Услуги и внутренние интерфейсы

Визитный регистр местоположения (VLR — Visit Location Register)

Второе основное устройство, обеспечивающее контроль над передвижением подвижной станции из зоны в зону, — визитный регистр местоположения 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 включает в себя 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 — Location Area), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC — Location Area Code). 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 для услуг роуминга мобильной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). 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.

Во время движения подвижная станция может покинуть зону, обслуживаемую одним MSC/VLR, и переместиться в зону, которую обслуживает другой MSC/VLR. В этом случае MSC/VLR участвует в передаче управления от одного MSC/VLR к другому. Он также присваивает новый временный мобильный опознавательный код станции TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) и передает его в HLR. Новый MSC/VLR инициирует процедуру установления подлинности абонента и его оборудования. Кроме случая, когда подвижный абонент меняет зону местоположения, временный номер может периодически изменяться по решению оператора с целью защиты от злонамеренного перехвата номеров участников разговора. В этом случае процедура изменения идет также с использованием VLR, для доступа к VLR могут использоваться идентификационные номера IMSI, TMSI и MSRN.

В заключение отметим, что VLR — это локальная база данных в данной зоне, которая содержит информацию о подвижном абоненте. Применение VLR позволяет сократить число запросов HLR, и это снижает сетевой трафик и уменьшает время обслуживания.

В табл. 1.1, 1.2 и 1.3 приведены примеры состава долговременных и временных данных, хранящихся в HLR и VLR.

Регистры защиты и аутентификации

Для защиты и аутентификации используются два устройства: регистр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identity Register) и центр аутентификации (AUC — Authentication Center). Регистр идентификации оборудования — база данных, которая содержит список всей допустимой к обслуживанию подвижной аппаратуры на сети, где каждая мобильная станция идентифицирована ее международным опознавательным кодом мобильного оборудования (IMEI). IMEI может быть маркирован как запрещенный к обслуживанию, если станция украдена или такого типа, который не обслуживается. Центр аутентификации — защищенная база данных, которая накапливает копии ключей засекречивания, хранящихся в SIM-карте каждого абонента, и используется для аутентификации абонента и его оборудования, а также и шифрования для передачи по радиоканалу.

Каждый подвижный абонент имеет стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).

С помощью записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

EIR — регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IMEI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. Она состоит из списков номеров IMEI, организованных следующим образом.

БЕЛЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями. Терминалу позволяют соединиться с сетью.

ЧЕРНЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI подвижных станций, которые украдены, имеют некорректный тип мобильной станции для сети GSM или им отказано в обслуживании по другой причине. Терминалу не позволяют соединиться с сетью.

СЕРЫЙ СПИСОК содержит номера IMEI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, но не являющиеся основанием для внесения в "черный список". Терминал находится под наблюдением сети ввиду возможных проблем.

К базе данных EIR получают дистанционный доступ MSC данной сети, а также MSC других подвижных сетей.

Как и в случае с HLR, сеть может иметь более одного EIR, при этом каждый EIR управляет определенной группой оборудования, имеющей свой идентификационный номер IМЕI. В состав MSC входит транслятор, который при получении номера IМЕI выбирает адрес EIR — он содержит данные о части оборудования, имеющей этот номер.

Оборудование эксплуатации и технического обслуживания

ОМС (Operations and Maintenance Center) — центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети, а также контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х.25. Он обеспечивает функции обработки аварийных сигналов, предназначенных для оповещения обслуживающего персонала, и регистрирует сведения об аварийных ситуациях в других компонентах сети. В зависимости от характера неисправности ОМС позволяет обеспечить ее устранение автоматически или при активном вмешательстве персонала. Центр может провести проверку состояния оборудования сети и прохождения вызова подвижной станции. ОМС позволяет производить управление нагрузкой в сети. Функция эффективного управления включает сбор статистических данных о нагрузке от компонентов сети GSM, запись их в дисковые файлы и вывод на дисплей для визуального анализа. ОМС обеспечивает управление изменениями программного обеспечения и базами данных о конфигурации элементов сети. Загрузка программного обеспечения в память может производиться из ОМС в другие элементы сети или из них в ОМС.

NMC (Network Management Center) — центр управления сетью, дает возможность рационального иерархического управления сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC отвечает за управление трафиком во всей сети и обеспечивает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как, например, выход из строя или перегрузка узлов. Кроме того, он контролирует состояние устройств автоматического управления, задействованных в оборудовании сети, и отражает на дисплее состояние сети для операторов NMC. Это позволяет операторам контролировать региональные проблемы и при необходимости оказывать помощь ОМС, обслуживающему конкретный регион. Таким образом, персонал NMC знает состояние всей сети и может дать указание персоналу ОМС изменить стратегию решения региональной проблемы.

NMC следит за состоянием маршрутов сигнализации и соединений между узлами, чтобы не допускать условий для возникновения перегрузки в сети. Контролируются также маршруты соединений между сетью GSM и PSTN во избежание распространения условий перегрузки между сетями. При этом персонал NMC координирует вопросы управления сетью с персоналом других NMC. NMC обеспечивает также возможность управления трафиком для сетевого оборудования подсистемы базовых станций (BSS). Операторы NMC в экстремальных ситуациях могут задействовать такие процедуры управления, как "приоритетный доступ", когда только абоненты с высоким приоритетом (экстренные службы) могут получить доступ к системе.

NMC может брать на себя ответственность в каком-либо регионе, когда местный ОМС не способен обслуживать нагрузку, при этом ОМС действует в качестве транзитного пункта между NMC и оборудованием сети. NMC обеспечивает операторов функциями, аналогичными функциям ОМС.

NMC является также важным инструментом планирования сети, так как контролирует сеть и ее работу на сетевом уровне, а следовательно, снабжает планировщиков сети данными, определяющими нагрузочные параметры сети.

ADC (Administration Center) — административный центр — сетевая служба, ответственная за организацию связи, административное управление сетью и соблюдение установленных правил доступа.

ТСЕ (Transcoder Equipment) — транскодер, обеспечивает преобразование выходных сигналов передачи речи и данных MSC (64 Кбит/с ИКМ) к виду, соответствующему рекомендациям GSM по радиоинтерфейсу. В соответствии с этими требованиями скорость передачи речи, представленной в цифровой форме, составляет 13 Кбит/с. Этот канал передачи цифровых речевых сигналов называется "полноскоростным". Стандартом предусматривается в перспективе использование полускоростного речевого канала (скорость передачи 6,5 Кбит/с).

Снижение скорости передачи обеспечивается применением специального речепреобразующего устройства, использующего кодирование с линейным предсказанием (LPC — Linear Predictive Coding), долговременное предсказание (LTP — Long Term Predicting), возбуждение регулярной импульсной последовательностью (RPE — иногда называется RELP).

Транскодер обычно располагается вместе с MSC. Передача цифровых сообщений по направлению к контроллеру базовых станций (BSC) ведется с добавлением к потоку со скоростью передачи 13 Кбит/с дополнительных битов (stuffing). Таким образом, скорость передачи данных становится 16 Кбит/с. Затем осуществляется уплотнение с кратностью 4 в стандартный канал 64 Кбит/с. Так формируется определенная рекомендациями GSM

З0-канальная ИКМ линия, обеспечивающая передачу 120 речевых каналов. Шестнадцатый канал (64 Кбит/с) (slot) выделяется отдельно для передачи информации сигнализации и часто содержит сигналы ОКС № 7 или процедуры доступа к звену передачи данных для канала "D" — LAPD (Link Access Procedure for the D - channel).

В других каналах (64 Кбит/с) могут передаваться также пакеты данных, согласующиеся с протоколом X.25 МККТТ.

1.4. Основные принципы организации сети GSM

1.4.1. Внутренние интерфейсы GSM

Внутренние интерфейсы [ и перечислены в табл. 1.4.

Примечание: X-интерфейс предназначен для связи OMC различных GSM

А-интерфейс. Интерфейс между MSC и BSS (подсистема базовых станций –BSC- BTS) обеспечивает передачу сообщений для управления BSS, передачи вызова (хэндовер), управления при изменении местоположения. А-интерфейс объединяет каналы связи и линии сигнализации. Последние используют протокол ОКС № 7 МККТТ. Полная спецификация A-интерфейса соответствует требованиям серии 08 Рекомендации ETSI/GSM.

Abis-интерфейс. Интерфейс служит для связи между BSC с BTS и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием, передача осуществляется цифровыми потоками со скоростью 2,048 Мбит/с. Возможно использование физического интерфейса 64 Кбит/с.

В-интерфейс. Интерфейс между MSC и VLR. Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR. Если подвижная станция инициирует процедуру изменения местоположения, то MSC информирует свой VLR, который заносит всю изменяющуюся информацию в свои регистры. Эта процедура происходит всегда, когда MS переходит из одной области в другую. В случае если абонент запрашивает специальные дополнительные услуги или изменяет некоторые свои данные, MSC также информирует VLR, который регистрирует изменения и при необходимости сообщает о них HLR.

С-интерфейс. Интерфейс используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR. MSC может послать сообщение HLR в конце сеанса связи для того, чтобы абонент мог оплатить разговор. Когда сеть фиксированной телефонной связи не способна выполнить процедуру установления соединения подвижного абонента, MSC может запросить HLR с целью определения местоположения абонента, чтобы послать вызов MS.

D-интерфейс. Интерфейс между HLR и VLR используется для расширения обмена данными о положении подвижной станции и управления процессом связи. Основные услуги, предоставляемые подвижному абоненту, заключаются в возможности передавать или принимать сообщения независимо от местоположения. Для этого HLR должен пополнять свои данные. VLR сообщает HLR о положении MS, управляя ею и изменяя информацию в процессе обновления местоположения, а также посылает все необходимые данные для обеспечения обслуживания подвижной станции.

Е-интерфейс. Интерфейс обеспечивает взаимодействие между разными MSC при осуществлении процедуры handover — "передачи" абонента из зоны в зону при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва.

О-интерфейс. Интерфейс между BSC и ОМС предназначен для связи BSC с ОМС, используется в сетях с пакетной коммутацией МККТТ Х.25.

M-интерфейс. Внутренний BSC-интерфейс контроллера базовой станции обеспечивает связь между различным оборудованием BSC и оборудованием транскодирования (ТСЕ); использует стандарт ИКМ-передачи 2,048 Мбит/с и позволяет организовать из четырех каналов со скоростью 16 Кбит/с один канал на скорости 64 Кбит/с.

Um-радиоинтерфейс. Интерфейс между MS и BTS определен в сериях 04 и 08 Рекомендаций ETSI/GSM [76–79].

X-интерфейс. Сетевой интерфейс между ОМС разных сетей и так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети, определен ETSI/GSM Рекомендациями 12.01 и является аналогом интерфейса Q.3, который определен в многоуровневой модели открытых сетей ISO OSI.

Соединение сети с ОМС могут обеспечиваться системой сигнализации МККТТ ОКС №7 или сетевым протоколом Х.25. Сеть Х.25 может соединяться с объединенными сетями или с PSDN в открытом или замкнутом режимах.

GSM-протокол управления сетью и обслуживанием также должен удовлетворять требованиям Q.3 интерфейса, который определен в ETSI/GSM Рекомендациях 12.01.

1.4.2. Интерфейсы с внешними сетями

Соединение с PSTN

Соединение с телефонной сетью общего пользования осуществляется MSC по линии связи 2 Мбит/с в соответствии с системой сигнализации ОКС № 7. Электрические характеристики 2 Мбит/с интерфейса соответствуют Рекомендациям МККТТ G.732.

Соединение с ISDN

Для соединения с создаваемыми сетями ISDN предусматриваются четыре линии связи 2 Мбит/с, поддерживаемые системой сигнализации ОКС №7. Система сигнализации ОКС № 7 будет рассмотрена в дальнейшем.

Соединения с международными сетями GSM

В настоящее время обеспечивается подключение сети российской сети GSM к общеевропейским сетям GSM. Эти соединения осуществляются на основе протоколов систем сигнализации ОКС№7 четвертого уровня (SCCP — Signaling Connection Control Part) и межсетевого коммутационного центра мобильной связи (GMSC — Gateway MSC). Центр представляет узловую станцию, осуществляющую объединение сети GSM с одной или более наземными сетями. В ее функции входит преобразование форматов сигналов, конвертирование сетевых протоколов, а также взаимодействие с ТфОП.

1.4.3. Географические зоны сети GSM

Сеть GSM составлена из географических областей [, эти области включают ячейки, зоны местоположения (LA's — Location Areas), зоны обслуживания MSC/VLR и мобильную наземную сеть общего пользования (PLMN — Public Land Mobile Network).

Сота — область радиоохвата одного приемопередатчика одной BTS. Сеть GSM определяет каждую соту с помощью опознавательного кода глобального идентификатора соты (CGI — Cell Global Identity), номера, который назначается каждой соте.

Зона местоположения (LA — Location Area) — группа сот. Это область, в которой вероятнее всего может в данный момент перемещаться абонент.

Каждая зона местоположения обслуживается одним или более контроллерами базовых станций и только единственным центром коммутации мобильной связи — MSC (см. рис 1.2). Каждой зоне местоположения (LA) назначен идентификатор зоны нахождения абонента (LAI — Location Area Identification).

).

Мобильная наземная сеть общего пользования (PLMN — Public Land Mobile Network) — это совокупность зон обслуживания, принадлежащих одному сетевому оператору.

1.4.4. Повторное использование частот (Frequency reuse)

Повторное использование частот — способ организации связи, при котором одни и те же частоты многократно используются в разных зонах обслуживания [27, 32, 49, 101]. Применение частотно-территориального планирования с повторным использованием частот позволяет увеличить пропускную способность при ограниченном количестве частотных каналов.

Расстояние повторного использования частот (Frequency reuses distance) — расстояние между центрами двух удаленных сот, начиная с которого допускается повторное использование. В общем случае оно определяется по формуле $$D=\sqrt{3N}R$$, где $$N$$ — число ячеек в кластере, $$R$$ — радиус ячейки (радиус окружности, описанной вокруг гексагональной ячейки).

Кластер (cluster). Кластер — это группа из близко расположенных сот, в пределах которых недопустимо повторное использование из-за опасности превышения уровня взаимных помех. Размер кластера $$N$$ определяется по формуле:

Из этой формулы видно, что кластер может содержать только определенное число сот.

При:

i=0, j=1, N=1;
  i=1, j=1, N=3;
  i=1, j=2, N=4; и т. д.

Приведенное соотношение для $$D$$ показывает, что чем меньше радиус ячейки $$R$$, тем выше коэффициент повторяемости частот ( $$1/N$$ ), а следовательно, и эффективность использования выделенного диапазона частот. Отношение $$k=D/R=\sqrt{3N}$$ называется коэффициентом снижения внутриканальных помех и характеризует степень взаимного влияния удаленных сот, в которых используются одни и те же частотные каналы. Для приведенных выше значений $$N$$ значение $$k$$ равно: $$k_1=1,7; k_3=3; k_4=3,5; k_7=4,6; k_9=5,2; k_{12}=6$$.

Пример распределений частот при повторном использовании показан на рис 1.5 (4-элементный кластер) и рис 1.6 (7-элементный кластер).

1.4.5. Секторизованная сота

Сота, в которой обслуживание абонентов осуществляется базовой станцией с секторной антенной, называется секторизованной сотой. При этом зона покрытия антенны разделяется на секторы. Секторизация позволяет повысить пропускную способность системы сотовой связи без уменьшения размеров зоны покрытия или снижения мощности, излучаемой базовой станцией. Ширина направленности секторной антенны соответствует угловому размеру сектора. В системах сотовой связи обычно используют антенны с шириной диаграммы направленности 120° (трехсекторная антенна). Обычно применяются кластеры размерностью 3/9, 4/12, 7/21, где первая цифра обозначает число сот в кластере, а вторая — число секторов. На рис 1.7-а показан пример применения 3-секторной антенны для кластера 3/9. В этом примере распределяются 9 групп частот и применяются шестисекторные антенны — с шириной диаграммы направленности 60°. На рис 1.7-б показана разработанная корпорацией Motorola сотовая сеть с шириной одного из вариантов диаграммы направленности 60° и 12 группами несущих частот [22]. Этот кластер содержит 4 элемента и 6-секторную антенну (размер кластера 4/24).

1.4.6. Задачи каналов в системе GSM

Очевидно, что использование радиоканалов в мобильной сети GSM отличается от их применения в стационарной сети. Принцип использования каналов в системе GSM показан на рис 1.8.

В стационарной сети абонентские линии (абонентские каналы трафика) закреплены за телефонным аппаратом. Когда известен номер абонента, то при исходящей или входящей связи не требуется выбор абонентской линии.

В сети GSM определены два типа каналов трафика: полноскоростные речевые каналы, работающие на полной скорости (TCH/F — Traffic Channel/Full) — 22,8 Кбит/с, и полускоростные речевые каналы, работающие на половинной скорости (TCH/H — Traffic Channel/Half) — 11,4 Кбит/с. Половинная скорость позволяет вдвое увеличить число каналов в одном и том же частотном диапазоне.

В мобильной связи каналы трафика доступны любому абоненту. Поэтому в процессе установления соединения может быть выбран любой канал, к которому может быть подключена станция. Поскольку в свободном состоянии абонентская линия не имеет связи с каналами трафика, она нуждается в канале управления, например, для передачи сигнала "вызов", "setup", номера вызывающего абонента и т. п.

Поэтому для передачи запроса сети на установление соединения применяется канал, направленный от сети к MS. Это канал случайного доступа (RACH — Random Access Control Channel).

Поскольку запрос на установление соединения передается только в начале соединения и в дальнейшем выделяется канал для обмена управляющей информацией, этот канал является общим для всех станций зоны местонахождения.

Общему каналу всегда требуется процедура доступа для избежания и разрешения конфликтов. В данном случае чаще всего применяется процедура случайного многостанционного доступа с временным разделением типа ALOHA (TDMA — Time Division Multiple Access ALOHA). Принцип такого доступа основан на том, что все станции используют один канал связи, контролируя его работу, а передача осуществляется в случайные моменты времени, что уменьшает вероятность конфликтов. Такой доступ подробно описан в курсе лекций "Абонентские оконечные устройства и сети доступа".

В ответ на сигнал вызова выбирается автономный специализированный канал управления (SDCCH — Stand-alone dedicated Control Channel), по которому в дальнейшем передается служебная информация от MS в течение установления вызова прежде, чем будет найден канал трафика (TCH).

Для входящей связи передача сигнала "занятие" к MS реализуется по широковещательному каналу коротких сообщений (канал вызова) (PCH — Paging Channel), общему для всей соты. Это широковещательный канал коротких сообщений, который передает сигнал "вызов" всем станциям зоны местоположения (LA). Получив такой сигнал, станция MS определяет свой номер и отвечает на широковещательный сигнал так же, как при исходящем вызове, — сигналом запроса по каналу случайного доступа (RACH — Random Control Channel).

Далее сигналы установления соединения проходят как и при исходящей связи.

Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединения приведен на рис 1.9 [14].

На рисунке показаны некоторые особенности передачи сигналов. Ниже даны некоторые пояснения. Нарисованные слева коды сигналов будут рассмотрены далее.

При входящей связи BTS и MS пункта назначения (работа других элементов сети на данном рисунке не изображается):

Теперь можно рассмотреть подробнее весь состав сигнальных каналов.

1.4.7. Каналы сигнализации радиоинтерфейса

Сигнальные каналы радиоинтерфейса [).

Имеется 3 группы сигнальных каналов [29, 32, 33, 110].

Широковещательные каналы (BCH — Broadcast Channel). Доставляют информацию от станции к абоненту (downstream) и предназначены главным образом для коррекции частоты и синхронизации. Это единственный тип канала, допускающий связь "от точки — ко многим точкам", при которой короткие сообщения могут быть переданы одновременно нескольким мобильным телефонам.

BCH включают следующие каналы:

Общие каналы управления (CCCH — Common Control Channels): группа канала связи от абонента к станции и каналы связи от сети к MS. Эти каналы используются, чтобы передать информацию между сетью и MS. Общие каналы управления CCCH включают следующие каналы:

PCH и AGCH передают информацию в одном канале, называемую широковещательным сообщением, и каналом предоставления доступа, как это будет показано далее.

Специализированные каналы управления (DCCH — Dedicated Control Channel). Предназначены, например, для обслуживания: роуминга, изменения местоположения, передачи соединения (хэндовер), шифрования и т. д.

DCCH включают следующие каналы:

Дополнительная пропускная способность применяется, например, для процедур, связанных с установлением подлинности (аутентификацией), установлением соединения, хэндовером и т. д.

Почти все сигнальные каналы используют формат нормального пакета, кроме RACH (пакет произвольного доступа), FCCH (пакет коррекции частоты) и SCH (пакет синхронизации).

1.4.8. Некоторые примеры работы сети GSM

Обслуживание вызова от абонента стационарной сети к абоненту мобильной сети GSM

Cледующий пример [):

В рассматриваемом примере порядок действий следующий:

На рис 1.12 отдельно отображен процесс изменения номеров в процессе установления входящего вызова.

Регистрация в сети

При каждом включении телефона после выбора сети начинается процедура регистрации (рис 1.13). Рассмотрим наиболее общий случай — регистрацию не в домашней, а в чужой, так называемой гостевой, сети (будем предполагать, что услуга роуминга абоненту разрешена).

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого VLR с домашним HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи. Обычно период обязательной регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необходима для того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия. Дело в том, что в режиме ожидания "трубка" только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает. Процесс передачи начинается только в случае установления соединения, а также при значительных перемещениях относительно сети (ниже это будет рассмотрено подробно), — в таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при "выпадении" телефона из сети (например, был отсоединен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

При первой установке абонента в сети выполняется операция закрепления международного идентификационного номера мобильной станции (IMSI — International Mobile Station Identity). Обратная закреплению процедура — открепление — позволяет сети знать, что передвижная станция недостижима, и устраняет необходимость напрасно распределять каналы и передавать широковещательные сообщения. Процедура закрепления похожа на обновление местоположения и сообщает, что мобильная станция доступна снова.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных классов доступа (с номерами от 0 до 9). Абоненту присваивается класс доступа. Существует несколько специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети). Информация о классе доступа хранится в SIM-карте. Особый, 10-й класс доступа позволяет совершать экстренные звонки (по номеру 112), если пользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу или вообще не имеет IMSI (SIM). В случае чрезвычайных ситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрыт доступ в сеть.

Активация IMSI и закрепление/открепление осуществляется оператором на базе определенной соты.

Обновление местоположения

При подвижной связи в случае включенной мобильной станции осуществляется постоянное слежение за местоположением даже в случае отсутствия соединения. В частности, это необходимо для установления входящей связи. Включенная мобильная станция информируется о входящем вызове широковещательным сообщением, передаваемым по широковещательному каналу коротких сообщений (PCH — Paging Channel).

Один из вариантов определения местоположения — периодически сообщать о расположении объектов в каждой соте. При этом, если объект редко меняет свое местоположение (соту), такая процедура лишь понапрасну расходовала бы пропускную способность радиосети. Другой крайний случай — уведомлять систему при изменении местоположения мобильной станции широковещательным сообщением. но и это очень расточительно из-за большого количества мобильных станций, обновляющих свое местоположение. Компромиссное решение, используемое в GSM, — оповещение о местоположении при смене группы сот в зоне местоположения, приводящей к ухудшению связи. Обновляющие сообщения требуются при перемещении между областями местоположения, и передвижные станции просматриваются в сотах их текущей области.

Процедуры обновления местоположения и соответствующая последующая маршрутизация используют центр коммутации мобильной связи (MSC) и два регистра местоположения: домашний регистр местоположения (HLR) и визитный регистр местоположения (VLR). Когда передвижная станция:

Тогда это перемещение должно регистрироваться сетью, чтобы отметить текущее местоположение. В нормальном случае сообщение обновления местоположения передают новому центру коммутации мобильной связи — MSC (визитному регистру местоположения VLR), который записывает информацию в области памяти местоположения и затем передает ее домашнему регистру местоположения — HLR абонента. Информация, передаваемая HLR, — обычно через ОКС № 7, — это адрес нового VLR, хотя это может быть номер направления. Если абонент имеет право на обслуживание в новой области местоположения, HLR передает набор абонентской информации, необходимой для управления вызовом, новому центру коммутации мобильной связи (MSC/VLR) и посылает сообщение старому MSC/VLR об отмене старой регистрации.

Аутентификация и защита

Так как к радиосреде имеют доступ много устройств и абонентов, требуется аутентифицировать пользователей [) устанавливает подлинность и принадлежность к сети абонента и оборудования, определяет права и полномочия абонента и право доступа к сетевым ресурсам. Аутентификация проводится с помощью двух функциональных объектов: SIM-карты в мобильной станции и центра аутентификации (AuC — Authentication Center).

При регистрации AuC в домашней сети генерирует 128-битовое случайное число — RAND, пересылаемое телефону. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключ идентификации — так же, как и IMSI, он содержится в SIM) и алгоритма идентификации А3 вычисляется 32-битовый ответ — SRES (Signed respons) по формуле $$SRES=Ki*RAND$$. Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в AUC (по выбранному из HLR Ki пользователя). Если SRES, вычисленный в телефоне, совпадет со SRES, рассчитанным AuC, то процесс авторизации считается успешным и абоненту присваивается TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity — временный номер мобильного абонента). TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия подписчика с сетью и может периодически меняться (в том числе при смене VLR).

То же самое случайное начальное число и абонентский ключ засекречивания также используются, чтобы вычислить ключ шифрования, который применяет алгоритм шифрования речи. Этот ключ шифрования, вместе с номером кадра TDMA, алгоритму нужен, чтобы создать последовательность на 114 битов, применяя операцию "исключающее ИЛИ" (XOR) с 114 битами пакета (два блока на 57 битов).

Другой уровень защиты выполняется в MS непосредственно для защиты оборудования от несанкционированного использования. Как упомянуто ранее, каждый терминал GSM идентифицирован уникальным международным опознавательным кодом мобильного оборудования (IMEI — Mobile Equipment Identity). Список IMEI в сети сохраняется в регистре идентификации оборудования (EIR — Equipment Identity Register), и в ответ на запрос IMEI к EIR ему возвращается одно из следующих состояний, в соответствии с тем, в каком списке находится номер абонента:

Более детально вопросы безопасности сетей связи рассмотрены в курсе лекций "Криптография и безопасность сетей"

Передача соединения (хэндовер)

В сотовой сети радиоресурсы и фиксированные линии связи в течение вызова не остаются занятыми постоянно. Хэндовер (передача соединения), или хэндофф (handoff), как его называют в Северной Америке, — это переключение каналов и линий по мере перемещения подвижного объекта по различным каналам или ячейкам сотовой сети. Обнаружение и измерение уровня радиосигналов для хэндовера составляют одну из основных функций уровня RRM (Radio Resources Management).

Хэндоверы принято разделять на четыре типа, указанных цифрами на рис 1.15:

В общем случае проведение хэндовера — задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними хэндоверами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC, а MSC лишь информируется о происшедшем.

Первые два типа передачи соединения называются внутренними передачами соединения и включают только один контроллер базовой станции (BSC). Чтобы сохранять способность обмена сигналами, достаточно взаимодействия базовых станций (BSC), без использования управления центра коммутации мобильной связи (MSC). После окончания передачи соединения (хэндовера) необходимо уведомить об этом событии коммутации мобильной связи (MSC).

Последние два типа передачи соединения называются внешними передачами соединения и обрабатываются центрами коммутации мобильной связи (MSC), участвующими в соединении. Важный аспект — то, что первоначальный MSC (anchor MSC — анкерный центр ), который обеспечивает доступ к сети, остается ответственным за большинство переключений.

Передачи соединения (хэндовер) могут быть инициализированы или мобильной станцией, или центром коммутации мобильной связи (MSC). MS по широковещательному каналу управления (BCCH) проводит сканирование не менее 16 соседних сот, и формируется список шести лучших кандидатов на возможную передачу соединения, основанную на полученной напряженности поля сигналов. Эта информация передается к BSC и MSC не менее одного раза в секунду для использования алгоритмом передачи соединения (хэндовера).

Алгоритм момента времени, когда должно быть принято решение передачи соединения (хэндовер), не определен в рекомендациях GSM. Есть два основных используемых алгоритма, оба тесно связаны с управлением мощностью. Это объясняется тем, что базовая станция (BSC) обычно не знает, является ли плохое качество сигнала следствием замирания из-за многолучевости или следствием перемещения мобильной станции к другой ячейке. Особенно часто это происходит при маленьких городских ячейках.

Алгоритм "минимально допустимая характеристика" [49] дает приоритет управлению мощностью, а не передаче соединения (хэндоверу). Когда сигнал ухудшился до некоторой заданной точки, уровень мощности мобильной станции увеличивается с помощью управления. Если дальнейшее увеличение мощности не улучшает сигнал, то начинают передачу соединения (хэндовер). Это наиболее простой и наиболее общий метод, но он создает эффект "расплывчатой границы" соты, когда мобильная станция передает сигналы, используя пиковую мощность, проходя некоторое расстояние вне границы ячейки исходной соты в другую соту.

"Метод бюджета мощности" [49] предоставляет приоритет передаче соединения (хэндоверу). Целью является поддержание или улучшение качества сигнала при том же самом или более низком уровне мощности. В этом случае отсутствует проблема "расплывчатой границы" соты и уменьшаются межканальные помехи, но весьма усложняется алгоритм.

Рассмотрим процесс обмена сигналами, показанный на рис 1.16, как хэндовер 4-го типа (см.рис 1.15 [33]). Ниже приводится его описание.

Роуминг

Роуминг — одна из самых важных функций сотовой связи. Необходимость в роуминге возникает каждый раз, когда абонент изменяет свое местоположение и перемещается в сеть, принадлежащую другому оператору. Роуминг бывает локальный (переезд внутри города или в пригород), национальный (в другой город или область) и международный (переезд в другую страну).

При перемещении абонента в другую сеть ее центр коммутации мобильной связи (MSC/VLR) запрашивает информацию в первоначальной сети (MSC/HLR) и при наличии подтверждения полномочий абонента регистрирует его. Данные о местоположении абонента постоянно обновляются в центре коммутации первоначальной сети (MSC/HLR), и все поступающие туда вызовы автоматически переадресовываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.

По способу регистрации различают следующие виды роуминга:

Для обеспечения роуминга необходимо выполнение следующих условий:

При организации роуминга недостаточно провести только технические мероприятия по соединению различных сетей сотовой связи. Очень важно еще решить проблему взаиморасчетов между операторами этих сетей.

Кроме того, для организации передачи сигнальных сообщений при автоматическом роуминге нужно создать соответствующие сигнальные каналы и программное обеспечение. Это требует определенных затрат. Поэтому между областями обслуживания различных операторов должна быть большая потребность в обслуживании роуминговой связи [9] — больше, чем просто трафик от "случайно заехавших" абонентов.

1.5. Краткие итоги лекции 1