшнее разнообразие мобильных трубок на рынке.

C функциональной  точки зрения подвижная станция (Mobile Station, MS), — состоит из двух компонентов: мобильного оборудования (собственно телефона) и модуля идентификации абонента (Subscriber Identification Module, SIM) в виде смарт-карты. Каждый аппарат имеет свой уникальный идентификатор мобильного оборудования (International Mobile Equipment Identity, IMEI).

Наличие SIM является одной из отличительных особенностей GSM. Вынув модуль SIM из одного аппарата и вставив его в другой, абонент может продолжать пользоваться всеми теми услугами, на которые он подписался.

Модуль содержит международный идентификатор мобильного абонента (International Mobile Subscriber Identity, IMSI) и  другие данные, в частности секретный ключ шифрования. Он защищается от несанкционированного использования при помощи пароля — обычно это четырехзначный персональный идентификационный номер (Personal Identification Number, PIN).

В центре каждой соты находится базовая станция, точнее, базовая приемо-передающая станция (Base Transiever Station, BTS). Станция обеспечивает связь для находящихся в радиусе ее действия сотовых телефонов. Диаметр соты выбирается исходя из плотности абонентов в данном регионе: чем выше плотность, тем меньше должен быть диаметр. Для стандарта GSM 900 он не может превышать 50 км.

Одна или  несколько базовых станций находятся  под управлением контроллера  базовых станций (Base Station Controller, BSC). Если базовая станция отвечает за радиосвязь с абонентским оборудованием, то контроллер — за конфигурацию радиоканалов, передачу мобильного пользователя от одной базовой станции к другой (handover) и смену частот для уменьшения интерференции между соседними каналами (frequency hopping). Вместе эти два компонента — BTS и BSC — образуют подсистему базовых станций (Base Station Subsystem, BSS).

Возможность звонков  с мобильного телефона и на него обеспечивает сетевая и коммутирующая  подсистема (Network and Switching Subsystem, NSS). Главным  ее компонентом является коммутационный центр мобильных услуг (Mobile services Switching Center, MSC). По своему назначению он аналогичен обычному телефонному коммутатору и отвечает за идентификацию и регистрацию абонентов, маршрутизацию вызовов, за интерфейс с традиционными телефонными сетями и т. д.

Надо сказать, что в сети GSM реализован ряд передовых  концепций современной традиционной телефонии, так и не нашедших в ней широкого применения в силу консерватизма отрасли и огромной инсталлированной базы оборудования. В сети GSM нашли воплощение многие принципы интеллектуальной сети (Intelligent Network, IN), и в частности отделение функций собственно коммутации вызовов от предоставления услуг.

Помимо MSC сетевая  подсистема содержит целый ряд баз  данных, к информации которых MSC обращается для выполнения своих функций. Маршрутизация  вызовов при роуминге, например, осуществляется с помощью домашнего реестра абонентов (Home Location Register, HLR) и гостевого реестра абонентов (Visitor Location Register, VLR), а идентификация и защита — с помощью реестра оборудования (Equipment Identity Register, EIR) и идентификационного центра (Authentication Center, AuC).

 

1.2 История развития стандарта GSM

В 1982 г. в рамках организации Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) была образована рабочая группа под  названием Groupe Special Mobile (GSM), главными задачами которой стали удешевление оборудования, повышение качества связи, поддержка международного роуминга и достижение совместимости с ISDN. В Европе для восходящего и нисходящего потоков соединения с мобильным терминалом используются диапазоны частот 890-915 MHz и 935-960 MHz. Доступ осуществляется по комбинированной методике TDMA/ FDMA. В частотном диапазоне шириной 25 MHz размещается 124 несущих, разделенных промежутками в 200 kHz. Каждая базовая станция привязана к одной или более частотам. В свою очередь передача данных выполняется с разделением по времени. Информация упаковывается в фреймы TDMA, состоящие из 8 элементов длительностью около 0,577 мс, так называемые «временные слоты». Структура данных, размещенная в рамках такого слота, называется «burst» (пакет). Одна несущая обслуживает сразу несколько логических каналов, каждому из них отводится определенное количество слотов. Каналы делятся на присвоенные, доступ к которым может иметь только один конкретный мобильный терминал, и общие, или управляющие, доступные всем устройствам в режиме ожидания. Передача данных осуществляется через Traffic Channel (TCH). Он относится к первой группе и использует в качестве минимальной структурной единицы мультифрейм длительностью 120 мс, состоящий из 26 фреймов,  рисунок 1.1. Для упрощения электроники терминалов мультифреймы восходящего и нисходящего потоков передаются последовательно и разделены во времени паузой, равной трем слотам. Это означает невозможность полнодуплексного соединения в сетях GSM. Согласно техническим спецификациям, различают следующие разновидности каналов TCH: голосовые — 14,4 Kbps, данных — 9,6 Kbps, 4,8 Kbps и 2,4 Kbps, а также СВСН - Cell Broadcast Channel. Скорости 14,4 Kbps для данных удается достичь только за счет удаления заголовочной структуры блоков TCH и специальных алгоритмов коррекции ошибок. Так как GSM является цифровой сетью, для передачи не голосовых данных не требуется отдельного модема.

 

 

Рисунок 1.1 – Фрейм TDMA

 

Для инициирования  вызовов и прочей служебной информации предназначены управляющие каналы (Control Channels), оперирующие мультифреймами из 51 фрейма. Мобильный терминал может использовать общий канал не только в режиме ожидания, но и во время передачи данных по ТСН. Есть несколько типов таких каналов, в том числе:

- Broadcast Control Channel (ВССН) - однонаправленный канал, по которому постоянно передается информация о параметрах и конфигурации базовой станции;

- Frequency Correction Channel (FCCH) и Synchronisation Channel     (SCH) используются при синхронизации  терминалов с временными параметрами логических каналов;

- Random Access Channel (RACH), Paging Channel (PCH) — отвечают за инициализацию  исходящих и вхо-дящих вызовов; 

- Access Grant Channel (AGCH) -обслуживает  процедуры при-сваивания канала.

Разнообразие  назначений каналов вызвало появление четырех разновидностей элементарной структуры данных (burst):

- Normal (нормальная) — общей длиной 156 бит, содержит 114 бит полезных данных;

- F-burst и S-burst — с иной структурой, но той  же длины, ис-пользуются в каналах  FCCH и SCH;

- Access burst — более  короткая, предназначена для канала RACH.

Для передачи цифровых данных через аналоговый радиоканал используется метод гауссовой модуляции с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK). Теоретически полная пропускная способность физического канала составляет около 270 Kbps. По информации Motorola, ее оборудование реально обеспечивает 172 Kbps на одной несущей, базовая станция поддерживает в стандартной конфигурации б несущих, хотя в принципе их количество можно увеличить до 24. Это дает нам соты (0,1-70 км) от 1 Mbps до 4 Mbps (если методы увеличения числа несущих не приводят к уменьшению удельной пропускной способности). Частично нейтрализовать влияние аномальных «провалов», возникающих на отдельных участках спектра в результате многопутевого распространения сигналов с появлением отражений, удается периодической сменой частоты (frequency hopping). Каждый следующий фрейм передается на другой частоте, при этом в секунду выполняется 217 «скачков». Схема, по которой осуществляются скачки, постоянно транслируется базовой станцией по каналу ВССН.

 

 

1.3 Структурная схема и состав оборудования сети GSM

 

 

Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM, иллюстрируются структурной схемой, показанной на рисунке 1.2, на которой MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) - подвижные станции.

Функциональное сопряжение элементов  системы осуществляется рядом интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты в стандарте GSM взаимодействуют в  соответствии с системой сигнализации МККТТ SS N 7 (CCITT SS. N 7).

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной ISDN коммутационной станции, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов.

 

Рисунок 1.2 - Структурная схема сети GSM

 

Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, расположенных  в пределах определенной географической зоны. MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.

MSC формирует данные, необходимые  для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети, поддерживает процедуры  безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

MSC не только участвует в управлении  вызовами, но также управляет  процедурами регистрации местоположения  и передачи управления, кроме  передачи управления в подсистеме  базовых станций (BSS).

 

 

 

 

 

 

 

 

1	IMSI – международный идентификационный номер подвижного абонента
2	Номер подвижной станции  в международной сети ISDN
3	Категория подвижной  станции
4	Ключ аутентификации
5	Виды обеспечения вспомогательными службами
6	Индекс закрытой группы пользователей
7	Код блокировки закрытой группы пользователей
8	Состав основных вызовов, которые могут быть переданы
9	Оповещение вызывающего  абонента
10	Идентификация номера вызываемого  абонента
11	График работы
12	Оповещение вызываемого  абонента
13	Контроль сигнализации при соединении абонентов
14	Свойства (средства) закрытой группы пользователей
15	Льготы закрытой группы пользователей
16	Запрещенные исходящие  вызовы в закрытой группы пользователей
17	Максимальной количество абонентов
18	Используемые пароли
19	Класс приоритетного  доступа

 

 

 

 

20	Запрещенные входящие вызовы в закрытой группы пользователей

 

Рисунок 1.3 - Состав долговременных данных, хранящихся в HLR и VLR

 

Практически HLR представляет собой справочную базу данных о постоянно  прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.

К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются  несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением  подвижной станции из зоны в зону, - регистр перемещения VLR. С его  помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции.

Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев  предусмотрена защита устройств  памяти этих регистров.

VLR содержит такие же  данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.

В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.

VLR обеспечивает также  присвоение номера "блуждающей" подвижной станции (MSRN). Когда подвижная станция принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает его на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.