Стек протокола стандарта мобильной связи GSM

3. Архитектура сети GSM

СетьGSM состоит из нескольких функциональных объектов, функции и интерфейсы которых показаны на
рис.
1.1.

СетьGSM включает три основные части:

На
рис.
1.1 не показан центр обслуживания, который наблюдает за надежным функционированием и изменениями на сети. Мобильная станция (MS) и подсистема базовых станций (BSS) связываются по Um-интерфейсу, также известному как “воздушный интерфейс” или радиолиния связи. Подсистема базовых станций взаимодействует с центром коммутации мобильной связи по A интерфейсу.

3.1. Мобильная станция

Мобильная станция (MS) состоит из подвижной аппаратуры (терминал) и карты с интегральной схемой, включающей микропроцессор, которая называется модулем абонентской идентификации (SIM — Subscriber Identification Module). SIM-карта обеспечивает при перемещении пользователя доступ к оплаченным услугам независимо от используемого терминала.

Подвижная аппаратура однозначно определяется с помощью международного опознавательного кода мобильного оборудования (IMEI — International Mobile Equipment Identity). SIM-карта содержит международный опознавательный код мобильного абонента (IMSI — International Mobile Subscriber Identity), используемый для идентификации абонента, секретный код для удостоверения подлинности и другую информацию. IMEI и IMSI независимы — это дает возможность обеспечить наиболее вероятное опознавание личности при передвижении абонента. SIM-карта может быть защищена против неправомочного использования паролем или личным номером.

Применяются три типа оконечного оборудования подвижной станции:

Терминальное оборудование может состоять из оборудования одного или нескольких типов, такого как телефонная трубка с номеронабирателем, аппаратура передачи данных (DTE), телекс и т. д.

Различают следующие типы терминалов: ТЕ1 (Terminal Equipment 1) — терминальное оборудование, обеспечивающее связь с ISDN; ТЕ2 (Terminal Equipment 2) — терминальное оборудование, обеспечивающее связь с любым оборудованием через протоколы МККТТ V- или Х-серий (связь с ISDN не обеспечивает). Терминал ТЕ2 может быть подключен как нагрузка к МТ1 (подвижной станции с возможностью связи с ISDN) через адаптер ТА.

3.2. Подсистема базовых станций

Подсистема базовых станций содержит два вида оборудования: базовая приемопередающая станция (BTS — Base Transceiver Station) и контроллер базовой станции (BSC — Base Station Controller).

На базовой приемопередающей станции размещается приемопередатчик, который для одной определенной соты реализует протоколы радиолинии с передвижной станцией. В большом городе обычно размещено большое количество BTS. Поэтому основные требования к BTS — прочность, надежность, портативность и минимальная стоимость.

Контроллер базовой станции управляет радиоресурсами для одного или более BTS: выбором и установлением соединения по радиоканалу, скачком частоты и хэндовером (переключением), как это будет показано ниже. BSC подключается между базовой приемопередающей станцией (BTS) и центром коммутации мобильной связи (MSC).

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).

4.3. Географические зоны сети GSM

Сеть GSM составлена из географических областей [81]. Как показано на
рис.
1.2, 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).

Зона обслуживания MSC/VLR представляет собой часть сети GSM, которая обслуживается одним MSC и зарегистрирована в VLR данного MSC (
рис.
1.3).

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

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}RNRКластер (cluster). Кластер — это группа из близко расположенных сот, в пределах которых недопустимо повторное использование из-за опасности превышения уровня взаимных помех. Размер кластераN

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

При:

Приведенное соотношение для DR1/Nk=D/R=sqrt{3N}Nkk_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).

Читайте про операторов:  Как бесплатно позвонить с компьютера на телефон

Протоколы bsc

BSC использует другой набор протоколов после получения данных от BTS. Интерфейс Abis используется между BTS и BSC. На этом уровне радиоресурсы в нижней части Уровня 3 меняются с RR на Управление базовой приемопередающей станцией (BTSM). Уровень управления BTS является функцией ретрансляции на BTS к BSC.

Протоколы RR отвечают за распределение и перераспределение каналов трафика между MS и BTS. Эти услуги включают в себя контроль начального доступа к системе, пейджинг для MT-вызовов, передачу вызовов между сотовыми сайтами, управление питанием и завершение вызова.

Для перехода от BSC к MSC используется мобильная часть приложения BSS или часть прямого приложения, и протоколы SS7 применяются реле, так что MTP 1-3 может использоваться в качестве основной архитектуры.

Протоколы ms

На основе интерфейса протокол сигнализации GSM объединяется в три основных уровня:

  • Уровень 1: физический уровень. Он использует структуры каналов через радиоинтерфейс.
  • Уровень 2: уровень канала передачи данных. Через интерфейс Um уровень канала передачи данных представляет собой модифицированную версию протокола доступа к каналу для протокола D-канала (LAP-D), используемого в ISDN, который называется протоколом доступа к каналу на канале Dm (LAP-Dm). В интерфейсе A используется часть передачи сообщений (MTP), уровень 2 SS7.
  • Уровень 3: Третий уровень протокола сигнализации GSM подразделяется на три подслоя:
    • Управление радиоресурсами (RR),
    • Управление мобильностью (MM) 
    • Управление соединениями (CM).

Протоколы ms к протоколам bts

Уровень RR является нижним уровнем, который управляет связью, как радио, так и фиксированной, между MS и MSC. Для этого формирования основными компонентами являются MS, BSS и MSC. Ответственность за уровень RR заключается в управлении сеансом RR, времени, когда мобильная станция находится в выделенном режиме, и радиоканалах, включая выделение выделенных каналов.

Уровень ММ укладывается выше уровня RR. Он обрабатывает функции, возникающие из-за мобильности абонента, а также аспекты аутентификации и безопасности. Управление расположением связано с процедурами, которые позволяют системе знать текущее местоположение MS с включенным питанием, чтобы можно было завершить маршрутизацию входящих вызовов.

Уровень CM является самым верхним уровнем стека протокола GSM. Этот уровень отвечает за управление вызовами, управление дополнительными службами и управление службами коротких сообщений. Каждая из этих служб рассматривается как отдельный уровень в рамках уровня CM.

Протоколы msc

В MSC, начиная с BSC, информация отображается по интерфейсу A на уровни MTP 1-3. Здесь приложение приложения для управления базовыми станциями (BSS MAP) называется эквивалентным набором радиоресурсов. Процесс ретрансляции завершается слоями, которые сложены поверх протоколов уровня 3, это BSS MAP / DTAP, MM и CM.

Это завершает процесс ретрансляции. Чтобы найти и подключиться к пользователям по сети, MSC взаимодействуют с использованием сети контрольной сигнализации. Регистры местоположения включаются в базы данных MSC, чтобы помочь в определении способа и того, должны ли быть сделаны подключения к перемещаемым пользователям.

Каждому пользователю GSM MS предоставляется HLR, который, в свою очередь, включает в себя местоположение пользователя и подписанные услуги. VLR – это отдельный регистр, который используется для отслеживания местонахождения пользователя. Когда пользователи выходят из области покрытия HLR, VLR уведомляется MS, чтобы найти местоположение пользователя.

Структура сети стандарта gsm, страница 2

4.2.2 Подсистема базовых станций

Оборудование подсистемы базовых станций BSS включает в
себя один контроллер базовых станций BSC (Base Stations Controller) и,
собственно, несколько базовых приёмопередающих станций BTS (Base Transceiver Station), управляемых
этим контроллером. Каждая BTS размещается приблизительно в центре своей ячейки.
Оборудование BSS находится в прямом контакте с мобильной станцией через
радио-интерфейс, существующий между MS и BTS. Между BSC и каждой, включённой в
него, BTS образован специализированный интерфейс Abis.

Оборудование радио–интерфейса обеспечивает передачу и
приём речи и данных по радиоканалу. В то же время контроллеры базовых станций
BSC соединены с мобильным центром коммутации MSC (Mobile Switching Centre) сетевой
подсистемы NSS посредством интерфейса А (как правило, через волоконно-оптическую
линию). Можно сказать, что BSS обеспечивает связь MS с сетевой подсистемой NSS,
а значит, осуществляет связь мобильного абонента с пользователями разных сетей.

В состав BTS входят радиопередающие, радиоприёмные
устройства и две разнесённые в пространстве антенны. Наличие в BTS нескольких
приёмников и такого же количества передатчиков позволяет вести одновременную
передачу информации по образованным на разных частотах нескольким каналам.
Антенны BTS крепятся к мачте и состоят из рефлекторов с закреплёнными на них
вибраторами. Вибраторы  непосредственно передают и принимают радиосигналы. Каждый
рефлектор направлен в соответствующий сектор своей ячейки (соты). Оборудование
BTS размещено в месте расположения антенн.

Контроллер BSC осуществляет управление всеми блоками
приёмопередающих базовых станций и контроль за их работоспособностью. В
частности, BSC обеспечивает управление радио интерфейсами между MS и BTS, а
также обеспечивает управление такой процедурой, как хендовер.

Контроллер BSC может обеспечивать управление несколькими
десятками BTS. Количество BTS, включаемых в один BSC зависит от объёмов потоков
вызовов (телефонной нагрузки), обслуживаемых каждой BTS.

Имеющееся в составе BTS оборудование
транскодирования ТСЕ (Transcoder/Rate Adapter Equipment)  осуществляет
адаптацию скоростей передачи речевых данных 13 кбит/с и 64 кбит/с.

4.2.3 Сетевая и коммутационная подсистема (NSS) сети стандарта GSM

Читайте про операторов:  «ВТБ-Мобайл» открыл продажи сим-карт в Москве | Про Операторов

Эта подсистема обеспечивает функции коммутации и
содержит базы данных, необходимые для управления мобильностью абонентов и их
безопасностью. Основная функция NSS – управление процессами соединений
подвижных абонентов сети GSM между собой и с абонентами стационарных сетей.
Внутри подсистемы NSS функции коммутации вызовов, поступающих от подвижных абонентов,
и направленных к ним, выполняет центр коммутации MSC. С одной стороны, MSC
имеет интерфейсы для соединения с группой подсистем базовых станций BSS, а с
другой – интерфейсы для соединения со стационарными сетями и компонентами NSS
внутри одной сети GSM или для соединения с NSS соседних сотовых сетей стандарта
GSM (см.рис. 4.5).

Обмен сигнальной информацией между компонентами внутри
NSS, между подсистемами NSS внутри одной сети GSM или между NSS разных сетей
стандарта GSM обеспечивается средствами общеканальной сигнализации №7 (ОКС№7).

Коммутатор MSC, входящий в подсистему NSS, управляет
несколькими контроллерами BSC. Как правило, при организации сети стандарта GSM,
один – два коммутатора MSC используются на местности, где проживает около 1 миллиона
человек. В состав NSS помимо центра коммутации MSC входят базы данных.

Домашний регистр местоположения мобильных абонентов HLR
(Home Location Register) представляет собой базу данных об абонентах,
приписанных к рассматриваемой сети GSM. MSC осуществляет постоянное слежение за
MS, пользуясь сведениями, записанными в HLR и в другую базу данных – регистр
перемещений подвижных абонентов VLR (Visitor Location Register). В HLR  и VLR хранятся
данные о местоположении MS, использование которых позволяет MSC обеспечивать
доставку вызова к мобильной станции.

В частности, HLR содержит международные идентификаторы
мобильных абонентов IMSI, которые используются для выполнения процедуры
аутентификации. Помимо IMSI регистр HLR содержит: список доступных абоненту
дополнительных услуг связи; специальную информацию о маршрутизации поступающих
вызовов.

§

Кроме того, посредством HLR ведётся регистрация данных о
роуминге. В этом случае в HLR записываются сведения о временном
идентификационном номере подвижного абонента TMSI (Temporary Mobile Subscriber
Identity) и соответствующем регистре местоположения мобильной станции – VLR.
Конкретный TMSI действителен только в пределах определённой локальной зоны LA (Local Area), а когда
абонент перемещается в другую локальную зону, ему присваивается новый TMSI
(рис.4.6).

К данным, содержащимся в каждом HLR сети GSM, имеет
доступ любой центр коммутации сети MSC. Кроме того, все HLR и VLR сети также
взаимодействуют между собой. Доступ к базе данных об абонентах сети GSM осуществляется
по номеру IMSI или по номеру подвижного абонента в сети ISDN (абонентскому
номеру) – MSISDN (Mobile Subscriber ISDN).

Регистр VLR осуществляет присвоение маршрутного номера
«блуждающей» подвижной станции – MSRN (Mobile Station Roaming Number). В
случае, когда к MS поступает входящий вызов, MSRN из пула маршрутных номеров регистра
VLR передаётся в центр коммутации MSC, который и обеспечивает маршрутизацию
этого вызова к тем базовым станциям, в зоне действия которых и находится MS. В
целом, каждый регистр VLR представляет собой локальную базу данных о подвижных
абонентах, находящихся в тех локальных зонах (LA), которые этот регистр контролирует.
Это позволяет исключить постоянные запросы в регистр HLR, а значит сократить
время обслуживания.

Доступ к VLR может осуществляться посредством номеров:
IMSI, TMSI или MSRN. В состав сетевой и коммутационной подсистемы NSS помимо одного
или нескольких MSC; одного или нескольких HLR; нескольких регистров VLR (по
числу MSC), входит также транзитный центр коммутации мобильной связи GMSC
(Gateway Mobile Switching Centre).

При входящем соединении от абонента стационарной сети
его вызов по соединительной линии направляется в GMSC. GMSC представляет собой
отдельную коммутационную станцию и строится на базе того же оборудования, что и
MSC. GMSC обеспечивает маршрутизацию входящего вызова к тому MSC сотовой сети,
в локальной зоне которого находится требуемый мобильный абонент. Через GMSC обеспечиваются
также и исходящие вызовы к абонентам других сетей. Взаимодействие GMSC с
другими объектами подсистемы NSS осуществляется посредством сети общеканальной
сигнализации ОКС№7.

Помимо вышеуказанных сетевых компонентов, подсистема NSS
включает в себя базы данных для аутентификации абонентов AuC (Authentication
Centre) и идентификации мобильного оборудования EIR (Equipment Identity
Register).

4.2.4 Подсистема эксплуатации

В современных системах связи, и в сетях GSM в частности,
применяется централизованный метод технического обслуживания.

Стандартом GSM предусматривается прямая связь между
централизованным оборудованием подсистемы эксплуатации OSS и подсистемами BSS,
NSS. Одним из основных видов оборудования OSS является центр эксплуатации и
технического обслуживания подсистемы – ОМС (Operation and Maintenance
Centre). ОМС осуществляет контроль и управление компонентами сотовой сети, входящими
в состав NSS и BSS, с которыми соединяется по каналам с пакетной передачей
данных. В ОМС осуществляется обработка аварийных сигналов и производится
регистрация сведений об аварийных ситуациях в оборудовании подсистем NSS и BSS.
В зависимости от характера неисправностей оборудования, ОМС обеспечивает их устранение
автоматически или посредством вмешательства оператора. ОМС также осуществляет
периодическое тестирование оборудования сети и контроль процессов обслуживания
вызовов компонентами сети.

В OSS помимо ОМС следует выделить и другой компонент
этой подсистемы – центр технического обслуживания сети NMC (Network Maintenance Centre).
NMC обеспечивает эксплуатацию оборудования и его техническое обслуживание в
пределах всей сети, в которой может функционировать несколько ОМС. NMC обеспечивает
диспетчерское управление сетью в сложных аварийных ситуациях, например при
выходе из строя сетевых узлов MSC или при их перегрузке. На мониторах
операторов NMC отражается состояние всей сотовой сети как в целом, так и по
регионам. Контроль со стороны NMC за потоками сигнальной и пользовательской
информации позволяет предупреждать возникновение перегрузок в сотовой сети.

Читайте про операторов:  Отмена роуминга в Крыму: все слышали — никто пока не ощутил | ForPost

Транскодеры

Транскодеры – это сетевые объекты, вставленные для взаимодействия стороны MSC со стороной Mobile. Скорость кодирования голоса на стороне КТСОП составляет 64 Кбит / с, а в GSM по радиоканалу голос кодируется как 13 Кбит / с. Чтобы уменьшить скорость передачи данных по радиоинтерфейсу и снизить нагрузку на наземную линию (4: 1), транскодеры вводятся в соответствующем месте, в основном с помощью MSC.

Транскодер – это устройство, которое использует мультиплексные передачи данных со скоростью 13 кбит / с или 3,6 / 6/12 кбит / с и четыре из них для преобразования в стандартные данные со скоростью 64 кбит / с. Сначала 13 Кбит / с или данные со скоростью 3,6 / 6/12 Кбит / с доводятся до уровня 16 Кбит / с путем добавления дополнительных данных синхронизации, чтобы составить разницу между речью 13 Кбит / с или данными с более низкой скоростью, а затем четыре из них объединены в приемоответчике для обеспечения канала 64 Кбит / с в пределах BSS.

Затем до 30 таких каналов 64 Кбит / с мультиплексируются на 2,048 Мбит / с, если на интерфейсе A-bis предусмотрен канал CEPT1. Этот канал может нести до 120- (16×120) сигналов трафика и управления. Поскольку скорость передачи данных в КТСОП обычно составляет 2 Мбит / с, это является результатом объединения каналов 30 на 64 Кбит / с или 120 Кбит / с на каналы 16 Кбит / с.

Функции бтс

  • Он отвечает за синхронизацию времени и частоты.

  • Процесс канального кодирования, шифрования, мультиплексирования и модуляции для транс-направления и обратного для приема должен быть выполнен.

  • Он должен заранее организовать передачу с мобильных телефонов в зависимости от их расстояния от BTS (Timing Advance).

  • Он должен обнаруживать запросы произвольного доступа с мобильных телефонов, измерять и контролировать радиоканалы для управления мощностью и передачи обслуживания.

Он отвечает за синхронизацию времени и частоты.

Процесс канального кодирования, шифрования, мультиплексирования и модуляции для транс-направления и обратного для приема должен быть выполнен.

Он должен заранее организовать передачу с мобильных телефонов в зависимости от их расстояния от BTS (Timing Advance).

Он должен обнаруживать запросы произвольного доступа с мобильных телефонов, измерять и контролировать радиоканалы для управления мощностью и передачи обслуживания.

Функции мобильной станции

  • Радиопередача и прием

  • Управление радиоканалом

  • Кодирование / декодирование речи

  • Защита от ошибок радиосвязи

  • Управление потоком данных

  • Оценить адаптацию пользовательских данных к радиолинии

  • Управление мобильностью

Радиопередача и прием

Управление радиоканалом

Кодирование / декодирование речи

Защита от ошибок радиосвязи

Управление потоком данных

Оценить адаптацию пользовательских данных к радиолинии

Управление мобильностью

Измерения производительности максимум до шести окружающих BTS и передачи отчетов в BSS, MS могут хранить и отображать короткие принятые буквенно-цифровые сообщения на жидкокристаллическом дисплее (LCD), который используется для отображения набора номера и информации о состоянии.

Европейская система GSM определяет пять различных категорий мобильных телефонов: 20 Вт, 8 Вт, 5 Вт, 2 Вт и 0,8 Вт. Они соответствуют уровням мощности 43 дБм, 39 дБм, 37 дБм, 33 дБм и 29 дБм. Блоки мощностью 20 Вт и 8 Вт (пиковая мощность) предназначены либо для установки на транспортном средстве, либо на переносной станции.

Центр эксплуатации и технического обслуживания (омс)

Это функциональный объект, с помощью которого оператор сети может отслеживать и контролировать систему, выполняя следующие функции:

  • Установка программы

  • Управление движением

  • Анализ данных о производительности

  • Отслеживание абонентов и оборудования

  • Управление конфигурацией

  • Абонентское управление

  • Управление мобильным оборудованием

  • Управление начислением и выставлением счетов

Установка программы

Управление движением

Анализ данных о производительности

Отслеживание абонентов и оборудования

Управление конфигурацией

Абонентское управление

Управление мобильным оборудованием

Управление начислением и выставлением счетов

Ящик голосовой почты

Когда мобильный абонент не в состоянии отвечать на входящие вызовы из-за занятости / за пределами зоны обслуживания, то вызов перенаправляется на почтовый ящик, который уже был активирован абонентом. Для этого было установлено отдельное подключение от MSC. Позже абонент будет уведомлен через SMS и сможет получить сообщение.

Когда пользователь отправляет SMS, запрос размещается через MSC.

MSC пересылает SMS в SMSC, где он хранится.

SMSC запрашивает HLR, чтобы узнать, где находится мобильный телефон назначения, и пересылает сообщение в MSC назначения, если мобильный телефон назначения доступен.

Если мобильный телефон недоступен, сообщение сохраняется в текущем SMSC. В большинстве случаев, если мобильный телефон не доступен для доставки SMS, SMSC не повторяется. Вместо этого MSC назначения сообщает SMSC, когда мобильный телефон возвращается в зону действия. В отличие от USSD, обработка SMS – это операция хранения и пересылки.

SMS имеет срок действия, в течение которого он будет ожидать, пока мобильный телефон назначения не станет доступным. По истечении этого времени SMSC удалит сообщение. Срок действия может быть установлен пользователем.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector