Услуги и внутренние интерфейсы

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:

1. Смена каналов в пределах одной базовой станции.
2. Смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под управлением того же BSC.
3. Переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC, но одним MSC.
4. Переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC, но и разные MSC.

Рис. 1.15. Варианты хэндовера

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.

1. Когда MS включена, она периодически извещает о качестве сигналов BTS1 с помощью сообщения об измерении. Эти сообщения передаются в каждом SACHH (низкоскоростной выделенный канал управления) с периодичностью 480 мсек. Сообщение об измерении содержит измерения качества сигналов соседних ячеек.
2. Если качество сигнала хорошее, то MS не предпринимает никаких действий. Когда MS достигает границы между зонами обслуживания MSC2 и MSC1, она извещает BTS1, что получает слабый сигнал.
3. BTS1 принимает решение об инициализации процесса хэндовер для того, чтобы улучшить качество обслуживания MS, и передает результаты измерений BSC1, включая измерения качества сигналов соседних ячеек BSC1.
4. BSC1 проводит анализ результатов измерения, чтобы определить зону обслуживания с лучшим качеством.
5. Если BSC1 решает запросить хэндовер, то он передает MSC1 номер используемой соты и список целевых сот с лучшими показателями, чем у используемой соты. При этом станция BTS2 включена в список целевых сот. На BSC1 включается таймер, чтобы ограничить время ожидания начала хэндовера (поступления сигнала от MSC1 о начале процесса хэндовера).
6. MSC1 передает запрос на хэндовер к MSC2. При этом из регистра MSC1 (это может быть VLR или HLR) передаются данные для маршрутизации и аутентификации. На MSC1 включается таймер, чтобы ограничить время ожидания начала хэндовера в зоне обслуживания MSC2 (время ответа от BSC2).
7. На MSC2 запрос на передачу соединения обрабатывается как новый исходящий вызов и выбирается канал для нового вызова. Новые данные записываются в VLR MSC2. VLR MSC2 обеспечивает присвоение номера "блуждающей" подвижной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). Процедурами установления подлинности во время обработки вызова управляет VLR MSC2.
8. Передача подтверждения запроса хэндовера от MSC2 (начало хэндовера) к MSC1. На MSC1 отключается таймер, ограничивающий время ожидания начала хэндовера (см. п. 7), так как получена команда о начале хэндовера. Если MSC1 был центром визита, то данные на VLR MSC1 стираются. Если он был домашним центром, то текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.
9. MSC1 передает сообщение BSC1, что соединение закончено.
10. BSС1 освобождает канал и информирует MSC1, что разъединение закончено.
11. MSC1 освобождает оборудование и передает MSC2 сигнал окончания процедуры.

Рис. 1.16. Обмен сигналами при хэндовере

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:

• автоматический, т. е. с возможностью провести процесс хэндовера;
• полуавтоматический, когда предварительно следует оповестить оператора о намерении посетить соответствующий регион;
• ручной, при котором абоненту вручается радиотелефон, включенный в сеть визита.

Для обеспечения роуминга необходимо выполнение следующих условий:

• наличие в требуемых регионах сотовых систем стандарта, совместимого со стандартом компании, у которой был приобретен радиотелефон;
• наличие соответствующих организационных и экономических соглашений о роуминговом обслуживании абонентов;
• наличие каналов связи между системами, обеспечивающих передачу звуковой, сигнальной и другой информации для роуминговых абонентов.

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

• GSM (Global System for Mobile Communication), глобальная система для мобильной связи — это стандарт европейской мобильной наземной системы.
• Основные услуги, поддерживаемые GSM: телефонная связь, передача коротких сообщений, доступ к службам "Видеотекст", "Телетекст", "Телефакс" (группа 3).
• Особенностью GSM, которая отсутствует в старых аналоговых системах, является служба передачи коротких сообщений (SMS — Short Message Service). SMS — двунаправленное обслуживание коротких алфавитно-цифровых (не свыше 160 байтов) сообщений.
• Сеть GSM может быть разделена на две больших части: мобильные станции (MS), которые перемещаются с абонентом; подсистема базовых станций, которая управляет радиолинией связи с мобильной станцией.
• Мобильная станция (MS) состоит из подвижной аппаратуры (терминал) и карточки с интегральной схемой, включающей микропроцессор, которая называется модуль абонентской идентификации (SIM — Subscriber Identification Module).
• Подсистема базовых станций содержит два вида оборудования: базовая приемопередающая станция (BTS — Base Transceiver Station) и контроллер базовой станции (BSC — Base Station Controller).
• Центральный компонент подсистемы сети — центр коммутации мобильной связи (MSC). Он работает как обычный узел коммутации общедоступной телефонной сети (PSTN — Public Switched Telephone Network) или цифровой сети интегрального обслуживания (ISDN — Integrated Service Digital Network). Дополнительно он обеспечивает все функциональные возможности мобильного абонента, такие как регистрация, аутентификация, обновление местоположения, передачи соединения (хэндовер) и управление маршрутизацией при передвижении абонента. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры: регистр домашнего местоположения (HLR) и регистр визитного местоположения (VLR).
• В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов определенной мобильной станции.
• С помощью визитного регистра местоположения VLR достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR.
• 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.
• VLR обеспечивает присвоение номера для услуг роуминга мобильной станции (MSRN — Mobile Station Roaming Number). Кроме того, VLR управляет распределением новых временных мобильных опознавательных кодов станции (TMSI — Temporary Mobile Subscriber Identity) и передает их в HLR.
• Для защиты и аутентификации используются два устройства: регистр идентификации оборудования (EIR — Equipment Identity Register) и центр аутентификации (AuC — Authentication Center). Регистр опознавательного кода оборудования (EIR) — 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 — International Mobile Equipment).
• ОМС (Operations and Maintenance Center) — центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы.
• NMC (Network Management Center) — центр управления сетью, позволяет вести рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями. NMC занимается управлением трафиком во всей сети и принимает диспетчерское управление сетью при сложных аварийных ситуациях, как, например, выход из строя или перегрузка узлов.
• 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.
• 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.
• В-интерфейс — интерфейс между MSC и VLR. Когда MSC необходимо определить местоположение подвижной станции, он обращается к VLR.
• С-интерфейс — интерфейс используется для обеспечения взаимодействия между MSC и HLR.
• D-интерфейс — интерфейс между HLR и VLR, используется для расширения обмена данными о положении подвижной станции и управления процессом связи.
• Е-интерфейс — интерфейс между MSC, обеспечивает взаимодействие между разными MSC в осуществлении процедуры handover — "передачи" абонента из зоны в зону при его движении в процессе сеанса связи без ее перерыва.
• A_bis-интерфейс — интерфейс между BSC и BTS, служит для связи BSC с BTS и определен Рекомендациями ETSI/GSM для процессов установления соединений и управления оборудованием.
• 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.
• U_m-радиоинтерфейс — интерфейс между MS и BTS.
• X-интерфейс — сетевой интерфейс между ОМС разных сетей и сетью, так называемый управляющий интерфейс между ОМС и элементами сети.
• Способ организации связи, при котором одни и те же частоты многократно используются в разных зонах обслуживания, называется повторным использованием частот. Применение частотно-территориального планирования с повторным использованием частот позволяет увеличить пропускную способность при ограниченном количестве частотных каналов.
• Расстояние повторного использования частот (Frequency reuse distance) — расстояние между центрами двух удаленных сот, начиная с которого допускается повторное использование.
• Группа из близко расположенных сот, в пределах которых недопустимо повторное использование из-за опасности превышения уровня взаимных помех, называется кластером.
• Сота, в которой обслуживание абонентов осуществляется базовой станцией с секторной антенной, называется секторизованной сотой. В системах сотовой связи обычно используют антенны с шириной диаграммы направленности 120° (трехсекторная антенна). Применяются шестисекторные антенны — с шириной диаграммы направленности 60°.
• Сигнальные каналы радиоинтерфейса используются для установления вызова, широковещательной рассылки коротких сообщений (paging), технического обслуживания вызова, синхронизации и т. д.
• Имеются 3 группы сигнальных каналов: широковещательные каналы (BCH — Broadcast Channel), общие каналы управления (CCCH — Common Control Channels), специализированные каналы управления (DCCH — Dedicated Control Channel).
• При первой установке абонента в сети выполняется операция закрепления международного опознавательного кода 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.
• 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.
• Так как к радиосреде имеют доступ много устройств и абонентов, требуется аутентифицировать пользователей. Эта процедура устанавливает подлинность и принадлежность к сети абонента и оборудования, определяет права и полномочия абонента и право доступа к сетевым ресурсам.
• Хэндовер (передача соединения) — это переключение каналов и линий по мере перемещения подвижного объекта по различным каналам или ячейкам сотовой сети.
• Есть два основных используемых алгоритма: алгоритм "минимально допустимая характеристика" дает приоритет управлению мощностью, а не передаче соединения (хэндоверу), а "метод бюджета мощности" предоставляет приоритет передаче соединения (хэндоверу).
• Роуминг — одна из 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 пригород), национальный (в другой город или область) и международный (переезд в другую страну).