ГЛАВА 6

БАЗОВАЯ СЕТЬ UMTS

Хеши Кааранен и Микка Пойкселка

(Heikki Kaaranen and Miikka Poikselka)

Базовая сеть CN универсальной мобильной телекоммуникационной системы UMTS может рассматриваться как платформа всех услуг связи, предоставляемых абонентам UMTS. К основным услугам связи относятся установление соединений с коммутацией каналов и маршрутизация пакетных данных. В 5-й версии проекта 3GPP R5 введена новая подсистема, получившая название «подсистемы мультимедиа IP» — IMS (IP Multimedia Subsystem). Это позволило системам мобильной связи предоставлять услуги на базе интернет-протокола, незаметно интегрируясь с интернет-технологией. В результате пользователь получает усовершенствованный пакет услуг мобильной связи.

Базовая сеть CN поддерживает в каналах UMTS требования к качеству обслуживания QoS сквозных соединений. При соединении с другими сетями также необходим перенос требований QoS на соответствующие внешние каналы. На рис. 6.1 показано, как базовая сеть UMTS выполняет функции шлюза при формировании сквозного тракта. Технические требования к системе UMTS не оговаривают характеристики внешнего канала, что может создавать некоторые проблемы на местном уровне, когда на участке между UMTS и внешним каналом не выполняются требования к качеству обслуживания QoS.

За соблюдение качественных показателей QoS на участке между мобильным терминалом МТ и базовой сетью отвечает радиоканал доступа. Он берет на себя функции поддержки качества QoS в радиотракте, освобождая от этого базовую сеть. Базовая сеть располагает собственными ресурсами поддержки QoS в своих каналах, реализуемых на уровне обслуживания магистральных каналов и соответствующих физических каналов. Особенности развертывания базовой сети состоят в том, что оператор располагает большим выбором технологий для организации магистральных каналов. Эти каналы создают системы передачи, на участке между узлами базовой сети. Типичные примеры таких технологий систем передачи — это системы плезиохронной и синхронной цифровой иерархий (ПЦИ и СЦИ), использующие импульсно-кодовую модуляцию ИКМ, а также системы асинхронной передачи ATM с коммутацией ячеек. В документе 5-й версии 3GPP R5 сделан акцент на постепенную замену этих технологий интернет-протоколом IP,  поскольку

 Рис. 6.1. Архитектура каналов базовой сети с точки зрения требований качества обслуживания QoS.

UE — оборудование пользователя UE; ТЕ — оконечное оборудование ТЕ; МТ — мобильное окончание МТ

наличие унифицированной, однородной транспортной сети упрощает функционирование протоколов высшего уровня.

Концепция UMTS — это своего рода философия создания универсальной основы, позволяющей поддерживать широкий спектр различных методов радиодоступа. Оглядываясь на эволюцию сети, описанную в главе 2, можно выделить три метода радиодоступа, определенных в документе 3GPP R5 — это WCDMA/HSDPA, GSM/EDGE и, возможно, дополнительный доступ. Методы WCDMA/HSDPA и GSM/EDGE уже реализованы, в то время как дополнительный доступ еще находится в стадии изучения. Базовая сеть UMTS развивается не так прямолинейно, как радиосети. Это объясняется наличием традиционной инфраструктуры базовых сетей, а также разнообразными влияниями современных технологий на эволюцию базовых сетей. На рис. 6.2 представлена концептуальная модель базовой сети UMTS: сплошными линиями обозначены уже используемые методы радиодоступа, а пунктиром — методы, которые рассматриваются в качестве возможных вариантов для будущего использования.

6.1. Архитектура базовой сети UMTS

В документе 3GPP R99 были предложены новые решения и методы повышения пропускной способности сетей доступа. С появлением документов 3GPP версий R4 и R5 базовая сеть также претерпела существенные изменения. В данной главе будут представлены, хотя и кратко, основные характеристики базовой сети в соответствии с требованиями 3GPP R5.

Рис. 6.3. Структура базовой сети на уровне доменов и подсистем

Как показано на рисунке 6.3, базовая сеть UMTS содержит группы оборудования, называемые областями или подсистемами, каждая из которых отвечает за определенные характеристики трафика. Основываясь на таком разделении, выделяют следующие элементы базовой сети UMTS:

•  область коммутации каналов — КК;

•  область коммутации пакетов — КП;

•  подсистема мультимедиа IP — IMS;

•  область широковещания — ВС.

В чем же состоит отличие между областью, доменом и подсистемой базовой сети? Под доменом базовой сети понимают элемент, непосредственно связанный с одной или несколькими сетями доступа с помощью интерфейса,

Рис. 6.4. Конфигурация базовой сети, поддерживающей коммутацию каналов КК и коммутацию пакетов КП

обозначаемого как Iu. Чтобы идентифицировать области в зависимости от природы обслуживаемого ими трафика, это обозначение часто дополняют: Iu_cs^] означает интерфейс между сетью доступа и доменом коммутации каналов КК, передающий трафик с КК, интерфейс lu_PS² предназначен для передачи пакетного трафика, a Iu_BC — для передачи трафика в вещательном режиме. Подсистемы базовой сети не имеют прямого интерфейса (типа Iu) с сетью доступа. Они используют другие, специально определенные интерфейсы для соединения с одной или несколькими доменами базовой сети.

Рисунок 6.4 не дает исчерпывающей информации, а только представляет попытку показать наиболее важные интерфейсы базовой сети UMTS. Более полное представление интерфейсов можно найти в документе 3GPP TS23.002, версия 5.12.0.

Жирными линиями на рисунке обозначен абонентский трафик (абонентская плоскость), а тонкими линиями — прохождение сигнальной информации (плоскость управления). Говоря о базовой сети, необходимо подчеркнуть следующие моменты:

•  Соединения, показанные на рисунке, — это логические, прямые соединения. Однако на практике соединения могут устанавливаться по другим путям в зависимости от особенностей транспортной сети.

•  Медиашлюз домена коммутации каналов CS-MGW¹ и сервер центра GMSC²   могут   быть   объединены   в   одном   физическом   устройстве. В этом случае данный элемент обозначается аббревиатурой GMSC.

•  Если структура домена КК соответствует требованиям 3GPP R99, то медиашлюз CS-MGW и сервер MSC могут быть объединены в одном физическом устройстве. В этом случае данный элемент обозначается как MSC/VLR (VLR³ — гостевой регистр).

•  Если узел поддержки GPRS — SGSN⁴ и MSC/VLR объединены в одном физическом устройстве, то его обозначают аббревиатурой UMSC (UMTS MSC).

Разделы 6.1.1—6.1.3 посвящены домену коммутации каналов КК, а разделы 6.4—6.6 — подсистеме IMS.

Задачи обслуживания и управления базовой сетью, а также соответствующие вопросы идентификации и адресации описаны в разделе 6.2.

6.1.1. Элементы базовой сети,

общие для всех областей и подсистем

Базовая сеть поддерживает ряд функций, общих для всех ее областей и подсистем. Эти общие функции в основном сосредоточены в элементе, который называют «домашним абонентским сервером» HSS (Home Subscriber Server).

Если мы посмотрим на рис. 6.5, то увидим, что на нем не показана область вешания ВС. Хотя эта область и определена как часть базовой сети, ее реализация в сетях 3G составляет предмет дальнейшего изучения.

Из рис. 6.5 можно видеть, что большинство функций домашнего сервера HSS — это функции, уже давно существующие в сетях. Ранее они поддерживались отдельными элементами — домашним регистром HLR (HLR — Ноте Location Register) и центром аутентификации AuC (Authentication Centre). Архитектура 5-й версии 3GPP R5 рассматривает HLR и AuC как подмножества сервера HSS, но при этом они выполняют все те же функции:

•  Функция  управления   мобильностью  ММ  обеспечивает  мобильность абонента с использованием домена КК, домена КП и подсистемы IMS. Например, сервер HSS хранит адресную информацию, позволяющую точно определить местоположение абонента (терминала) в иерархии управления мобильностью ММ.

Рис. 6.5. Логическая диаграмма,  представляющая функции домашнего абонентского сервера HSS и интерфейсы базовой сети. HSS — домашний абонентский сервер HSS

•  Функции формирования информации для обеспечения конфиденциальности и авторизации доступа в основном реализуются подмножеством АиС, которое посылает сигналы в домены и подсистемы базовой сети через HLR.

•  Функции предоставления услуг: сервер HSS обеспечивает доступ к данным о профилях услуг, которые используются областями КК и КГТ и/или приложениями подсистемы IMS и системы CAMEL. Для поддержки приложений подсистемы мультимедиа IP—IMS, домашний сервер HSS взаимодействует с сервером приложений SIP' (протокол инициирования сессии) и сервером структуры и емкости услуг OSA/SCS (Open Service Architecture / Service Capability Server). Кроме того, сервер HSS взаимодействует с IM-SSF (для поддержки услуг CAMEL, связанных с подсистемой IMS) и с GSM SCF (для поддержки услуг CAMEL в областях КК и КП).

•  Функции установления соединений или сессии: сервер HSS поддерживает процедуры установления соединения и/или сессии доменов КК и КП и подсистемы IMS. Для входящего трафика HSS поддерживает информацию о том, какой элемент управления соединением и/или сессией обслуживает абонента в данный момент.

•  Функции   идентификации:   сервер   HSS   обеспечивает   необходимую взаимосвязь между всеми идентификаторами, однозначно определяющими место пользователя в системе: в области КК это идентификаторы 1MSI и MSISDN, в области КП - IMSI, MSISDN и IP-адреса, а в подсистеме IMS — личный идентификатор и общедоступные идентификаторы. Более подробно эти вопросы рассматриваются в подразделе 6.2.1.1.

•  Функции авторизации услуг: сервер HSS обеспечивает базовую авторизацию мобильного окончания МТ при установлении соединения/сессии, а также при вызове услуг. Кроме того, HSS предоставляет соответствующим обслуживающим элементам обновленную информацию относительно услуг, которые нужно предоставить абоненту.

Кроме сервера HSS существует еще один функциональный элемент, общий для всех областей и подсистем — это регистр идентификации оборудования EIR (Equipment Identity Register). В регистре EIR хранится информация об оборудовании конечных пользователей и его статусе. Для этого ведутся три «списка»: грубо говоря, «белый список» содержит информацию об обычном, стандартном оконечном оборудовании, «черный список» — информацию об украденном оборудовании, а «серый список» — серийные номера подозрительного оборудования. Обычно на практике реализуются только два списка — «черный» и «серый», а «белый список» используется редко. Регистр EIR поддерживает эти списки, а также предоставляет информацию об оборудовании пользователей по запросу базовой сети. Если регистр EIR заносит оконечное оборудование в «черный список», то базовая сеть прекращает передачу трафика к данному оборудованию и от него. Если оконечное оборудование занесено в «серый список», трафик будет передаваться, но при этом может составляться отчет об активности такого оборудования.

6.1.2. Домен коммутации каналов КК

Домен КК включен в архитектуру сети стандарта 3GPP R5 для поддержки услуг с коммутацией каналов и совместимости со старым оборудованием. Структура области КК стандарта 3GPP R99 была прямо перенесена из стандарта GSM. Стандарт 3GPP R4 предложил альтернативный метод реализации области КК, при этом оператор получил возможность отдельного регулирования области КК и возможностей передачи трафика (см. рис. 6.6).

Использование в области КК отдельного сервера MSC и медиашлюза области коммутации каналов CS-MGW позволило разделить абонентскую плоскость и плоскость управления. Это решило вопрос с масштабируемостью системы, поскольку один сервер MSC может управлять несколькими медиашлюзами CS-MGW. Еще одно преимущество распределенной архитектуры домена КК — это возможность географической оптимизации абонентской плоскости. Например, оператор может произвольно разместить медиа-шлюзы CS-MGW по всей сети и, используя соответствующие методы маршрутизации,

Рис. 6.6. Область коммутации каналов КК базовой сети UMTS с распределенными функциями центра коммутации  мобильной связи MSC стандарта 3GPP R4. __   — абонентская плоскость; _____ — плоскость управления

организовать соединение таким образом, что абонентская плоскость пройдет через сеть по самому короткому в географическом смысле пути. Медиашлюзы CS-MGW могут также содержать различные модули преобразования, которые дают оператору возможность оптимизировать схему транспортной сети. Например, с помощью медиашлюза CS-MGW оператор может преобразовать магистральный тракт с КК, так чтобы на участке между стыком с сетью доступа и стыком с традиционной телефонной сетью общего пользования ТСОП можно было вместо других транспортных технологий использовать протокол IP.

В соответствии со стандартом 3GPP R4 распределенная архитектура области КК предполагает разделение функций центра коммутации мобильной связи MSC. При этом функции управления вызовами и гостевого регистра VLR выполняет элемент, получивший название «сервер MSC», а выполнение соединений в абонентской плоскости и связанные с этим задачи (например, сетевое взаимодействие) возложены на другой элемент — медиашлюз MGW. Поскольку базовая сеть в целом содержит шлюзы различных типов, рекомендуется добавлять перед аббревиатурой MGW буквы CS^! (КК), чтобы подчеркнуть, что в данном случае речь идет о медиашлюзе области коммутации каналов - CS-MGW.

При разделении на сервер MSC и медиашлюз CS-MGW в области КК появляется новый интерфейс. Этот интерфейс обозначается как Мс и использует протокол управления медиашлюзами MGPP² в соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т Н.248. При этом Н.248 дает лишь основы механизма передачи информации для данного интерфейса, а полная реализация протокола включает различные специальные дополнения (расширения), определяемые стандартами 3GPP. Интерфейс Мс позволяет передавать транзакции Н.248 — как не зависящие, так и зависящие от соединения. Транзакции, не зависящие от соединения, используются данным интерфейсом для организации передачи медиашлюзом CS-MGW информации о своей работоспособности серверу MSC. Транзакции, зависящие от соединения, можно представить как «конверты», которые переносят информацию плоскости управления, поступающую либо от абонента (через сеть доступа), либо из традиционной сети. Транзакции обоих типов были впервые описаны в документе 3GPP TS29.232, версия 5.0.0.

Интерфейс Nc предназначен для передачи управляющей информации при межсетевых соединениях. В принципе для этой цели подходит любой протокол управления вызовами, поддерживающий канал вызова и отдельную передачу управляющей информации. Для выполнения данных функций 3GPP был принят протокол управления вызовами BICC¹ (Bearer Independent Call Control). Точнее говоря, BICC — это не уникальный протокол, а комбинация различных модулей, используемых совместно. Эти модули в основном описаны в Рекомендации МСЭ-Т Q.1950 «Протокол независимого управления вызовами в канале».

Интерфейс Nb обслуживает и абонентскую плоскость, и так называемую «плоскость управления транспортной сетью». В абонентской плоскости интерфейс Nb поддерживает кадровые протоколы и другие механизмы передачи данных пользователя. Существующие стандарты позволяют реализовать интерфейс Nb на базе транспортных систем IP или ATM. Оба варианта впервые были предложены в документе 3GPP TS29.414, версия 5.0.0.

Серверы MSC, конечно, должны взаимодействовать друг с другом. Такое взаимодействие необходимо, например, при передаче обслуживания от одного MSC к другому в сети радиодоступа GSM/EDGE (GERAN) или при перемещении обслуживающего контроллера радиосети RNC в наземной сети доступа UMTS (UTRAN). В таких ситуациях управление абонентской нагрузкой перейдет от одного сервера MSC к другому, при этом медиа-шлюз CS-MGW со стороны сети доступа также поменяется. Поэтому серверы MSC имеют интерфейсы Е и G, работающие по протоколу мобильных приложений MAP (Mobile Application Protocol), которые переносят информацию, связанную с управлением мобильностью ММ, между серверами MSC. Подробное описание протокола MAP можно найти в документе 3GPP TS29.002.

Может быть, это и странно, но согласно стандарту 3GPP R5 область КК не следует реализовывать в соответствии с директивами 3GPP R4. В качестве альтернативы можно продолжать строить область КК в соответствии с документом 3GPP R99. В этом случае область с КК строится по принципам сетей GSM и поддерживает традиционные функции таких сетей. Преимущество такого подхода заключается в уменьшении необходимости инвестиций в строительство сети. Однако есть и некоторые недостатки. Сохраняя в области КК архитектуру 3GPP R99, оператор может потерять возможность масштабируемости сети. Кроме того, такое решение не позволяет осуществить оптимальную маршрутизацию абонентской плоскости, поскольку в данном случае абонентская плоскость и плоскость упраачения не так четко отделены друг от друга.

6.1.3. Домен коммутации пакетов КП

Два основных элемента домена КП — это серверы мобильных сетей двух типов: управляющий узел поддержки GPRS — SGSN и шлюзовый узел поддержки GPRS - GGSN¹.

Управляющий узел поддержки GPRS — SGSN выполняет функцию регистрации местоположения, сохраняя данные, необходимые для начала и окончания передачи пакетных данных. Это информация об абонентах, включающая международный идентификатор мобильного абонента (JMSI², см. подраздел 6.2.1.1), различные временные установки, информацию о местоположении (см. подраздел 6.2.1.2), адреса протокола пакетных данных PDP³ (фактически, хотя и не обязательно, это IP-адреса), требования к качеству обслуживания QoS (см. главу 8) и т. д.

Механизм передачи данных в области КП называется «контекстом PDP» (см. подраздел 6.2.2.2). Чтобы передать данные, узел SGSN должен знать, с каким шлюзом GGSN данный конечный пользователь поддерживает активный PDP-контекст. Для этого узел SGSN хранит адреса шлюзов GGSN для каждого активного РDP-контекста. Отметим, что один узел SGSN может поддерживать активные PDP-контексты, установленные через множество шлюзов GGSN.

Шлюз GGSN (шлюзовый узел поддержки GPRS) также хранит некоторую информацию об абонентах. Эти данные могут содержать номер IMSJ, PDP-адреса, информацию о местоположении и о том, в каком узле SGSN зарегистрирован данный абонент.

Говоря об архитектуре области КП, недостаточно упомянуть только узлы SGSN и шлюзы GGSN. Для передачи пакетного трафика требуются также дополнительные элементы и функции, отвечающие за адресацию, конфиденциальность и тарификацию. На рис. 6.7 сделана попытка показать наиболее важные функции области КП.

В настоящее время операторы для обеспечения конфиденциальности используют динамическое распределение адресов конечных пользователей. Способы размещения адресов могут быть различными, но обычно используется функция/сервер протокола динамической конфигурации хоста DHCP⁴. В зависимости от установок оператора протокол DHCP присваивает оконечному оборудованию пользователей адреса IPv4 или IPv6.

По существу, область КП можно рассматривать как усовершенствованную локальную сеть. Для обращения к различным элементам внутри этой сети необходим сервер доменных имен DNS⁵. Он отвечает за адресацию элементов домена КП. Например, когда узел SGSN устанавливает соединение с некоторым шлюзом GGSN, он запрашивает адрес этого шлюза у сервера DNS.

Рис. 6.7, Примерное представление о структуре области коммутации пакетов КП.

        — абонентская плоскость; плоскость управления

После получения абонентом динамически распределенного адреса и установления соединения между узлом SGSN и шлюзом GGSN абонент получает доступ к тем услугам, которые предоставляются оператором. Доступ к услугам осуществляется с помощью системы имен точек доступа APN¹, которые присваиваются произвольно, но очень часто связаны с услугами. Например, точка доступа может называться Интернетом, и через нее пользователь запускает интернет-браузер. Другая точка доступа может называться, например, WAP² и позволять конечному пользователю запустить меню услуги беспроводного протокола WAP, поддерживаемой оператором. Один шлюз GGSN может содержать десятки тысяч имен APN, которые могут устанавливаться на корпоративном уровне и обеспечивать доступ к любому месту, любой сети и т. д. Если оператор не хочет поддерживать этот тип управления доступом, он может использовать так называемые безразличные APN. В этом случае соединение обеспечивается сразу же по запросу конечного пользователя, если это разрешено оператором.

Для решения задачи обеспечения конфиденциальности шлюзы GGSN используют специальные средства межсетевой защиты — брандмауэры FW³. Каждое входящее или исходящее соединение в области КП устанавливается через брандмауэр, чтобы гарантировать защиту трафика конечного пользователя.

Если говорить о коммерческой стороне, то здесь основной проблемой является взаимодействие (роуминг) между множеством сетей, содержащих область КП. Область КП предусматривает специальную функцию поддержки  роуминга, которая обеспечивает взаимодействие между двумя областями КП, принадлежащими различным сетям. Эту функцию выполняет «пограничный шлюз» BG¹. Для реализации роуминга в системах с пакетной технологией GPRS разработана и внедрена специальная концепция обмена данными GPRS при роуминге — GRX².

Для сбора информации по тарификации область КП предусматривает отдельный функциональный узел — «шлюз тарификации» CGW³. Этот шлюз собирает поступающие от элементов области КП данные и пересылает их в центр тарификации для дальнейшей обработки. Кроме того, фактор тарификации лежит в основе ряда процедур организации роуминга (концепция GRX). Типичное решение этой задачи — вариант, когда пользователь посещает сеть с поддержкой GPRS: шлюз GGSN для соединения GPRS обеспечивает «домашняя» сеть этого пользователя. При этом оператор домашней сети получает возможность сбора данных для тарификации данного соединения GPRS. При использовании этой процедуры управление именами точек доступа (APN) также передается оператору домашней сети. Следуя вышеприведенному описанию APN, отметим, что такая процедура (шлюз GGSN домашней сети) не позволяет использовать «безразличные APN». Однако, если роуминг организуется через шлюз GGSN посещаемой сети, использование «безразличных APN» допускается.

Как видно из рис. 6.7, область КП поддерживает различные соединения. Во-первых, это интерфейс Iu_PS к сетям доступа. Через этот интерфейс устанавливаются соединения с системами UTRAN и GERAN. При таком соединении с GERAN говорят, что сеть использует GERAN в режиме Iu. Существует еще одна возможность соединения с системой GERAN — через интерфейс Gb на основе технологии Frame Relay. В этом случае говорят, что сеть использует GERAN в режиме Gb. Подключение системы UTRAN к области КП ограничено только использованием интерфейса Iu. Возможные методы дополнительного доступа и механизмы их взаимодействия — предмет дальнейшего изучения.

Во-вторых, область КП соединяется с общими функциональными узлами базовой сети, такими как домашний абонентский сервер HSS и регистр идентификации оборудования EIR. Это дает области КП возможность обрабатывать информацию, касающуюся общих задач и функций, перечисленных в разделе 6.1.1.

Область КП представляет сетевую платформу для усовершенствованных услуг мультимедиа, поддерживаемых подсистемой мультимедиа IP—IMS. Поэтому область КП содержит также интерфейсы к подсистеме IMS. Подсистема IMS и ее архитектура рассматриваются в разделе 6.4.

6.2. Задачи и функции управления в базовой сети

В предыдущем разделе был дан краткий обзор архитектурных аспектов базовой сети. В данном разделе мы воспользуемся несколько иным подходом, проанализировав роль базовой сети с позиций задач управления и функций контроля.

Как видно из рис. 6.8, управление средствами связи СМ предполагает решение двух основных задач — управление соединением и управление сессией. Управление соединением отвечает за операции с коммутацией каналов КК и связанные с этим вопросы, а управление сессией выполняет те же функции при коммутации пакетов К.П. Управляющие протоколы, которые передают информацию управления средствами связи, относящуюся к управлению соединениями и сессиями, рассматриваются здесь как набор протоколов управления средствами связи — СОМС.

Задачи управления мобильностью ММ охватывают управление местоположением оборудования пользователя UE, а также его идентификацию и адресацию и связанные с этим вопросы (обеспечение конфиденциальности также рассматривается как часть управления мобильностью). Обеспечение конфиденциальности более детально будет описано в главе 9. Управляющие протоколы, отвечающие за реализацию задач управления мобильностью ММ, называют протоколами контроля мобильности — МОВС².

6.2.1. Управление мобильностью ММ

В контексте всемирных сетей сотовой связи второго поколения 2G под мобильностью понимают возможность абонента оставаться подключенным к сети связи. Понимание сущности понятия «мобильность» делает структуру мобильной сети существенно отличающейся от сетей фиксированной связи (но при этом и более сложной) и создает предпосылки для предоставления конечным пользователям совершенно новых типов услуг.

Вначале уясним, в чем состоит отличие между двумя основными понятиями, относящимися к мобильности абонента:

•  местоположение;

•  местонахождение.

Термин «местоположение» означает положение конечного пользователя (и его терминала) в логической структуре сети. Идентифицируемыми элементами такой структуры являются соты и зоны (группы сот). Заметьте, что в данном случае «зона» — это не совокупность сот, географически расположенных рядом, а просто термин, используемый оператором в процессе эксплуатации сети.

В то же время термин «местонахождение» означает географическое место размещения конечного пользователя (и его терминала) в зоне покрытия сети. Географическое положение задается парой стандартизованных координат. В простейшем случае, если географическое положение не определяется,

Рис. 6.8. Задачи и функции управления работой базовой сети.

CN — базовая сеть; UE — оборудование пользователя UE

местонахождение абонента можно идентифицировать, исходя из информации о его соте (например, географических координат базовой станции, контролирующей данную соту).

Хотя оба термина несут информацию о расположении конкретного абонента, сеть UMTS использует эту информацию совершенно по-разному. Информация о местоположении используется самой сетью, чтобы предоставить конечному пользователю предназначенные ему услуги связи везде, где бы он ни находился. Информация о местонахождении предоставляется сетью UMTS по запросу некоторых внешних служб (например, службы скорой медицинской помощи). Подобно тому как информация о местонахождении может быть жизненно важной для конечного пользователя, сделавшего экстренный вызов, информация о местоположении «жизненно важна» для способности сети предоставлять услуги мобильным абонентам в непрерывном режиме.

Отметим, что основная задача определения местонахождения (позиционирования) — поддержка услуг прикладного характера, поскольку информация о местонахождении используется и для внутренних потребностей сети. Примерами могут служить процедуры передачи обслуживания и оптимизации планирования сети.

Мобильное позиционирование как средство предоставления обслуживания рассматривается вместе с другими услугами в главе 8.

Еще одна ключевая услуга, относящаяся к управлению мобильностью, — это роуминг. Функции управления мобильностью внутри мобильной сети общего пользования PLMN¹ позволяют абоненту UMTS свободно перемещаться в зоне покрытия данной мобильной сети. Функция роуминга предоставляет абонентам возможность перемещаться из одной мобильной сети в другую сеть, обслуживаемую другим оператором и, возможно, даже находящуюся в другой стране. Для целей роуминга многие интерфейсы базовой сети исполь-зуются как межоператорские интерфейсы, через которые элементы посещаемой, гостевой базовой сети получают информацию об абонентах и их местоположении от их домашних сетей.

Как уже говорилось, для выполнения функций управления мобильностью ММ требуется некоторая логическая относительная иерархия. Кроме того, управление мобильностью обеспечивает идентификацию (постоянную и временную) и адресацию абонентов и их терминалов, а также задействованных в соединении элементов сети. Технические требования относят к сфере ответственности управления мобильностью ММ и аспекты обеспечения конфиденциальности.

6.2.1.1. Идентификация и адресация абонентов и их терминалов

В отличие от сетей фиксированной связи сеть UMTS должна использовать множество номеров и идентификаторов для различного назначения. В сетях фиксированной связи положение абонентов и оборудования, как следует из названия, фиксированное, и это, в свою очередь, делает постоянными многие характеристики. Когда местоположение абонента не фиксированное, фиксированная система нумерации уже не действует. Назначение различных идентификаторов, используемых в сети UMTS, можно подытожить следующим образом:

•  Уникальный   идентификатор:   используется   для   глобальной   идентификации абонента. Это значение используется как основной поисковый код всеми регистрами, поддерживающими информацию об абонентах; оно также применяется для тарификации.

•  Разделение услуг: перед использованием услуги ее необходимо распознать, это особенно важно для входящих вызовов. Это делается с помощью идентификатора, однозначно связанного с уникальным идентификатором абонента.

•  Задачи маршрутизации: для выполнения операций маршрутизации требуются некоторые специальные средства, которые не ограничиваются рамками одной сети или страны.

•  Конфиденциальность: обеспечение конфиденциальности — очень важный аспект сотовой связи, поэтому для усиления защиты информации пользователя от несанкционированного доступа применяются дополнительные идентификаторы. Как правило, это необязательные идентификаторы, но их использование настоятельно рекомендуется.

6.2.1.1.1. Международный идентификатор мобильного абонента — IMSI

Уникальный код, используемый для идентификации абонента мобильной связи, называется международным идентификатором мобильного абонента IMSI¹. Он состоит из трех частей:

IMSI = МСС + MNC + MSN,

Рис. 6.9. Международный идентификатор мобильного абонента — IMSI

где МСС — мобильный код страны (три цифры); MNC² — мобильный код сети (2—3 цифры); MSN³ — мобильный номер абонента (9—10 цифр). Этот номер хранится в памяти абонентской SIM-карты — US1M. Идентификатор 1MSI используется базами данных оборудования HLR, VLR, AuC и SGSN в качестве поискового кода. Система нумерации, применяемая для идентификаторов IMSI, соответствует требованиям Рекомендации МСЭ-Т Е.214. При перемещении мобильного абонента за пределы своей сети посещаемая сеть может получить информацию о домашней сети данного абонента, запросив у абонентского оборудования LJE номер IMSI. Поскольку для базы данных домашнего регистра HLR, находящегося в домашней сети абонента, IMSI данного абонента представляет уникальный поисковый код, этот HLR предоставляет информацию об абоненте («профиль абонента») по запросу через соответствующий код IMSI. Такая же процедура применяется для запрашивания у домашней сети информации, связанной с обеспечением конфиденциальности.

6.2.1.1.2. Номер ISDN мобильного абонента MSISDN и адрес PDP-контекста

Номер IMSI используется для однозначной идентификации абонента, а номер ISDN мобильного абонента MSISDN⁴ — для разделения услуг. Поскольку одному абоненту может предоставляться и быть задействоваными несколько услуг, то номер MSISDN выполняет функции разделителя между ними. Например, мобильный абонент может иметь один номер MSISDN для

Рис. 6.10. Номер мобильного абонента ЦСИО (ISDN) — MS1SDN и адрес контекста PDP

телефонных услуг, другой — для факса и т. д. В случае операций, инициируемых мобильным абонентом, для разделения услуг не требуется номер MSTSDN, так как для индикации услуги используется передаваемое во время выполнения операции сообщение (сообщения) управления средствами связи СМ. В направлении мобильного окончания необходимо передавать различные номера MSISDN для различных услуг, поскольку окружающая сеть не всегда имеет возможность передать информацию об услугах другими средствами. Номер MSISDN состоит из трех частей:

MSISDN - СС + NDC + SN,

где СC — код страны (1—3 цифры); NDC — национальный код абонента (1—3 цифры); SN — номер абонента. Формат номера MSISDN соответствует требованиям Рекомендации МСЭ-Т Е.164. Часто этот номер называют просто абонентским номером.

В случае коммутации пакетов в дополнение к номеру MSISDN используется адрес PDP-контекста, который представляет собой IP-адрес мобильного абонента. Адрес PDP-контекста может быть динамическим или статическим. В первом случае адрес формируется во время сессии пакетной передачи; во втором случае адрес задан домашним регистром HLR. Статический адрес PDP-контекста выполняет в области КП те же функции, что и номер MSISDN в области КК.

Рис. 6.11. Номер мобильного абонента при роуминге (MSRN)

6.2.1.1.3. Номер мобильного абонента при роуминге MSRN и номер при передаче обслуживания HON

Номер мобильного абонента при роуминге MSRN¹ применяется для целей маршрутизации вызовов. Формат номера MSRN такой же, как и у номера MSISDN (т. е., включает три части — СС, NDC и SN и соответствует требованиям E.I64).

Номер MSRN используется при установлении соединения с мобильным окончанием на участке между шлюзовым центром коммутации GMSC и устройством MSC/VLR обслуживающей сети. Такое соединение возможно благодаря тому, что номер MSRN позволяет распознать страну, сеть и элемент этой сети. «Абонентская часть» номера MSRN предназначена для опознавания абонента. Номер MSRN также используется при установлении соединения между двумя устройствами MSC/VLR в случае передачи обслуживания от одного MSC к другому. При этом номер MSRN часто называют «номером при передаче обслуживания)» HON².

6.2.1.4. Временные идентификаторы мобильного абонента — TMSI и P-TMSI

Для обеспечения конфиденциальности очень важно, чтобы уникальный идентификатор абонента IMSI как можно реже представлялся в незашифрованном виде. Поэтому в системе UMTS вместо исходного кода IMSI применяется временный идентификатор мобильного абонента — TMSP. Подобные временные идентификаторы с той же целью применяются и в области КП базовой сети. Чтобы отличать их от TMSI, используют термин P-TMSI⁴ (временный идентификатор мобильного абонента при пакетной передаче).

Рис. 6.12. Присвоение   временного   идентификатора   мобильного   абонента (TMSI)

Номера TMSI и P-TMSI имеют случайный формат, а время и зона их действия ограниченны. Номера TMS1 присваиваются гостевым регистром VLR и действительны только до того момента, когда оборудование пользователя UE приступит к выполнению следующей операции. Номера P-TMSI присваиваются узлом SGSN и действительны только на территории зоны обслуживания данного SGSN. Когда оборудование пользователя UE производит обновление области маршрутизации, номер P-TMSI изменяется.

6.2.1.1.5. Международный идентификатор мобильного оборудования

Для идентификации мобильного оборудования применяются два несколько отличающихся друг от друга номера: международный идентификатор мобильного оборудования IMEI¹ и его расширенный вариант — международный идентификатор мобильного оборудования с указанием версии программного обеспечения IMEISV². Эти номера обрабатываются в регистре идентификации оборудования EIR. Для обоих номеров выполняются одинаковые сетевые операции: оборудование пользователя UE по запросу передает один из этих номеров, а сеть проверяет статус данного номера через регистр идентификации оборудования EIR. Структура номеров IMEI и IMEISV представлена на рис. 6.13 и 6.14 соответственно.

Оба номера имеют общие части: это код типа оборудования ТАС³, определяющий производителя и тип телефона, и серийный номер SNR⁴, который однозначно идентифицирует конкретный образец оборудования с определенным кодом ТАС. Номер IME1 включает 15 цифр, причем последняя цифра является резервной, и оборудование пользователя UE при передаче номера IMEI в сеть передает на 15-й позиции значение «О». Сеть принимает 14 первых цифр номера IMEI и рассчитывает контрольное число для подтверждения правильности передачи.

Номер IMEISV на две цифры длиннее, поскольку содержит также номер версии программного обеспечения данного оборудования — SVN¹. Допускается использование только одного из номеров: оборудование пользователя может передавать IME1 или IMEISV, но не оба номера одновременно.

Отметим также, что номер IMEI остается неизменным, поскольку он однозначно идентифицирует образец оборудования. В случае IMEISV часть SVN будет изменяться при обновлении программного обеспечения, но остальная часть номера останется неизменной.

6.2.1.1.6. Имя домена домашней сети IMS

Имя домена домашней сети IMS (подсистемы мультимедиа IP) имеет структуру, принятую в сети Интернет, но при этом содержит специальные части, определяемые мобильной сетью. Чтобы разделить пространство имен между мобильной сетью и сетью Интернет, в состав имени домена домашней сети IMS включены элементы международного идентификатора мобильного абонента IMSI (см. подраздел 6.2.1.1.1).

Если, например, оборудованию пользователя UE необходимо узнать имя домена домашней сети, то это предполагает следующие шаги:

1.  Мобильный код сети MNC и мобильный код страны МСС определяются по номеру IMSI.

2.  Имя домена домашней сети всегда начинается с метки «ims».

3.  Имя домена домашней сети  всегда заканчивается  меткой «3gppnet-work.org».

4.  Имя домена домашней  сети   получают,  объединяя  части  (2) и (3), например следующим образом: «ims.mnc<MNC>.mcc<MCC>.3gppnet-ork. org».

Предположим, например, что задан номер IMS1 244 182 123123123. В этом случае код МСС равен 244, код MNC — 182, а идентификационный номер мобильного абонента MSIN² — 123123123. Таким образом, доменное имя домашней сети IMS будет иметь вид:

ims.mnc 182.mcc244.3gppnctwork.org.

Как отмечалось в подразделе 6.2.1.1.1, в сетях UMTS мобильный код сети MNC состоит из трех цифр. Однако большинство сетей, работающих на базе технологии GSM, используют двузначные коды MNC. В таких случаях в доменном имени домашней сети перед кодом MNC добавляется дополнительный «О».

6.2.1.1.7. Персональный идентификатор пользователя IMS

Чтобы система мультимедиа IP IMS могла выполнять свои функции, ей требуются персональные идентификаторы (имена) пользователей. Эти имена имеют структуру, принятую в сети Интернет: username@realm. В принципе персональное имя может быть любым, но на практике имена пользователей UMTS получают из номеров IMSI, которые обеспечивают средства однозначной и конфиденциальной идентификации пользователя.

Используя номер IMSI из предыдущего примера, имеем:

В этом случае персональный идентификатор пользователя будет иметь следующий вид:

244182123123123@ims.mncl82.mcc244.3gppnetwork.org .

Персональный идентификатор пользователя очень похож на номер IMSI и выполняет подобные функции. Персональный идентификатор сохраняется в модуле идентификации IMS — ISIM и имеет следующие основные характеристики:

•  персональный идентификатор содержится во всех запросах регистрации, поступающих от оборудования пользователя UE к сети IMS;

•  информация о статусе персональных идентификаторов пользователей (зарегистрирован или незарегистрирован) хранится в подсистеме мультимедиа IP IMS;

•  персональный идентификатор присваивается на постоянной основе и действует столько же, сколько и другие установки данного абонента;

•  оборудование пользователя UE ни при каких обстоятельствах не может изменить свой персональный идентификатор;

•  персональные  идентификаторы   пользователей  хранятся  в домашнем абонентском регистре HSS.

6.2.1.1.8. Открытый идентификатор пользователя IMS

Персональный идентификатор пользователя может также применяться при операциях внутри сети. Для целей доступа и адресации абонент обязательно должен иметь открытый идентификатор. Поскольку речь идет о мобильном абоненте, то доступ к нему должен обеспечиваться двумя путями — через Интернет с использованием принятой там адресации или через традиционное оборудование мобильной связи с использованием типа адресации MSISDN в соответствии с Рекомендацией Е.164 (см. подраздел 6.2.1.1.2).

В Интернете открытые идентификаторы используют формат SIP URI¹. Например, такой идентификатор может иметь вид:

sip:firstname.lastname@operator.com.

В случае телефонной связи открытые идентификаторы используют стандартную систему нумерации MSISDN, описанную выше. Например, если представить номер MSISDN +358 66 1231234 в формате телефонного номера (Tel URL²), он будет иметь вид:

тел. + 358661231234.

Кроме того, можно определить, какой системе нумерации соответствует номер в формате Tel URL. В описанном выше примере телефонные номера используют глобальную систему нумерации. Если же используется местная система нумерации (код страны и код сети могут быть опущены), то номер в формате Tel URL должен содержать указания на область применения и источник такой системы нумерации.

Открытый идентификатор пользователя обладает следующими основными характеристиками:

•  один из двух возможных форматов: SIP URI или Tel URL;

•  в модуле идентификации IMS (ISIM) должен храниться хотя бы один открытый идентификатор;

•  открытый идентификатор должен быть зарегистрирован до того, как начнет использоваться для организации сессий IMS и предоставления услуг.

Один пользователь может иметь множество открытых идентификаторов.

6.2.1.2. Идентификаторы местоположения

Кроме адресации и идентификации абонентов и их оконечных устройств управление мобильностью ММ предполагает наличие определенной логической структуры сети. Эту структуру можно представить через логические элементы сети доступа. При выполнении процедур управления мобильностью и оценивании их параметров логические элементы играют роль «карты». В сети UMTS выделяют четыре основных логических элемента:

•  область местоположения — LA³;

•  область маршрутизации — RA⁴;

•  область регистрации в системе UTRAN — URA⁵;

•  сота.

Рис. 6.15. Логические элементы управления мобильностью ММи их взаимосвязь

В области коммутации каналов КК базовой сети под областью местоположения LA понимается зона, в пределах которой оборудование пользователя UE может свободно перемещаться без процедуры обновления местоположения. Область местоположения состоит из сот (ячеек): как минимум это одна сота, а как максимум — все соты, обслуживаемые определенным гостевым регистром VLR. При выполнении процедуры обновления местоположения положение оборудования пользователя определяется регистром VLR с точностью до области LA. Эта информация необходима при обслуживании вызовов в направлении мобильного окончания; для ее получения гостевой регистр VLR отыскивает нужное оборудование пользователя UE в той области LA, где данное оборудование в последний раз выполняло процедуру обновления местоположения.

Следует отметить, что во всех других отношениях (помимо VLR) область LA не имеет каких-либо ограничений аппаратного характера. Так, один контроллер радиосети RNC может обслуживать несколько областей LA, а одна область LA может охватывать зоны обслуживания нескольких RNC. Каждая область LA однозначно определяется идентификатором области местоположения — LAI¹, состоящим из следующих частей:

LA1 = МСС + MNC + код LA,

где коды МСС и MNC имеют такой же формат, как и в номере IMSI. Код LA — это просто номер, идентифицирующий данную область LA. Идентификатор LAi представляет собой уникальный номер в глобальном масштабе, а в пределах одной сети, конечно, не должен повторяться один и тот же код LA, так как один регистр VLR не может обслуживать одинаковые коды LA. К оборудованию пользователя UE идентификатор(ы) LAI поступают по вещательному каналу ВСН. Содержимое этого транспортного канала зависит от соты и формируется контроллером RNC.

Область коммутации пакетов КП базовой сети имеет свою процедуру регистрации местоположения, в основе которой лежит понятие области маршрутизации RA. Область RA определяется по аналогии с областью LA (т. е. как зона, в пределах которой оборудование пользователя UE может перемещаться без процедуры обновления области маршрутизации). В то же время область RA — это своего рода «подмножество» области LA: одна область LA может включать несколько областей RA, но не наоборот. При этом одна область RA не может принадлежать двум различным областям LA.

Домены КК и КП могут обмениваться информацией о местоположении через необязательный интерфейс Gs (между регистром VLR и обслуживающим узлом SGSN). Поскольку сеть UMTS должна взаимодействовать с сетями GSM, базовая сеть UMTS поддерживает соответствующие функции, доступные GSM. Одна из таких функций — объединенная процедура обновления областей LA/RA, когда оконечное оборудование GSM формирует запросы на обновление и посылает их в первую очередь управляющему узлу SGSN. При наличии необязательного интерфейса Gs узел SGSN также использует этот интерфейс, посылая регистру VLR запрос на обновление регистрации области LA. В обычной сети UMTS (не имеющей этой необязательной функции) объединенная процедура обновления областей LA/RA недоступна, и оборудование пользователя UE должно регистрировать свое местоположение в обеих областях базовой сети по отдельности.

В сети GSM управление мобильностью ММ полностью осуществляется в области между оконечным оборудованием и узловым коммутатором NSS. В сети UMTS система UTRAN частично охвачена управлением мобильностью ММ и поэтому предусматривает процедуру местной мобильной регистрации: речь идет об области регистрации в системе UTRAN — URA, рассмотренной в главе 5. Хотя эта деталь кажется несущественной, она влечет за собой заметные изменения во внутренней структуре управляющего узла SGSN, и поэтому на сегодняшний день узлы SGSN фактически выполняют как функции 2G, так и 3G. В сети UMTS узел SGSN пропускает трафик IP к оборудованию пользователя UE и обратно в соответствии с идентификатором URA. В сети 2G узел SGSN принимает трафик IP и транслирует его дальше по тракту Гигабит Ethernet.

Поскольку область URA определяется по аналогии с областями LA и RA, она в принципе не имеет ограничений с точки зрения элементов сети. На практике более-менее устойчивой можно считать взаимосвязь между областью URA и подсистемами радиосети RNS. Однако область URA — это до известной степени логическое понятие, которое объединяет маршрутизацию трафика и контроль радиоресурсов RRC. При маршрутизации URA объекты направляются в домен доступа, а оконечное оборудование при контроле радиоресурсов RRC отмечает точность местоположения и готовность к приему трафика. Это иллюстрирует модель состояний RRC, кратко рассмотренная в 5-й главе.

Простейший «строительный блок», используемый логическими элементами управления мобильностью ММ, — это сота (ячейка). По существу, базовой сети нужно отслеживать не отдельные соты, а их совокупности (т. е. области). В области доступа под сотой понимают наименьший элемент, который имеет открытый идентификатор — «идентификатор соты» CI¹. По аналогии с кодом LA идентификатор CI — это просто номер, который должен быть уникальным в масштабах сети. Чтобы различать соты в глобальном плане, нужно использовать расширенный идентификатор, который называют глобальным идентификатором соты CGP. Он имеет следующий формат:

CGI = MNC + МСС + код LA + CI.

Идентификатор CGI содержит информацию о стране (МСС), сети внутри этой страны (MNC), области местоположения в данной сети (LA) и, наконец, о номере соты внутри сети. Средствами системы UTRAN эта информация передается оборудованию пользователя UE в режиме радиовещания.

6.2.1.3. Идентификаторы сетевого уровня, общие для базовой сети и сети    (сетей) доступа

В данном подразделе будут кратко представлены некоторые идентификаторы, которые передаются через интерфейс Iu и, следовательно, являются общими для базовой сети и сети UTRAN. Некоторые из них также используются при взаимодействии с другими сетями.

Как показано на рис. 6.16, каждая мобильная сеть общего пользования PLMN имеет свой собственный уникальный идентификатор, обозначаемый как PLMN-id. Его значение образуется двумя параметрами — кодами МСС и MNC. Эти коды эквивалентны аналогичным параметрам, используемым в номере IMSI.

PLMN-id = МСС + MNC.

PLMN-id применяется для различных целей, предоставляя очень удобное средство создания глобального идентификатора, который можно передавать между сетями. Так, и глобальный идентификатор соты CGI, и идентификатор области местоположения LAI начинаются с кода PLMN-id.

Подсистема радиосети RNS должна иметь возможность определять граничный узел базовой сети, поддерживающий интерфейс Iu. Для этих целей используется идентификатор домена базовой сети. Информация о домене базовой сети необходима при установлении соединения через интерфейс Iu, а также при изменении положения обслуживающей подсистемы радиосети SRNS³ (когда каналы, выделенные для установления соединения (соединений) через интерфейс Iu, изменяются таким образом, что можно использовать другую подсистему RNS).

Рис. 6.16. Идентификация областей базовой сети

Идентификатор домена КК базовой сети состоит из кода PLMN-id и кода области местоположения LAC¹, а идентификатор домена К.П базовой сети — из PLMN-id, LAC и кода области маршрутизации RAC².

Может возникнуть необходимость идентификации одного их элементов базовой сети в глобальном масштабе. Для этой цели можно использовать идентификатор базовой сети CN-id³. Это, в свою очередь, накладывает теоретические ограничения на количество элементов в составе одной базовой сети. Идентификатор CN-id формируется из двух значений — PLMN-id и целого числа в диапазоне от 0 до 4095:

Глобальный идентификатор CN-id = PLMN-id + {0 ... 4 095}.

Заметьте, что этот идентификатор — не то же самое, что адрес элемента. Идентификатор CN-id представляет собой однозначно идентифицируемое порядковое число, но кроме того, элементы базовой сети могут иметь или не иметь адреса в формате MSISDN, используемые для целей маршрутизации по протоколу SCCP⁴.

Идентификатор контроллера радиосети RNC-id имеет точно такой же формат, как и идентификатор базовой сети CN-id, и используется для идентификации контроллеров RNC и контроллеров базовых станций BSC⁵ в случаях, когда сеть GERAN работает в режиме Iu:

Глобальный идентификатор RNC-id = PLMN-id + {0 ... 4 095}.

Идентификатор зоны обслуживания SAI⁶ определяет зону, состоящую из одной или более сот (ячеек), относящихся к одной области LA, и распознается всеми областями базовой сети. Этот идентификатор может использоваться

Рис. 6.17. Идентификатор зоны обслуживания (SAI)

областью базовой сети для определения местоположения оборудования пользователя UE. На рис. 6.17 показан пример использования идентификатора SAL

Анализ рис. 6.17 позволяет выделить следующие характеристики и ограничения:

•  В областях КК и КП зона обслуживания может включать более одной соты. В области радиовещания ВС одна зона обслуживания всегда соответствует одной соте.

•  Сота может иметь максимум два идентификатора SAI. В этом случае один из них используется в областях КК и КП, а другой — в области широковещания.

•  Идентификатор SAI имеет формат: PLMN-id + LAC + SAC, где SAC¹ — код зоны обслуживания.

Принимая во внимание затраты на развертывание сети и лицензирование, во многих странах обсуждают коммерческую целесообразность совместного использования сетей. Этому вопросу посвящен и документ 3GPP R6, работа над которым ведется в данное время. Существует множество способов совместного использования сети, но при этом необходим механизм идентификации того, какая именно часть сети используется совместно. На сегодняшний день для этой цели предложено использовать идентификатор совместно используемой зоны сети.

Совместно используемая зона сети SNA² состоит из областей местоположения LA, выделенных для совместного использования. Через эту зону оборудование пользователей UE получает доступ к сетям различных операторов. Идентификатор совместно используемой зоны сети SNA-id состоит из идентификатора PLMN-id и кода совместно используемой зоны сети

SNAC¹:

SNA-id = PLMN-id + SNAC.

Идентификатор SNAI-id имеет глобальный характер, поскольку включает PLMN-id.

6.2.1.4. Модель состояний управления мобильностью

Соединения с пакетной коммутацией и необходимость управления ими стали причиной появления нового аспекта управления мобильностью ММ — модели состояний. Для соединений с коммутацией каналов существует почти такая же модель, но используется она редко, поскольку при коммутации каналов нет необходимости в применении подобной модели. Аббревиатуру ММ оставили для обозначения управления мобильностью при коммутации каналов (см. рис. 6.18), в то время как при коммутации пакетов используют аббревиатуру РММ².

6.2.1.4.1. Состояния ММ в режиме КК

С точки зрения управления мобильностью при соединении оконечного оборудования с сетью возможны три состояния: отключенное, незанятое и подключенное. Эти состояния отражают, насколько точно известно местоположение оконечного оборудования в соответствии с логической структурой, приведенной на рис. 6.15. Отключенное состояние ММ означает, что сеть вообще не отслеживает данный терминал (абонента), т. е. терминал отключен. Свободное состояние ММ означает, что сеть знает местоположение терминала (абонента) с точностью до области LA. При подключенном состоянии ММ сеть знает местоположение терминала с точностью до соты.

Ситуация, показанная на рис. 6.18, характерна для подсистемы сети GSM, а также для области КК сети UMTS (соответствующей требованиям документа 3GPP R99). Когда абонент включает свое оконечное оборудование, оно выполняет одну из двух процедур — присоединение номера IMSI или обновление местоположения. Соответственно, при отключении абонентом оконечного оборудования незанятое состояние ММ сменяется отключенным состоянием. Процедура присоединения IMSI выполняется в случае, когда идентификатор области местоположения LAI данной соты совпадает с кодом, хранящимся в модуле идентификации услуг UMTS (USIM) оконечного оборудования абонента. Если идентификатор LAI, принятый из сети, отличается от LAI данного терминала, то терминал выполняет процедуру обновления местоположения, чтобы обновить и, возможно, зарегистрировать свое новое местоположение в области КК базовой сети и в домашнем регистре HLR. В любом случае состояния управления мобиль ностью

Рис. 6.18. Модель состояний управления мобильностью ММ при коммутации каналов

ММ изменяются следующим образом: отключенное -» подключенное -> незанятое. Следует особо подчеркнуть, что при выполнении оконечным оборудованием любой из вышеперечисленных процедур сеть моментально определяет местоположение данного оборудования с точностью до соты. Обе эти процедуры «запускают» (активизируют) область КК, передавая сообщения одного типа, содержащие информацию о вызывающей соте и причине выполнения операции. В сетях GSM такое сообщение называется «запросом на обслуживание СМ», а в сети UMTS — «начальным, инициирующим сообщением UE».

Если абонент находится в активном состоянии (терминал включен), то управление мобильностью ММ может принимать незанятое или подключенное состояние в зависимости от использования терминала. Проще говоря, началу вызова соответствует переход от незанятого состояния ММ к подключенному, а по окончании вызова подключенное состояние сменяется незанятым.

6.2.1.4.2. Состояния ММ в режиме КП

Для пакетных соединений применяются процедуры управления мобильностью в пакетном режиме — РММ. При этом состояния управления мобильностью остаются такими же, как и в случае КК, но переключения, определяющие переход из одного состояния в другое, происходят иначе (см. рис. 6.I9).

Отключенное состояние РММ означает ситуацию, когда сеть не имеет никакой достоверной информации, необходимой для маршрутизации пакетного соединения. Один из вариантов выхода из этого состояния — процедура пакетного присоединения номера IMSI. Эта процедура всегда выполняется при включении оконечного оборудования, поддерживающего режим КП. Здесь вносит путаницу то обстоятельство, что так называемое «пакетное присоединение» очень отличается от процедуры с таким же названием, выполняемой в режиме КК. Пакетное присоединение IMSI — это довольно сложная процедура сигнализации, напоминающая процедуру обновления местоположения. При выполнении пакетного присоединения IMSI информация

Рис. 6.19. Модель состояний управления мобильностью РММ при коммутации пакетов

маршрутизации, необходимая для установления пакетного соединения, «формируется» на всех задействованных узлах: управляющих узлах SGSN и шлюзовых узлах GGSN. Кроме того, у домашнего регистра HLR запрашивается информация об абоненте и, возможно, удаляется старая информация маршрутизации.

Подключенное состояние РММ означает возможность передачи данных между оконечным оборудованием и сетью: управляющий узел SGSN имеет достоверную информацию маршрутизации для пакетной передачи с томностью до адреса маршрутизации обслуживающей подсистемы радиосети SRNS. В незанятом состоянии местоположение известно с точностью до идентификатора области маршрутизации RA. Поэтому в незанятом состоянии РММ для доступа к терминалу {например, в целях сигнализации) необходима процедура оповещения.

С точки зрения конечного пользователя, мобильная связь в пакетном режиме часто определяется выражением «быть всегда на связи»; но пакетное соединение можно рассматривать как множество коротких соединений с КК. В обоих этих утверждениях есть доля истины, но ни одно из них точно не отражает суть вопроса. С точки зрения сети мобильное соединение в режиме КП создает иллюзию «постоянной связи». Такая иллюзия создается незанятым и подключенным состояниями РММ. В незанятом состоянии и сеть, и оконечное оборудование имеют достоверную информацию маршрутизации и готовы к передаче пакетных данных, но они не могут начать передачу, так как в этом состоянии соединение в сети доступа отсутствует.

Когда абонент отключает свой терминал с пакетным режимом передачи, управление мобильностью РММ переходит в отключенное состояние и информация маршрутизации, которой, возможно, располагают и сетевые узлы, становится недействительной. Если по какой-либо причине происходит ошибка при выполнении процедур присоединения IMSI или обновления области маршрутизации RA, то управление мобильностью РММ также может перейти в отключенное состояние.

6.2.2. Управление средствами связи СМ

В данном подразделе будут кратко представлены основные функции управления средствами связи СМ в двух режимах — КК и КП. При коммутации каналов речь идет об управлении соединением, а при коммутации пакетов — об управлении сессией связи. Рассмотрим эти функции через основные этапы установления соединения или сессии, а также через отдельные элементы.

6.2.2.1. Управление соединением при коммутации каналов

Управление соединением — это общее название функций, выполняемых в коммутаторе при обслуживании входящих и исходящих вызовов. В принципе, до установления соединения с КК коммутатор должен выполнить три действия: анализ номера, маршрутизацию и тарификацию. Управление соединением можно функционально разделить на три этапа, которые следует пройти при установлении соединения (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Управление соединением при коммутации каналов (КК) — схема соединений

Анализ номера — это набор правил обработки поступающих вызовов. Номер абонента, инициирующего соединение, называется вызывающим номером, а номер, с которым нужно установить соединение, — вызываемым номером. Решение принимается после анализа обоих номеров. Анализ номера производится на двух этапах управления соединением.

На первом этапе коммутатор проверяет, доступен ли вызываемый номер и не наложены ли на него какие-либо ограничения (например, запрет вызовов).

На втором этапе производится более подробный анализ вызываемого номера. Система анализирует характер выполняемой операции, чтобы установить, какой это вызов — международный или внутренний и существуют ли для данного номера определенные правила маршрутизации. Кроме того, система проверяет, требуется ли для выполнения операции какое-либо промежуточное оборудование (например, модем) и подлежит ли данное соединение оплате. Также на этом этапе система начинает вести статистику по данной операции.

После успешного завершения второго этапа управления соединением система знает, какое соединение необходимо установить. Процедуру этого соединения и выбора канала называют маршрутизацией. Если пункт назначения известен, система начинает подготавливать канал (каналы)/полосу частот в требуемом направлении, используя, например, протокол сигнализации абонентского узла ЦСИО — ISUP¹. Во время выполнения операции коммутатор накапливает статистическую информацию по данному соединению, а

Рис. 6.21. Этапы-«отрезки» вызовов

также информацию тарификации (в случае если соединение подлежит оплате). По окончании операции выполняется третий этап управления соединением — освобождение всех ресурсов, которые были задействованы в данном соединении.

В сетях фиксированной связи каждый вызов рассматривается на обоих концах сети как нечто единое. В мобильных сетях понятие «вызов» может трактоваться по-разному. Каждый «вызов» состоит из нескольких этапов, «отрезков», которые рассматриваются по отдельности.

С точки зрения управления соединением каждый вызов состоит как минимум из двух «отрезков». Всего таких «отрезков» может быть четыре: вызов с мобильного аппарата МОС (Mobile Originated Call), вызов на мобильный аппарат МТС (Mobile Terminated Call), вызов из телефонной сети общего пользования РОС (PSTN Originated Call) и вызов в направлении телефонной сети общего пользования РТС (PSTN Terminated Call). Как показано на рис. 6.21, управление соединением — это по своей сути распределенная функция и в зависимости от того, о каком элементе идет речь, используются различные процедуры управления вызовами. Так, обслуживающий элемент MSC/VLR обслуживает «отрезки» МОС и МТС, а шлюзовый центр коммутации GMSC — «отрезки» РОС и РТС. Управление вызовами обеспечивает прием и формирование таких «отрезков» и определяет, требуются ли какие-то дополнительные функции при обслуживании данного типа вызовов. Наиболее важные из этих дополнительных функций — межсетевое взаимодействие и учет (тарификация).

Управление вызовами позволяет распознать тип вызова и, исходя из этого, принять решение о дальнейших действиях. В режиме КК различают следующие основные типы вызовов:

•  обычный вызов (речь);

•  экстренный вызов;

•  передача данных (включая факс).

При вызовах с мобильного аппарата {«отрезок» МОС) информация о типе вызова содержится в «запросе обслуживания СМ» (сеть GSM) и в «на-чальном сообщении UE» (сеть UMTS с системой доступа UTRAN). При вызовах из телефонной сети общего пользования («отрезок» РОС) информация о типе вызова «скрыта» в адресе вызываемого абонента (номер В); как уже пояснялось в контексте управления мобильностью, мобильное оборудование распознает тип услуги по номеру MSISDN. При вызовах на мобильный аппарат и в направлении сети общего пользования («отрезки» МТС и РТС) управление соединением определяет, требуется ли какое-либо взаимодействие между данными «отрезками».

6.2.2.2. Управление сессией при коммутации пакетов

В области КП соединения называются сессиями, и для их установления используются процедуры управления сессиями SM (Session Management).

Управление сессиями как логический элемент имеет два основных состояния — неактивное и активное. В неактивном состоянии передача пакетных данных невозможна, а информация маршрутизации (если она существует) недействительна. В активном состоянии передача пакетных данных возможна, а вся необходимая информация маршрутизации определена.

В активном состоянии для передачи пакетных данных используется протокол PDP. Структура области КП базовой сети позволяет использовать множество различных вариантов протокола PDP. Наиболее очевидное решение — использовать в качестве PDP протокол IP, однако могут поддерживаться и другие протоколы типа Х.25, хотя такие случаи довольно редки.

Управление сессиями позволяет обрабатывать атрибуты пакетной сессии как контексты, при этом используется термин «PDP-контекст». PDP-koh-текст содержит все параметры пакетных данных, выраженные через адреса конечных точек и качество обслуживания QoS. Например, PDP-контекст включает такую информацию, как выделенные IP-адреса, тип соединения и адреса соответствующих сетевых элементов. Когда управление сессией находится в активном состоянии (т. е. PDP-контекст существует), пользователь также имеет IP-адрес. С точки зрения предоставления услуг каждой услуге области КП с определенным качеством (классом) QoS соответствует свой PDP-контекст. Например, такие услуги, как интернет-серфинг' и пакетная передача видео имеют свои PDP-контексты.

Сеть UMTS использует следующие классы качества обслуживания QoS:

•  диалоговый — разговорный класс;

•  потоковый — класс поточной передачи данных;

•  интерактивный;

•  фоновый или базовый.

Эти классы более подробно рассматриваются в главе 8.

PDP-контекст задается  в оборудовании пользователя UE и шлюзовом узле GGSN и, как уже отмечалось, содержит все необходимые параметры,

Рис. 6.22. Модель состояний управления сессиями SM

определяющие характеристики пакетного соединения. PDP-контекст можно активировать, дезактивировать или модифицировать.

При активации PDP-контекста управление сессией переходит из неактивного состояния в активное. Это, в свою очередь, означает, что оборудование пользователя UE формирует пакетную сессию, а сеть поддерживает необходимую достоверную адресную информацию, при этом заданы характеристики пакетного соединения (например, требуемый класс QoS). После активации PDP-контекста оборудование пользователя и сеть способны организовать канал для передачи данных.

При дезактивации PDP-контекста управление сессией переходит в неактивное состояние. При этом адресная информация и информация о пакетной сессии, которой могут располагать оборудование пользователя и сеть, становится недействительной. Таким образом, UE и сеть уже не могут организовать соединение для передачи потока данных пользователя.

Когда управление сессией находится в активном состоянии и PDP-контекст существует, этот PDP-контекст может быть модифицирован. В процессе модификации оборудование пользователя и сеть повторно согласуют характеристики пакетной сессии. Типичный пример такой модификации — изменение класса качества обслуживания QoS.

Как видно из рис. 6.23, управление сессией SM как высший логический уровень базируется на процедурах низшего уровня — управлении мобильностью в пакетном режиме РММ и контроля радиоресурсов RRC. Если текущие состояния РММ и RRC не соответствуют активной пакетной сессии, то PDP-контекст дезактивируется, а управление сеансом SM переходит из активного состояния в неактивное. Такая ситуация возникает, например, при изменении состояния RRC с подключенного на незанятое состояние. Это приводит также к изменению состояния РММ, что, согласно модели состояний управления сессиями на рис. 6.22, приводит к переходу SM из активного состояния в неактивное.

Задача управления сессиями SM — создать для конечного пользователя видимость постоянного соединения, и это должно быть сделано эффективно, с максимально возможной экономией сетевых ресурсов. Например, каналы радиодоступа RAB, переносящие данные пользователей, устанавливаются по требованию; при отсутствии данных для передачи каналы освобождаются, но служебное пакетное соединение еще остается. На рис. 6.23 показано, как различные элементы управления и контроля в базовой сети и системе доступа UTRAN изменяют свои состояния в процессе передачи потока пакетных данных.  Этот пример описывает ситуацию,  когда абонент

включает свой терминал и выполняется процедура присоединения номера IMSI. После этого абонент передает в сеть некоторые пакетные данные, и поставщик услуг также направляет некоторые данные этому терминалу. Процедура повторяется, и затем через некоторое время сеть передает пакетные данные оборудованию пользователя UE. Наконец терминал отключается. Такой сценарий пакетной передачи может быть реализован, например, во время сеанса быстрого просмотра по протоколу WAP.

Пока терминал отключен, между ним и сетью нет никакого взаимодействия. После включения терминала выполняется процедура присоединения номера IMSI и сеть начинает идентифицировать данное оборудование пользователя UE. При установлении служебного соединения RRC переходит из незанятого состояния в «состояние подключения соты по прямому каналу доступа — FACH». В это же время РММ переходит из отключенного состояния в подключенное, и с этого момента сеть имеет достоверную информацию о местоположении абонента. Управляющий узел SGSN получает эту информацию в составе «исходного сообщения UE», содержащего сведения о требуемых функциях. После присоединения номера IMSI оборудование пользователя UE инициирует «активацию РDP-контекста» Во время этой процедуры LJE и сеть согласуют желаемые характеристики пакетного соединения (например, класс качества обслуживания QoS). В результате активации PDP-контекста управление сессиями SM переходит из неактивного состояния в активное.

При наличии пакетных данных для пересылки организуется соответствующий канал передачи данных пользователя. Управляющий узел SGSN начинает процедуру выделения канала радиодоступа через систему UTRAN, а между SGSN и шлюзом GGSN организуется канал базовой сети. Теперь сеть может обмениваться данными с оборудованием пользователя LJE. Состояние контроля радиоресурсов RRC используется для оптимизации ресурсов системы UTRAN. Так, в «состоянии подключения соты по прямому каналу доступа — FACH» через интерфейс Iu может передаваться лишь малая часть пакетных данных, при этом сеть не предоставляет оборудованию пользователя выделенный канал. Если бы количество пакетных данных было большим, оборудованию пользователя был бы предоставлен выделенный канал с переходом RRC в «состояние подключения соты по выделенному каналу — DCH». По окончании передачи пакетных данных канал радиодоступа и канал базовой сети, использовавшиеся для передачи этих данных, освобождаются, но PDP-контекст сохраняется. Кроме того, в данном примере поддерживаются служебные каналы, служащие для передачи сигнальной информации между оборудованием пользователя и сетью. Когда каналы передачи данных освобождаются, RRC в целях экономии ресурсов оборудования пользователя переходит в «состояние подключения области регистрации UTRAN (URA) по каналу оповещения — РСН». В этом состоянии сеть не имеет точной информации о местоположении оборудования пользователя UE, и в случае необходимости установления соединения UE должно быть оповещено об этом.

Если спустя некоторое время оборудованию пользователя UE опять будет необходимо передать пакетные данные, оно направляет в сеть «запрос на обслуживание»,  при  этом RRC вновь переходит в «состояние подключения соты по прямому каналу доступа — FACH». Получив «запрос на обслуживание», сеть выделяет канал радиодоступа и канал базовой сети. Отметим, что эти каналы выделяются в соответствии с параметрами PDP-контекста. После установления соединения начинается обмен пакетными данными с оборудованием пользователя. По окончании передачи данных каналы освобождаются, но при этом PDP-контекст еще остается активным, и продолжает поддерживаться служебный канал.

При передаче пакетных данных в направлении оборудования пользователя шлюз GGSN инициирует эту процедуру, направляя пакет данных тому управляющему узлу SGSN, который обслуживает вызываемого абонента. Получив этот пакет, SGSN посылает в адрес соответствующего UE сигнал (пакет) оповещения. Когда UE получает пакет оповещения, RRC переходит из «состояния подключения области регистрации UTRAN (URA) по каналу оповещения — РСН» в «состояние подключения соты по прямому каналу доступа — FACH», a UE направляет в сеть «запрос на обслуживание». Поскольку управление сессиями SM находится в активном состоянии, сеть может выделить канал радиодоступа и канал базовой сети в соответствии с согласованными параметрами пакетного соединения. После выделения каналов пакетные данные передаются в направлении UE, и если это UE имеет пакетные данные для пересылки, они также передаются в сеть. По окончании пакетной передачи канал радиодоступа и канал базовой сети освобождаются, а сохраняются только служебные каналы.

Когда абонент выключает свой терминал, происходит «дезактивация PDP-контекста». Эта процедура удаляет всю хранившуюся в сети адресную информацию по данному пакетному соединению, а также PDP-контекст. При этом управление сессиями SM переходит из активного состояния в неактивное, и пакетная передача больше невозможна. Поскольку оборудование пользователя LJE отключается, то больше нет необходимости в служебном соединении, и оно разрывается. В результате РММ переходит в отключенное состояние, a RRC — в незанятое.

6.3. Тарификация, выставление счетов и учет

В данном разделе представлен краткий обзор существующих механизмов тарификации, выставления счетов и учета и их возможного применения в сетях UMTS. Но вначале уточним значение этих терминов:

•  Тарификация — это набор процедур, формирующих данные о начислениях платы. Эти процедуры реализуются элементами базовой сети. Общие принципы тарификации (т. е. идентификации собранных данных) регламентируются техническими требованиями к сетям UMTS.

•  Выставление счетов — это процедура последующей обработки данных тарификации, результатом которой является выставление счета за услуги конечному пользователю. Процедуры выставления счетов не относятся к области применения спецификаций UMTS. Эти процедуры регулируются местным законодательством и рыночными механизмами.

•  Учет — это общее название процедур хранения данных тарификации за некоторый установленный промежуток времени.  Разница между вы-ставлением счетов и тарификацией состоит в том, что в первом случае учитывается информация о соединениях между операторами или разными коммерческими структурами. Таким образом, процедура учета не имеет прямого отношения к конечным пользователям. Следует подчеркнуть, что, когда речь идет о телекоммуникациях, понятия учета и тарификации имеют различный смысл, но применительно к Интернету эти понятия часто используются как синонимы.

6.3.1. Тарификация и учет

Исходя из истории развития и внутренней природы сетей UMTS, сеть должна обеспечивать идентификацию трафика конечных пользователей и соответствующую тарификацию по трем схемам (критериям):

•  по времени: система фиксирует информацию о длительности операции: когда операция началась, когда закончилась и как долго продолжалась;

•  по количеству: система фиксирует информацию о числе бит, переданных во время операции;

•  по  качеству:  система фиксирует информацию о критерии  качества, применяемом во время операции. Этот критерий (или профиль) качества называют «качеством обслуживания» — QoS.  Понятие качества обслуживания, его параметры и механизмы кратко рассматриваются в главе 8.

Первый из этих трех критериев традиционно применяется в сетях с коммутацией каналов (например, в телефонных сетях общего пользования). Два других критерия начали применяться в сотовых сетях пару лет назад в связи с появлением услуги GPRS. Поскольку сеть UMTS предлагает множество различных возможностей, трех названных критериев может оказаться недостаточно. Следует также учитывать, что модель сети стала более сложной и охватывает целый ряд коммерческих структур. Исходя из этого, требования к тарификации можно кратко сформулировать следующим образом (хотя этот список и не является исчерпывающим):

•  Должна  быть  обеспечена  возможность  отдельной тарификации для каждого типа передачи (речь, видео, данные) во время сессии, а также для каждой используемой услуги (телефонный разговор, поточная передача видео, загрузка файлов и т. д.).

•  Должна быть обеспечена возможность отдельной тарификации для различных уровней качества обслуживания QoS, присвоенных носителям информации (среде) или услугам во время сессии.

•  Должна быть обеспечена возможность отдельной тарификации каждого «отрезка» сессии или соединения, включая входящие, исходящие, переадресованные и перенаправленные «отрезки». Здесь речь идет о логических «отрезках» (необязательно совпадающих с реальными сигналами или потоками данных).

•  Тарификация  может базироваться  на используемом  методе доступа (2G, 3G или дополнительный доступ). В то же время оператор может выбрать независимую от метода доступа схему тарификации, основываясь на фактически предоставленных услугах.

•  Необходимо обеспечить возможность тарификации абонентов домашней сети при роуминге таким образом, как будто они не покидали домашнюю сеть. Например, если при тарификации поточной передачи музыки в домашней сети используется критерий времени, нужно предусмотреть возможность такой же тарификации и при роуминге.

•  Оператор должен иметь возможность применения механизмов тарификации сетей GSM/GPRS — по продолжительности разговора, количеству переданных данных (например, при поточной передаче, загрузке файлов, быстром просмотре) и по событиям {разовое начисление).

•  Должны быть предусмотрены механизмы тарификации, учитывающие местоположение, эффект присутствия, услуги со скидкой («проталкивание» услуг) и т. д.

•  Должны быть предусмотрены методы тарификации при предварительной или последующей оплате, при использовании извещений об оплате и при оплате третьей стороной.

•  В домашней сети необходимо обеспечивать применение различных тарифов для внутренних (в пределах страны) звонков и коротких сообщений, инициируемых/передаваемых абонентами, которые обслуживаются по системе роуминга в своей домашней мобильной сети общего пользования (PLMN) независимо от того, относятся ли вызываемый и вызывающий абоненты к одной домашней сети PLMN, а также от номера MS1SDN вызываемого абонента.

Объединение перечисленных требований в условиях конкретной экономической среды дает примерно такую ситуацию, какая показана на рис. 6.24,

Из рисунка можно видеть, что в процессы тарификации вовлечено множество коммерческих структур. Выше нами была рассмотрена «розничная тарификация» и сформулированы предъявляемые к ней требования. Смысл розничной тарификации соответствует тому понятию тарификации, которое было дано в начале раздела. Другие типы тарификации, указанные на рис. 6.24, в основном относятся к понятию учета (т. е. не имеют прямого отношения к конечным пользователям).

Типичный пример учета — «оптовая тарификация», когда виртуальный оператор или поставщик услуг покупает пропускную способность, а затем продает ее своим абонентам. В наши дни подобный вид предпринимательства получаст все большее распространение. Во многих странах власти регулируют процессы тарификации, чтобы обеспечить конкурентную среду. Показательным примером такого регулирования может служить Финляндия, где местные власти следят за тем, чтобы все операторы мобильных сетей имели единые расценки для так называемых виртуальных операторов (т. е. любой виртуальный оператор в принципе может купить пропускную способность у любого оператора мобильной сети).

Кроме «оптовой тарификации» мобильный оператор ведет учет по еще четырем направлениям — это сети связи не на базе IP, сети связи на базе IP, различные типы шлюзов и поставщики оперативной информации. Сети связи не на базе IP — это, как правило, сети с коммутацией каналов и соединение

Рис. 6.24. Типы тарификации в соответствии с документом 3GPP T.S 22.115

с такими сетями может осуществляться двумя способами. Если базовая сеть содержит область КК, то соединение происходит напрямую, с использованием методов, определенных в документе 3GPP R99. Это означает, что плоскость управления поддерживает систему сигнализации № 7, а также сиг-налшацию абонентских узлов ЦСИО — ISUP, а абонентская плоскость образует временной интервал (или интервалы) в канале ИКМ. Если область КК реализована согласно требованиям 3GPP R4, то соединение с абонентской плоскостью осуществляется через медиашлюзы, а все необходимые процедуры сигнализации поддерживаются с помощью специальных функций шлюза. В обоих случаях собранная учетная информация отражает использование ресурсов сети с КК, при этом тарификация, как правило, основывается на продолжительности разговора. При взаимодействии с сетями IP ведется учет информации о сессиях: какого типа данная сессия и какие операции она включала? Если речь идет о шлюзах (порталах), то учетная информация дает статистику подключений (т. е. как часто использовался данный портал). При взаимодействии с поставщиками оперативной информации ведется учет того, сколько раз, когда и кем осуществлялся доступ к той или иной информации.

Соединения с коммутацией каналов и их тарификация останутся такими же, как они есть, и в этой сфере не ожидается никаких значительных перемен. Пакетная коммутация, наоборот, будет развиваться, и тарификация пакетных соединений станет очень перспективным направлением. Пакетные соединения устанавливаются с использованием подсистемы мультимедиа ТР IMS, архитектурные аспекты которой будут представлены в разделе 6.4. С точки зрения тарификации и учета подсистема IMS охватит большинство из кратко представленных выше направлений учета, в том числе и розничную тарификацию.

В таблице 6.1 представлены различные возможности тарификации. Буквами А, В и С обозначены стороны, участвующие в мультимедийных операциях, выполняемых с помощью подсистемы IMS. Еще раз подчеркнем, что таблица иллюстрирует необязательные возможности, а не реальные примеры тарификации. Собранные данные тарификации и учета используются оператором IMS при выставлении счетов, но при этом конфигурация подсистемы IMS должна предоставлять возможности, перечисленные в таблице 6.1.

Таблица 6.1. Возможности тарификации, доступные в мультимедийных сессиях

Мультимедийная сессия состоит из мультимедийных компонентов. В соответствии с требованиями, приведенными в начале данного раздела, сеть должна обладать способностью распознавания различных мультимедийных компонентов и уметь поддерживать соответствующие процедуры тарификации и учета.

Среди распознаваемых мультимедийных компонентов можно назвать следующие:

•  речь;

•  передача аудиосигналов в реальном времени;

•  поточная передача аудиосигналов;

•  передача видео в реальном времени;

•  поточная передача видео;

•  загрузка данных (в том числе в удаленный компьютер);

6.3.2. Выставление счетов

Выставление счетов не регламентируется техническими требованиями UMTS: это отдельный процесс с применением специального оборудования, не относящегося к сети UMTS. Основой для выставления счетов являются данные тарификации и учета, собранные оператором на своей собственной сети и, возможно, полученные из других сетей.

Процедуры выставления счетов регулируются местными органами власти и законодательством, и поэтому принципы выставления счетов в разных странах отличаются. Помимо данных тарификации и учета, для выставления счетов необходима и другая исходная информация:

•  Информация об абоненте. Эта информация определяет деловые отношения между оператором/поставщиком услуг и конечным пользователем: предоставляемые услуги, профили QoS, идентификаторы и т. д.

•  Соглашение об уровне взаимосвязи/обслуживания SLA¹. Эта информация определяет деловые отношения между операторами, поставщиками услуг и поставщиками оперативной информации: полосу частот, гарантии качества обслуживания QoS, вопросы эксплуатации и технического обслуживания и т. д.

•  Ценовая политика. Определяется оператором/поставщиком услуг и регулируется рынком, а в некоторых случаях — органами власти: стоимость вызова, стоимость сессии, стоимость медиакомпонента, ежемесячные платежи, льготные тарифы и т. д.

Задача процедуры выставления счетов — объединить перечисленные данные с данными тарификации и учета и сформировать счета для конечных пользователей и других задействованных сторон.

6.4. Подсистема мультимедиа IP (IMS)

В предьщущих разделах данной главы были рассмотрены структуры областей базовой сети, а также задачи управления и функции контроля в базовой сети. Данный и последующие разделы посвящены завершающему архитектурному компоненту сети — подсистеме мультимедиа IP (IMS), благодаря которой приложения, реализованные в мобильных устройствах, могут устанавливать равноправные соединения.

Людям свойственна естественная потребность делиться впечатлениями о том, что они увидели, сделали или почувствовали. Сегодня для того, чтобы поговорить друг с другом, мы имеем традиционную телефонию, чтобы отправить изображения или речевые сообщения, пользуемся услугой передачи мультимедийных сообщений MMS², а также имеем возможность просмотра интернет-страниц со своих оконечных устройств. Кто-то может решить, что этого достаточно, но сейчас мы наблюдаем появление целого ряда новых мультимедийных телекоммуникационных услуг, таких как интерактивные игры, интерактивное обслуживание через Интернет, совместное использование приложений, видеосвязь, обмен сообщениями с расширенными возможностями,

Рис. 6.25. IMS обеспечивает управление мультимедийной сессией в области коммутации пакетов КП

эффект присутствие и групповая (конференц) связь (например, режим «нажми и говори» — РоС). Конечно, многие из этих новых услуг будут использоваться совместно.

Сети UMTS предоставляют оконечным устройствам гибкие IP-каналы и отличные возможности обработки данных, используя для этого системы GPRS, EDGE (усовершенствованная передача данных как эволюция GSM) и WCDMA (широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением). Не хватает лишь механизма соединения оконечных устройств по протоколу IP, и здесь на помощь приходит подсистема IMS. Как показано на рис. 6.25, подсистема IMS обеспечивает управление мультимедийной сессией с использованием протокола инициирования сессии SIP в области КП. Это позволяет абонентам устанавливать соединения с различными серверами прикладных программ (приложений) и прежде всего получать доступ к IP-услугам через свои оконечные устройства.

В последующих разделах мы дадим общее представление о подсистеме IMS. Будут изложены основы построения этой подсистемы и приведены ее основные функциональные блоки. Также мы рассмотрим взаимодействие различных функций и основные протоколы подсистемы IMS. Здесь умышленно сделан акцент на примерах и алгоритмах работы протоколов. Полное и детальное описание подсистемы IMS можно найти в книге «Принципы построения и услуги подсистемы мультимедиа IP (IMS) в мобильной области»¹.

6.5. Основы построения мультимедийной подсистемы IP

Существует набор базовых требований, указывающий путь создания структуры IMS и ее развития в будущем. Следующие десять принципов образуют основу структуры IMS:

•  возможности взаимодействия IP;

•  независимость доступа;

•  слоеная, уровневая структура;

•  качество обслуживания (QoS);

•  принцип управления IP;

•  безопасность, конфиденциальность связи;

•  возможность тарификации;

•  возможность перемещений (роуминг);

•  взаимодействие с другими сетями;

•  разработка услуг и управление ими на основе приложений IP.

Название «Мультимедийная подсистема IP» подразумевает выполнение фундаментального требования, согласно которому терминал должен иметь доступ IP. Равноправные приложения нуждаются в сквозных соединениях, и это проще достигается в 6-й версии интернет-протокола — IPv6, так как у него нет недостатка в адресации. Поэтому в проекте 3GPP услуги IMS поддерживаются исключительно протоколом IPv6 [3GPP TS 23.221]. Более ранние реализации IMS использовали 4-ю версию интернет-протокола — IPv4. Есть отчет об исследованиях, содержащий руководство и рекомендации по использованию протокола IPv4 в доступе к услугам IMS [3GPP TR 23.221]. Соединения по протоколу IP можно получать в домашней сети или гостевой сети по роу-мингу. Крайняя левая часть рис. 6.26 показывает возможность получения оборудованием абонента UE адреса IP в гостевой сети. Это означает, что в системе UMTS сеть радиодоступа RAN, SGSN и шлюз GGSN находятся в гостевой сети. В крайней правой части рис. 6.26 показана возможность получения оборудованием UE адреса IP в домашней сети. Это означает, что в системе UMTS радиодоступ RAN и SGSN находятся гостевой сети. Очевидно, что когда або-нент находится в домашней сети, то все необходимые функции находятся в домашней сети и соединение с Интернетом предоставляется этой сетью.

Хотя данная книга о сетях UMTS, но важно понимать, что услуги IMS разработаны для использования, независящего от вида доступа и поэтому они могут быть получены по любой сети IP, например GPRS, беспроводной местной сети WLAN, широкополосной цифровой абонентской линии xDSL. Фактически первая версия IMS — 5-я версия — связана с UMTS потому, что доступ по протоколу IP возможен только через систему GPRS. Однако во второй исправленной — 6-й версии существует возможность получения любого другого вида доступа.

Кроме того, для независимого доступа предусматривается уровневая структура подсистемы IMS. Это означает, что услуги по транспортировке, переносу отделены от сети сигнализации IMS и услуг управления сеансами связи. Последующие услуги предоставляются «поверх» сети сигнализации IMS. Реализация этого показана на рис. 6.27. Уровневый подход преследует цель минимизировать зависимость между слоями. Преимущество такого подхода заключается в том, что он облегчает последующие подсоединения новых сетей доступа.\В 6-й версии проекта 3GPP подключение беспроводной сети WLAN к подсистеме IMS послужит тестом, насколько хорошо была выполнена уровневая схема. Могут быть предложены другие схемы доступа, например широкополосный фиксированный доступ. Важность уровневого подхода увеличивается на прикладном уровне. Если приложения изолированы и общее функционирование может обеспечиваться слоями сети ниже IMS, то одинаковые приложения могут предоставляться абоненту UE различными типами доступа.

Важную роль в сети Интернет играет качество предоставления услуг QoS. Как это в общем-то известно, в сети Интернет общего пользования имеют место большие задержки и колебания времени прибытия пакетов, пакеты прибывают испорченные или вообще пропадают. Этот факт должен быть исправлен в подсистеме IMS, иначе пользователи не будут в полной мере использовать новые, богатые возможностями услуги IMS. Абонент UE, используя подсистему IMS, в сеансе установления S1P или процедуре модификации согласовывает свою пропускную способность и требования к качеству QoS. Оборудование UE может согласовывать следующие параметры: тип среды, направление трафика, скорость передачи, размер пакета, частоту передачи пакетов. После согласования параметров на прикладном уровне оборудование UE может добавить параметры качества QoS сети UMTS и зарезервировать подходящие средства сетей RAN и GPRS. В главе 8 содержится классификация QoS, атрибуты и соответствующие сетевые механизмы. Мы покажем только, как UE может гарантировать качество QoS сквозного соединения между собой и шлюзом GGSN. Кроме того, необходима связь между шлюзами GGSN для обеспечения требуемого качества QoS. Этого можно достичь соглашением об уровне обслуживания SLA между операторами.

Стратегическое управление IP означает санкционирование пропускной способности и управление использованием средств передачи трафика IMS по параметрам сигнализации сессии IMS. Требования к взаимодействию между GPRS и IMS сводятся к следующему:

•  Элемент стратегического управления   может контролировать (проверять), используются ли при активизации переносчиков мультимедийного трафика значения, согласованные в протоколе сигнализации SIP. Это дает возможность оператору проверять использование собственных ресурсов для тех сквозных соединений, которые были согласованы в протоколе сигнализации   SIP.

•  Элемент стратегического управления наблюдает, когда мультимедийный трафик между оконечными точками сеанса SIP может стартовать или остановиться.

•  Элемент стратегического управления может получать уведомления от сети GPRS о модификациях, перерывах или дезактивациях контекста или контекстов PDP пользователя, связанного с сеансом SIP.

Конфиденциальность представляет основополагающее требование любой части сети UMTS, и IMS не составляет исключения. Кроме процедур сети GPRS подсистема IMS располагает собственными механизмами аутентификации и авторизации между UE и сетью IMS. Более того, целостность и необходимая конфиденциальность сообщений SIP обеспечивается между UE и сетью IMS и между элементами сети IMS независимо от поддерживающих их сетей RAN и GPRS. Задачи безопасности в среде UMTS детально описываются в главе 9.

С точки зрения оператора или поставщика услуг, возможность тарификации пользователей необходима в любой сети. Структура IMS допускает использование различных моделей тарификации. Это может быть, например, возможность тарификации только вызывающей стороны или обеих (вызывающей  и  вызываемой) сторон  на основе ресурсов транспортного уровня.

В последнем случае вызывающая сторона сможет полностью тарифицироваться на уровне сеанса IMS: при этом на транспортном уровне или уровне IMS возможны различные схемы тарификации. Хотя оператор может быть заинтересован в коррелированной информации о тарификации, создаваемой на транспортном уровне и уровне IMS (услуги и контекст). Такая возможность предоставляется оператору при проведении им стратегического управления в опорных точках. Поскольку сеанс IMS может включать мультимедийные компоненты, например аудио и видео, то требует от IMS предоставления возможностей тарификации компонентов информационных средств. Это дало бы возможность вызываемой стороне проводить тарификацию и добавлять новые информационные компоненты во время сеанса. Необходимо также, чтобы различные сети IMS могли обмениваться информацией о применяемой тарификации в текущем сеансе.

С точки зрения пользователя, важно увеличить возможности доступа к услугам независимо от его географического местоположения. Роуминг предоставляет возможность использовать услуги при нахождении абонента вне географической зоны услуг домашней сети. Можно выделить различные типы роуминга: роуминг GPRS, роуминг IMS и роуминг IMS с КК. Роуминг GPRS дает возможность доступа к подсистеме IMS при поддержке гостевой сетью сетей RAN и SGSN, а домашней сетью — GGSN и IMS. Модель роуминга IMS определяет конфигурацию, в которой гостевая сеть содержит входные точки сетей RAN, SGSN, GGSN и IMS (т. е. P-CSCF), а домашняя сеть выполняет остальные функции IMS. Роуминг между IMS и доменом базовой сети с КК называется межсетевым. Это означает, что если пользователь не может достигнуть IMS, то IMS проключает сеанс на домен с КК. базовой сети и наоборот,

Предусматривается возможность сосуществования в течение многих лет сетей различного типа. Поэтому взаимодействие сетей существующих сетей (ТСОП, ЦСИО, мобильных, Интернета) составляет важнейший аспект любой новой сетевой структуры. Более того, возможно, что некоторые люди не захотят заменять абонентские аппараты или пользоваться различными новшествами, но опять же некоторые абоненты могут задействовать несколько функций аппарата UE: работать с локальной беспроводной сетью WLAN на работе, сетью UMTS на улице и проводной линии дома. Это увеличивает число задач независимо от вида терминала, который используется абонентом или от того, где он находятся. Новые современные сетевые технологии и структуры IMS должны быть доступны как можно большему числу пользователей. Поэтому подсеть IMS обеспечивает связь с абонентами ТСОП, ЦСИО, мобильных сетей и Интернета.

Базовая сеть с КК и подсеть IMS используют разные модели управления и предоставления услуг. В базовой сети CN с КК используется гостевое управление. Это означает, что когда абонент использует роуминг, то гостевая сеть предоставляет услуги и управляет его трафиком. Это свойство называется мобильным гостевым коммутационным центром VMSC (Visited Mobile Switching Centre). В противоположность этому в IMS используется домашнее управление. Это означает, что услугами управляет функция управления сессией вызова S-CSCF (Serving-Call Session Control Function), которая всегда находится в домашней сети. Значимость имеющейся возможности изменения масштабов платформы услуг и возможности стремительного введения новых услуг означает, что старый способ, использующий стандартизированные законченные наборы услуг, приложений и дополнений больше не существует. По этим причинам IMS предоставляет проспект услуг, которые предоставляют необходимую пропускную способность для различных мультимедийных приложений в сети IMS или на ее основе. Подсеть IMS фактически не услуга сама по себе, она скорее структура, основанная на протоколе SIP для предоставления современных услуг Интернет и приложений сети с КП. Подсистема IMS предоставляет необходимые средства для запроса услуг. Примеры такого рода приложений дают услуги о присутствии и проведении телеконференций. В будущем ожидается, что открытый мобильный альянс ОМА (Open Mobile Alliance) создаст максимальные возможности использования  IMS для предоставления разнообразный услуг и приложений.

6.6. Объекты и функции IMS

В данной главе обсуждаются основные свойства и функции подсистемы IMS. Эти свойства условно можно разделить на шесть категорий:

•  управление сеансом и маршрутизация (CSCF);

•  базы данных <HSS, SLF);

•  функции взаимодействия (BGCF, MGCF, IMS-MGW, SGW);

•  функции взаимодействия (AS, MRFC, MRFP);

•  услуги (THIG, SEG, PDF);

•  тарификация.

Важно понимать, что стандарты IMS установлены так, что внутреннее функционирование объектов сети не определено в деталях. Вместо этого стандарты описывают опорные точки между объектами и функции, поддерживаемые в опорных точках. Хороший пример: как CSCF получает данные из базы данных?

6.6.1. Функции управления сеансом CSCF

Есть три разных вида функций управления сеансом вызова CSCF (Call Session Control Function): прокси P-CSCF (Proxy-CSCF ), обслуживающая Ser-ving-CSCF (S-CSCF) и опрашивающая CSCF Interrogating-CSCF (I-CSCF). Каждая функция CSCF имеет свои собственные задачи, описанные в последующих подразделах. Все функции CSCF играют свою роль во время регистрации и установления сеанса и формируют механизм маршрутизации протокола SIP. Кроме того, все функции способны передавать загружаемые данные в автономном режиме (off-line), У P-CSCF и S-CSCF есть несколько общих функций. Обе по заданию пользователя могут прекращать сеанс, например, когда S-CSCF обнаруживает «зависший» сеанс или когда P-CSCF получает извещение о потере физического канала. Кроме того, они могут контролировать содержимое в поле полезной нагрузки протокола описания сеанса SDP (Session Description Protocol) и проверять, содержит ли оно указания по типам сред и кодам не разрешенных к использованию. Если предлагаемый протокол SDP не соответствует установкам оператора, то CSCF отклоняет запрос и посылает UE сообщение об ошибке S1P.

6.6.1.1. Прокси-функция управления сеансом P-CSCF

В мультимедийной подсистеме IMS первая функция, контактирующая с абонентом, — это P-CSCF. Это означает, что весь трафик управляющей сигнализации протокола SIP от абонента UE будет передан P-CSCF. Подобным же образом весь входящий трафик управляющей сигнализации протокола SIP от сети посылается абоненту UE от P-CSCF. Всего есть четыре задачи выделенных только P-CSCF: сжатие SIP, защита соединений IP — IPSec, взаимодействие с функцией установок решений PDF (Policy Decision Function) и обнаружение экстренных вызовов.

Поскольку протокол SIP — протокол сигнализации текстового типа, то он содержит большое число заголовков и их параметров, включая расширения и параметры защиты. Все это определяет то, что размер сообщения SIP больше протоколов в двоичной кодировке. В структуре IMS постановка сеанса S1P представляет собой утомительный процесс, включающий согласование вида кода и расширений, а также обмена сообщениями о параметрах качества QoS. Вообще, это дает возможность гибкой организации структуры и позволяет организовывать сеансы с различными требованиями. Однако недостаток заключается в большом числе байт и сообщений на радиоинтерфейсе. Увеличение размера сообщения означает, что:

•  Процедура установления сеанса с использованием S1P займет больше времени, чем использование специальной сотовой сигнализации, которая предполагает, что абонент будет испытывать задержку при установлении сеанса, а это будет неожиданным и, вероятно, неприемлемым.

•  Внугрисотовая сигнализация будет в некоторой степени неблагоприятно влиять на системные параметры передачи речи.

Для ускорения установления сеанса в проекте 3GPP предусматривается поддержка компрессии протокола SIP. Аппарат UE предоставляет P-CSCF средства индикации для приема по радиоинтерфейсу компрессированных сообщений сигнализации.

•  Функция P-CSCF ответственна за обслуживание ассоциаций безопасности SA и защите целостности и конфиденциальности сигнализации S1P. Это реализуется во время регистрации SIP при согласовании защит SA IPSec между UE и P-CSCF. После инициации регистрации P-CSCF можно применить защиту целостности и конфиденциальности к сигнализации SIP (более детально IPSec описана в главе 9).

•  Функция P-CSCF состоит в ретрансляции информации о сеансе и среде передачи к функции PDF при применении оператором стратегии управления IP. Исходя из принятой информации, PDF может извлечь разрешенную информацию о качестве QoS в IP, которая проходит к шлюзу GGSN, когда ему необходимо проводить стратегию управления IP перед второй активацией протокола PDP (Packet Data Protocol). Кроме того, через PDF подсистема IMS может поставлять в сеть GPRS информацию о корреляции загрузки IMS. Аналогично через PDF подсистема IMS может получать сведения о корреляции загрузки GPRS из сети GPRS. Это делает возможным слияние документов о загружаемых данных, поступающих от сетей IMS и GPRS в систему оплаты услуг.

•  Сеанс экстренных вызовов пока еще не определен в полной мере. Это необходимое условие, что сеть IMS стремится к определению экстренных сеансов и проведет аппарат UE системы UMTS к использованию сети  с   КК  в  экстренных сеансах.   Обнаружение  вызовов  —  задача P-CSCF. Эти функции не должны исчезать при поддержке экстренных сеансов IMS, так как в определенных случаях роуминга возможно, что UE сам не знает, как набирается номер экстренного вызова.

6.6.1.2. Опрашивающая функция управления сеансом — I-CSCF

Опрашивающая функция управления сессией вызова функция I-CSCF (Interrogating-Call Session Control Function) представляет соединительную точку сетей операторов для всех соединений абонентов данной сети оператора. Всего есть четыре задачи выделенных только I-CSCF:

•  Получение от HSS номера I-CSCF.

•  Определение функций I-CSCF по информации, принятой от HSS. Задание функций I-CSCF имеет место при регистрации в сети пользователя  или  когда незарегистрированный пользователь получает запрос SIP и хочет получить услугу, которую можно получить в незарегистрированном состоянии, например голосовую почту.

•  Маршрутизация входящих запросов далее к заданной I-CSCF.

•  Предоставление функций межсетевого шлюза THIG (Topology Hiding Inter-network Gateway), описанных ниже в подразделе 6.6.5.

6.6.1.3. Обслуживающая функция управления сеансом — S-CSCF

Обслуживающая функция управления сеансом — S-CSCF находится в фокусе подсети IMS из-за своей ответственности за процесс регистрации, принятие решений о маршрутизации и хранение профиля услуг.

Когда абонент посылает запрос на регистрацию, он проключается на S-CSCF, которая загружает из HSS идентификационные данные. Исходя из этих идентификационных данных, S-CSCF формирует вызов к оборудованию UE. После получения ответа и верификации его S-CSCF принимает регистрацию и начинает процедуру контроля регистрационного статуса. После этой процедуры абонент может инициировать и использовать услуги IMS. Более того, во время процесса регистрации S-CSCF загружает из HSS профиль услуг.

Профиль услуг — это собрание специальной информации пользователя, постоянно хранящейся в домашнем сервере HSS. Функция S-CSCF загружает профиль услуг, связанный со специальным абонентским идентификатором общего пользования (т. е. joe.doe@ims.example.com), при регистрации этого идентификатора в IMS. Функция S-CSCF использует информацию, включенную в профиль услуг, и решает когда и, в частности, какую ассоциацию безопасности SA включить при запросе абонентом SIP или получении им запроса от кого-нибудь.   Кроме того,  профиль услуг может содержать

Рис. 6.28. Маршрутизация S-CSCF и установление сеанса Интернет мультимедийной подсистемы IMS

дальнейшие инструкции о типе средств мультимедиа, которые следует применить S-CSCF, например, она может указать, что пользователь может использовать только аудио и прикладные компоненты, но не может использовать видео услуги.

Функция S-CSCF ответственна за ключевые решения при маршрутизации при приеме всех сеансов и операций, исходящих от абонента UE или входящих к нему. При приеме S-CSCF запросов исходящих от абонента UE и поступающих через P-CSCF необходимо решить необходимо ли соединение с SA, прежде чем посылать запрос дальше. После возможного обмена с SA S-CSCF или продолжает сеанс в IMS, или направляет к другому домену (КК ил другой сети IP). Более того, если UE использует для адресации к вызываемой стороне номер MSJSDN, то S-CSCF перед отправкой запроса дальше преобразует номер MSISDN (т. е. URL) в формат URI-протокола SIP, так как IMS не маршрутизирует запросы в формате номеров MSISDN. Аналогичным образом S-CSCF принимает все запросы, направляемые к абонентскому оборудованию UE. Хотя функция S-CSCF знает адреса IP оборудования UE из регистрации, она маршрутизирует все запросы через P-CSCF, так как функция P-CSCF обеспечивает защиту и компрессию SIP. Перед передачей запроса к P-CSCF, функция S-CSCF может связать запрос к AS, например для проверки возможных правил переадресации. Рис. 6.28 иллюстрирует роль S-CSCF при принятии решений.

6.6.2. База данных

В архитектуре IMS предусмотрено две основные базы данных: домашний абонентский сервер HSS (Home Subscriber Server) и функция локации абонирования (подписки) — SLF (Subscription Locator Function). Сервер HSS представляет основное хранилище данных всех данных, имеющих отношение к абонентам и услугам IMS. Основные данные, хранящиеся в HSS, включают абонентские идентификаторы, регистрационную информацию, параметры доступа и информацию о переключении услуг [3GPP TS 23.001]. Существует два типа абонентских идентификаторов — личные и общие (см. подразделы 6.2.1.1.7 и 6.2.1.1.8). Личный идентификатор абонента выдается оператором домашней сети и используется для целей регистрации и авторизации. Общий идентификатор абонента — это такой, который одни пользователи могут использовать для запроса связи с другими абонентами. Параметры IMS обычно используются при установлении сеанса. Они включают параметры аутентификации (опознания) абонента, авторизацию (разрешение) роуминга и выделение имен S-CSCF. Информация о переключении услуг позволяет выполнять услуги протокола SIP. Домашний сервер HSS также обеспечивает работу S-CSCF необходимой информацией о требованиях абонента. Эта информация используется 1-CSCF для выбора наиболее подходящей пользователю функции S-CSCF. Кроме функций, относящихся к работе IMS, сервер HSS содержит наборы функций HLR/AuC, необходимых в доменах с КК и КП. Связь между различными функциями серверов HSS не стандартизирована. В зависимости от числа мобильных абонентов, производительности оборудования и организации сети в домашней сети может быть более одного сервера HSS.

Функция SLF используется в качестве решающего механизма, позволяющего I-CSCF, S-CSCF и AS находить адрес сервера HSS, который поддерживает данные абонента для заданного идентификатора, при использовании оператором серверов HSS с множественной (циркулярной) или раздельной адресацией.

6.6.3. Функции взаимодействия

В данном разделе представлены четыре функции взаимодействия, необходимые для обмена сигнальной информацией и сообщениями мультимедиа между подсистемой IMS и доменом КК базовой сети CN.

В подразделе 6.6.1.3 пояснялось, что решение об установлении (или прекращении) соединения с доменом КК базовой сети принимает обслуживающая функция управления сеансом связи S-CSCF. Для этого она посылает запрос сеанса SIP к функции управления коммутационным шлюзом BGGF (Breakout Gateway Control Function), которая определяет, где должно произойти соединение с доменом КК. Здесь возможны два варианта: соединение может произойти в той же сети, где находится функция BGGF, или в другой сети. Если соединение происходит в той же сети, то функция BGGF выбирает для дальнейшей поддержки сеанса связи соответствующую функцию управления медиашлюзом MGGF (Media Gateway Control Function). Если соединение происходит в другой сети, то функция BGGF передает управление данным сеансом другой функции BGGF в выбранной сети (в соответствии с документом 3GPP TS 23.228). Такой вариант позволяет организовать маршрутизацию сигналов сигнализации и мультимедийных сообщений по протоколу IP в непосредственной близости от вызываемого абонента.

Функция MGGF, получив запрос на установление сеанса SIP, выполняет преобразование протокола SIP в ISUP (или протокол управления вызовами, независимый от канала — BICC (Bearer Independent Call Control)) и через шлюз сигнализации SGW (Signalling Gateway) посылает преобразованный запрос в домен КК базовой сети. Шлюз SGW преобразует сигналы сигнализации на транспортном уровне (в обоих направлениях), согласуя передачу сигналов сигнализации на базе IP и передачу на основе системы сигнализации № 7 - ОКС № 7 (т. е. между Sigtran SCTP/IP и ОКС № 7 МТР). Шлюз сигнализации SGW не интерпретирует сообщения прикладного уровня (например, протоколов BICC и ISUP). Функция MGGF также управляет медиа-шлюзом IMS — IMS-MGW, обеспечивающим соединения в плоскости пользователя между доменами КК базовой сети CN и подсистемой IMS. В шлюзе IMS-MGW заканчиваются каналы — переносчики со стороны домена КК базовой сети и мультимедийные потоки со стороны магистральной сети (например, сообщения протокола реального времени RTP в сети IP или соединения ATM уровня адаптации AAL2 в магистральной сети ATM), выполняются соответствующие преобразования протоколов, а также транскодирование и обработка сигналов плоскости пользователя (при необходимости). Кроме того, шлюз IMS-MGW может обеспечивать абонентов домена КК тональными сигналами и объявлениями.

Аналогичным образом при получении входящих сигналов сигнализации от абонентов IMS функция MGGF выполняет необходимые преобразования протоколов и направляет запрос на установление сеанса SIP к запрашивающей функции управления сеансом связи — I-CSCF. В это же время MGGF взаимодействует с шлюзом IMS-MGW, резервируя необходимые ресурсы в плоскости пользователя.

Принцип взаимодействия представлен на рис. 6.29. В левой части рисунка показано установление сеанса связи в случае вызова из подсистемы IMS, а в правой части — в случае вызова из домена КК.

6.6.4. Функции предоставления услуг

В данной книге к функциям предоставления услуг IMS относятся три функции: функциональный контроллер мультимедийных ресурсов MRFC (Multimedia Resource Function ConroIIer), функциональный процессор мультимедийных ресурсов MRFP (Multimedia Resource Function Processor) и серверы приложений AS.

С точки зрения уровневой модели серверы AS нельзя в полной мере отнести к элементам подсистемы IMS; они скорее работают поверх IMS. Однако здесь AS рассматриваются как часть функций IMS, поскольку они обеспечивают дополнительные мультимедийные услуги в подсистеме IMS, такие как функция присутствия и РоС. Серверы AS размещаются в домашней сети абонента или имеют стороннее размещение. Под сторонним размещением в данном случае понимается внешняя сеть или отдельный (выделенный) сервер AS. Основные свойства AS — это:

•  возможность обрабатывать входящие сеансы SIP, поступающие от IMS, и оказывать на них влияние;

•  способность направлять запросы на установление сеанса SIP;

•  способность передавать функциям тарификации расчетную информацию.

Предоставляемые услуги не ограничиваются лишь услугами на базе протокола SIP, так как оператор имеет возможность предоставить своим абонентам IMS доступ к услугам на базе среды услуг CAMEL — CSE (CAMEL Service Environment) или открытой архитектуры услуг OSA (Open Service Architecture) (в соответствии с документом 3GPP TS 23.228). Поэтому термином «AS» в общем случае обозначают работу серверов AS на базе SIP, сервера услуг OSA — SCS (Service Capability Server) и коммутационной функции IMS в среде CAMEL — IMS-SF (IMS Switching Function).

На рис. 6.30 показано, как различные функции соединяются друг с другом. С точки зрения обслуживающей функции S-CSCF сервера приложений AS на базе SIP сервер услуг OSA и коммутационная функция IMS-SF представляют одну и ту же эталонную точку. Сервер AS может быть выделен только для одной услуги, а пользователь может получать больше услуг; поэтому на каждого пользователя приходится по одному или более AS. Кроме того, в каждом сеансе связи может участвовать один или более AS. Так, оператор, исходя из пожеланий абонентов, выделяет один сервер AS для управления обработкой входящего трафика. Например, для переадресации на автоответчик входящих мультимедийных вызовов, с 5 часов вечера до 7 часов утра. Второй сервер AS используется для адаптации текущих сообщений к требованиям конкретного абонентского оборудования UE (размер экрана, количество цветов и т. п.).

Контроллер MRFC и процессор MRFP вместе формируют в структуре подсистемы IMS механизм предоставления услуг, канального уровня, например конференц-связь, информирование абонентов или транскодирование в канале. Задача функционального контроллера MRFC — поддерживать связь по протоколу SIP с функцией S-CSCF и управлять процессором MRFP. Функциональный процессор MRFP, в свою очередь, обеспечивает ресурсы плоскости пользователя, запрашиваемые контроллером MRFC. Процессор MRFP выполняет следующие функции:

Рис. 6.30. Взаимосвязь между различными типами серверов приложений AS

•  смешивание входящих мультимедийных потоков данных (например, различных абонентов);

•  формирование мультимедийных потоков данных (для мультимедийных объявлений);

•  обработка мультимедийных потоков данных (например, аудиотранско-дирование,   медиаанализ)   в   соответствии   с  документами   3GPP TS 23.228 и TS 23.002).

В настоящее время роль MRFC и MRFP в структуре подсистемы IMS незначительна, так как при разработке и обсуждении IMS контроллер MRFC был совмещен с сервером приложений AS (см. документ 3GPP TS 24.147), а эталонная точка между MRFC и MRFP пока четко не определена.

6.6.5. Функции поддержки

Разделение плоскости управления и плоскости пользователя было, возможно, одной из самых важных проблем при разработке подсистемы IMS. Полная независимость уровней (слоев) невозможна, так как без взаимодействия между плоскостями пользователя и управления операторы не могут контролировать параметры качества обслуживания QoS, а также источники и пункты назначения трафика IMS и время начала и конца мультимедийного соединения. Поэтому был создан специальный механизм, обеспечивающий авторизацию и контроль использования мультимедийного трафика в каналах подсистемы IMS. Этот механизм основан на параметрах SDP, согласованных во время сеанса IMS. Это общее взаимодействие между GPRS и IMS называется местной (локальной) стратегией на основе услуг — SBLP (Service Based Local Policy). Позднее были определены дополнительные возможности, касающиеся обмена информацией тарификации. Функция PDF отвечает за принятие стратегических решений на основе сеансовой и мультимедийной информации, полученной от функции P-CSCF, и выполняет в системе управления SBLP функции точки принятия решений.

Установление сеанса связи в подсистеме IMS предполагает сквозной обмен сообщениями с использованием протоколов SIP и SDP. При обмене со-общениями абонентские терминалы UE согласуют набор мультимедийных характеристик (например, общий кодек или кодеки). Если оператор применяет систему SBLP, то функция P-CSCF должна направлять соответствующую информацию SDP с указанием ее источника к PDF. PDF, в свою очередь, выделяет и передает метку авторизации, которую затем функция P-CSCF передает оборудованию пользователя UE. Функция PDF отмечает и санкционирует потоки данных в формате IP, поступающие от выбранных мультимедийных компонентов, согласовывая параметры SDP с авторизованными параметрами качества QoS IP для передачи через интерфейс Go к шлюзу GGSN. Когда оборудование UE активизирует или модифицирует контекст PDP услуг мультимедиа, оно должно выполнить собственное согласование параметров SDP и запросить у соответствующих приложений UMTS некоторые параметры качества QoS. Активизация или модификация контекста PDP также предполагает получение метки авторизации и идентификаторов потока в качестве информации связывания. После активизации или модификации контекста PDP шлюз GGSN запрашивает у PDF информацию авторизации. PDF сравнивает принятую информацию связывания с хранящейся в нем информацией авторизации и принимает решение об авторизации. Если информация связывания признается корректной, PDF передает свое решение с деталями авторизации в шлюз GGSN. Детали авторизации включают параметры качества QoS IP и классификаторы пакетов, относящиеся к контексту PDP. Шлюз GGSN согласует авторизованные параметры качества QoS IP с авторизованными параметрами QoS системы UMTS и, наконец, сравнивает параметры качества обслуживания QoS системы UMTS с авторизованными параметрами QoS UMTS контекста PDP. Если параметры качества QoS UMTS, запрашиваемые в контексте PDP, находятся в пределах, авторизованных PDF, то активизация или модификация контекста PDP принимается.

Кроме решения об авторизации канала PDF принимает информацию об освобождении контекста PDP, управляемого системой SBLP, о потере или восстановлении радиоканалов оборудования пользователя UE, а также о том, что контекст PDP, управляемый системой SBLP, использует поточный или разговорный трафик. На основе этой информации PDF может информировать функцию P-CSCF о произошедших событиях. Это позволяет функции P-CSCF пересмотреть принципы тарификации и даже начать процедуру прекращения сеанса IMS от имени пользователя. Более того, PDF может запросить у шлюза GGSN дезактивацию конкретного контекста PDP, управляемого системой SBLP.

Шлюз безопасности SEG (Security Gateway) выполняет функцию защиты трафика плоскости управления между доменами безопасности. Под доменом безопасности понимают сеть, которая управляется одним административным органом. Обычно эти домены совпадают с границами сетей различных операторов. Шлюз SEG находится на границе домена безопасности и направляет стратегию безопасности данного домена в направлении других шлюзов SEG, находящихся в домене пункта назначения. Весь трафик подсистемы IMS маршрутизируется с использованием шлюзов SEG, особенно если это трафик между доменами, который генерируется в одном домене безопасности, а принимается в другом. Зашита трафика IMS между доменами преду-сматривает обязательные процедуры обеспечения конфиденциальности, целостности данных и аутентификации.

Функция THIG позволяет скрыть конфигурацию, пропускную способность и топологию сети от внешних сетей других операторов. Если оператор хочет использовать эту возможность, он должен включать функцию THIG в тракт маршрутизации при получении запросов или ответов от других сетей IMS. Точно так же функция THIG должна быть включена в тракт маршрутизации при передаче запросов или ответов другим сетям IMS. Функция THIG выполняет шифрование и дешифрование всех заголовков, содержащих информацию о топологии сети IMS данного оператора.

6.6.6. Функции тарификации

Структура подсистемы IMS поддерживает возможности тарификации как в

режиме реального времени, так и в автономном режиме. При тарификации в режиме реального времени элементы подсистемы IMS, такие как серверы приложений AS, взаимодействуют с системой тарификации в реальном времени. Эта система тарификации, в свою очередь, взаимодействует в режиме реального времени с абонентскими счетами, контролируя или отслеживая начисление платы за использование услуг. Например, сервер приложений AS запрашивает систему тарификации в реальном времени, прежде чем разрешить установление сеанса связи, а также получает информацию о том, как долго абонент может участвовать в конференции. При тарификации в автономном режиме информация тарификации в основном собирается после завершения сеанса связи, и система тарификации не влияет в реальном времени на предоставляемую услугу. При использовании такой модели абонент обычно получает ежемесячный счет с перечнем услуг, подлежащих оплате за данный период. Из-за различного характера двух моделей тарификации для их реализации требуются разные архитектурные решения.

В системе тарификации в автономном режиме главную роль играет функция сбора информации тарификации CCF (Charging Collection Function), принимающая расчетную информацию от элементов подсистемы IMS (P-CSCFS-CSCF, I-CSCF, BGCF, MGCF, AS, MFRC). Функция CCF обрабатывает полученные данные, после чего создает и форматирует текущую запись данных тарификации — CDR (Charging Data Record). Текущая запись CDR поступает в систему выставления счетов, которая формирует итоговую запись CDR с учетом информации, полученной от других источников (например, от CGF). Система выставления счетов формирует фактический счет за услуги. Этот счет может включать, например, число сеансов связи, пункты назначения, длительность и тип сессии (аудио, текст, видео).

Тарификацию в режиме реального времени могут выполнять такие элементы подсистемы IMS, как S-CSCF, AS и MRFC. Когда оборудование пользователя UE запрашивает у какого-либо из этих элементов услугу, требующую авторизации по параметрам тарификации, то такой элемент, прежде чем предоставить абоненту услугу, связывается с системой тарификации в реальном времени OCS (Online Charging System). Пусть, например, абонент обратился к серверу новостей за информацией о последних ставках или запросил сеанс конференц-связи. Система OCS поддерживает две различные модели тарификации: прямую тарификацию события и тарификацию с резервированием блоков. При прямой тарификации система OCS использует функцию оценки для нахождения соответствующего тарифа для данного события. После определения тарифа и стоимости со счета абонента снимается необходимая сумма денег, и система OCS удовлетворяет запрос соответствующего элемента (AS, MRFC или S-CSCF). При использовании такой модели элемент подсистемы IMS должен знать, что он может самостоятельно доставить абоненту запрашиваемую услугу. Например, сервер приложений AS может послать запрос и информировать систему OCS об услуге (скажем, игре в шахматы) и о том, сколько раз ее нужно предоставить (например, дважды). После этого система OCS, используя функцию оценки, определяет тариф (например, 0,3 €) и подсчитывает стоимость с учетом числа предоставляемых услуг (0,6 €). Итак, со счета абонента снимается 0,6 €, и система OCS информирует сервер AS о том, что два блока предоставления услуги разрешены. В случае использования модели тарификации с резервированием блоков система OCS, используя функцию оценки, определяет стоимость запрашиваемой услуги исходя из информации об этой услуги, если стоимость не указана в самом запросе. Затем система OCS резервирует необходимую денежную сумму на счету абонента и предоставляет запрашивающему элементу (AS, MRFC или S-CSCF) соответствующее количество ресурсов. Под количеством ресурсов может пониматься время или разрешенный объем данных. Когда ресурсы, предоставленные абоненту, израсходованы или услуга успешно завершена, элемент подсистемы IMS информирует систему тарификации OCS о количестве израсходованных ресурсов. После этого система OCS снимает со счета абонента израсходованную сумму (см. документы 3 GPP TS 32.200, TS 32.225, TS 32.260), при этом может потребоваться дополнительное взаимодействие с функцией оценки. Такая модель тарификации подходит для тех случаев, когда элемент IMS (AS, MRFC или S-CSCF) не может определить заранее, может ли быть предоставлена данная услуга, или когда требуемое количество ресурсов неизвестно до того, как услуга будет использована (примером может служить продолжительность сеанса конференц-связи).

ГЛАВА 7

ОКОНЕЧНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМЫ UMTS

Лари Лаитинен (Lauri Laitinen)

Самый заметный элемент системы UMTS — это ее оконечные устройства, так как они непосредственно связаны с абонентом. Все эти устройства прежде всего должны рассматриваться с точки зрения тех услуг, которые они предоставляют абонентам связи. На самом деле, конечно же, это всего лишь верхушка айсберга, поскольку функции абонентского терминала значительно шире. Цель данной главы состоит в том, чтобы дать краткий обзор структур мобильных телефонов, а также возможностей их функционирования вне системы UMTS. При этом мы старались учесть те ограничения и возможности, которые есть в структуре терминалов.

Заметьте, что с точки зрения сети общая структура и функции мобильного аппарата составляют предмет стандартизации. Несмотря на это, их реализация и дополнительные внутренние возможности в высшей степени зависят от технологии производства. Поэтому структурные возможности представлены в этой главе в общих чертах — главным образом в виде технических требований и как только один из возможных подходов в дальнейших исследованиях.

7.1. Структура мобильного телефона

Радиоинтерфейс абонента системы UMTS официально называется оборудованием пользователя — UE¹. Оборудование UE чаще всего называют мобильным аппаратом или терминалом. С точки зрения сети UE отвечает за функции связи, которые нужны для соединения с другим оборудованием UE. Основные функции оконечных устройств системы UMTS связаны с обменом данными между мобильным аппаратом и сетью. Все оконечные устройства системы UMTS должны обладать следующими свойствами:

• Должны содержать вставную карточку UICC (Universal Integrated Circuit Card) — маленькую интегральную микросхему (микрочип), содержа-

щую универсальную идентификационную абонентскую «SIM-карту» — USIM (Universal Subscriber Identity Module) и при необходимости идентификационную карточку интернет-услуг ISIM (IMS Identity Module).

•  Предоставлять услуги постановки и снятия с учета.

•  Обновлять информацию о местоположении.

•  Получать и отправлять данные, как ориентированные на соединение, так и без установки соединения.

•  Позволять идентификацию подлинности оборудования — IMEI.

•  Позволять идентификацию возможностей мобильного аппарата.

•  Иметь возможность вызова экстренных служб без USIM.

•  Поддерживать алгоритмы аутентификации и шифрования данных.

•  Кроме этих обязательных важных для работы сети функций оконечные устройства системы UMTS должны обеспечивать поддержку следующих дополнительных функций, необходимых для дальнейшего развития:

— программного интерфейса приложений — API (Application Programming Interface);

—  механизма загрузки в абонентский терминал информации об услугах (параметры, машинные тексты и даже программное обеспечение), новых протоколов, других функций и даже новых API;

— возможности использования нескольких UICC карт.

Устройства UE часто представляют как единое устройство, в основном потому что все производители поставляют оборудование в готовом виде. Но в сложной мобильной системе оборудования UE часто заметно, по крайней мере в стандартизации, что UE представляет собой набор взаимосвязанных модулей с независимыми группами функций. Эти модули также могут быть иногда реализованы как отдельные части. Во всяком случае, эти функциональные группы и подгруппы имеют свою собственную ответные части на конце сети.

Для примера: одна из новинок системы GSM дает возможность физического разделения абонентской части — SIM-карточки от общей части телекоммуникационной системы с помощью стандартизированного интерфейса. Эта остроумная идея унаследована системой UMTS. Такой подход позволяет абонентам, операторам и физическим оконечным устройствам быть независимыми друг от друга.

Другая важная идея заключается в разделении сети на сеть доступа RAN и базовую сеть CN. Конечно, это не предмет стандартизации, но это должно учитываться на практике при разработке структур терминалов. Такое разделение на модули дает возможность производителю ясно увидеть организацию производства оконечных устройств, которые могут работать во многих сетях и нескольких режимах, по крайней мере изнутри, и независимо от технологий базовой сети. На рис.

7.1 показано структурное строение UE с рассмотренными ранее связывающими ответными частями на другом конце сети.

Оборудование UE состоит из мобильного оборудования ME и карточки UICC.

Карточка UICC — это часть ME, принадлежащая абоненту. Тем не менее она содержит одно или несколько модулей USIM и соответствующее про-

Рис. 7.1. Базовая структура абонентского оборудования UE. ООД — оконечное оборудование данных

граммное обеспечение. Модуль US1M, по существу, скорее логическое понятие, а не только физическая реализация в карточке UICC. Карточка UICC может также содержать при желании модули ISIM интернет-услуг — IMS. Оператор, с которым пользователь имеет договор, в любом случае будет обеспечивать информационное содержание модулей USIM. Модуль USIM в большей степени связан с услугами, чем с данными абонента. Просто модуль ISIM предназначен для обслуживания абонента, его сетевой аутентификации и представляет ключевой элемент при предоставлении интернет-услуг — IMS.

Мобильное оборудование ME — это независимая от абонента часть UE, состоящая из различных модулей.

Оконечное оборудование ТЕ входит составной частью в ME и обеспечивает пользователей прикладными функциями, например управлением вызовом абонента, доступом к Интернету и другим данным, кодированием средств IMS и управлением сеансом связи абонента. Оконечное оборудование ТЕ может различать различные стандартизированные телекоммуникационные услуги. На нем также завершается платформа телекоммуникационных услуг.

Мобильный терминал МТ — это часть мобильного оборудования ME, на которой заканчивается или начинается радиопередача в сеть и которая адаптирует возможности ТЕ к условиям радиопередачи. С точки зрения мобильных систем оборудование МТ собственно и представляет оконечное устройство. Терминал МТ может изменять свое местоположение в пределах сети доступа или в пределах зоны покрытия, переходя из одной сети доступа в другую с той же технологией доступа. На терминале МТ завершаются сетевые услуги системы UMTS.

Сетевой терминал NT функционально представляет часть мобильного терминала МТ, взаимодействующую с базовой сетью CN. Сетевой терминал NT использует протоколы управления мобильностью (включая GPRS) — MM/GMM, а также управления связями и сеансами CM/SM. Следовательно, с точки зрения базовой сети CN терминал NT может рассматриваться как оконечное сетевое устройство. Протоколы уровня базовой сети описываются в главе 10.

Радиотерминал RT функционально представляет часть мобильного терминала МТ, которая относится только к сети радиодостуиа RAN. Терминал RT включает функции, обшие для всех услуг, использующих такие же технологии радиодоступа, а также использующих похожие протоколы на уровне доступа, как доступ к среде MAC, управления радиолинией RLC и радиорссурсами RRC поверх физической радиосвязи. Следовательно, с точки зрения сети доступа UTRAN терминал RT рассматривается как оконечное устройство. Протоколы MAC, RLC и RRC также будут описаны в главе 10.

В данной книге структура мобильных аппаратов изложена с использованием описанных выше функциональных групп. Краткий перечень функциональных групп и их зависимости от услуг сети и подсетей приведен в таблице 7.1. Распределение основных функциональных элементов по вышеописанным функциональным группам поясняется на рис. 7.2.

Таблица 7.1. Сводная таблица функциональных групп в оборудовании пользователя UE

Строго говоря, в таблице упомянута только конечная «логическая» ответная часть в базовой сети. В некоторых случаях из соображений оптимизации действующие протоколы могут завершаться в других сетевых элементах. Например, протокол управления мобильностью ММ между USIM и домашним регистром HLR часто завершается в гостевом регистре VLR MSC или в узле поддержки GPRS SGSN (Serving GPRS Support Node) в гостевой сети, так как текущая информация домашнего регистра HLR часто дублируется в SGSN. Несмотря на то что структуры стыков оконечных устройств и сети отличаются друг от друга, но есть некоторые интерфейсы, которые совпадают между собой, могут присутствовать на обоих концах. Естественно, что радиоинтерфейс UU на обоих концах также одинаковый.

Контрольная точка Ти (см. рис. 7.1) соединяется с UTRAN и с выделенной частью базовой сети на стороне терминала, а интерфейс Iu — на стороне сети. На практике для достижения лучшего качества параметры в точке Ти реализуются на аппаратном уровне внутри абонентского терминала UE. Соответственно, Iu представляет собой стандартизированный интерфейс, так как в этой части могут быть различные поставщики устройств сети UTRAN и базовой сети.

Интерфейс Си соответствует интерфейсам D, С, GR и GC базовой сети, которые связывают элементы обслуживающей сети (коммутаторы MSC и GMSC или маршрутизаторы SGSN и GGSN) с регистрами домашней сети (HLR, AUC, HSS). Эти интерфейсы стандартизированы на обоих концах, потому что интерфейс Си на конце мобильного аппарата находится между операторами и изготовителями мобильного оборудования, а на конце сети находятся интерфейсы между домашними и гостевыми операторами.

7.2. Отличия терминалов

Терминалы UMTS имеет очень разнообразные требования и, как показано на рис. 7.3, они не обязательно согласуются друг с другом. Это увеличивает сложность оборудования и влияет на его стоимость. Однако, если цена абонентского аппарата слишком высокая, это, в свою очередь, увеличивает риск того, что абоненты не будут принимать такие новшества. Все это вместе со множеством других факторов приводит к большому числу видов абонентских аппаратов. Различия в разработках оборудования видны уже на рынке GSM, где определенные модели мобильных станций MS ориентированы на простых абонентов, другие — на бизнес-клиентов и т. д. Складывается мнение, что в 3G эти различия будут еще более значительны и приведут к сегментации рынка мобильных аппаратов.

Удивительная особенность оборудования 3G заключается в том, что даже в своей простейшей форме оно дает возможность доступа к услугам двух различных доменов (областей) сети: сети с коммутацией пакетов КП (Packet Switched — PS) и коммутацией каналов (Circuit Switched — CS). С точки зрения оконечного оборудования это приводит к трем различным режимам работы:

• Режим работы КК/КП. Терминал связан с обоими доменами КП и КК, и оборудование может одновременно предоставлять услуги этих доменов.

Рис. 7.3. Факторы, влияющие на структуру абонентского оборудования UE

•  Режим работы КП. Терминал связан только с доменом КП, и оборудование может получать услуги только через этот домен. Однако это не мешает получению услуг с коммутацией каналов от домена с коммутацией пакетов. Хорошо известным примером изначальной услуги сети с КК, которая может быть реализована как услуга сети с КП, служит протокол передачи речи через Интернет VoIP (Voice over internet Protocol).

•  Режим работы КК. Терминал связан только с доменом КК, и оборудование может получать (предоставлять) услуги только через этот домен. Однако это не мешает получению услуг с коммутацией пакетов из домена с коммутацией каналов. Более того, некоторые пакетные услуги реального времени, особенно с высоким уровнем требований к качеству QoS, на практике более удобно реализовать средствами области с КК и с использованием постоянной скорости передачи, хотя во внешних сетях для этих услуг может применяться режим КП.

В режиме работы КК/КП терминал получает удобный случай оптимизировать процедуру обновления информации о местоположении. Для этого необходимо, чтобы сеть поддерживала необязательный интерфейс Gs между MSC/VLR и SGSN. В этом случае терминал, согласно своим возможностям, может выбирать объединенную или раздельную процедуру обновления. В режиме объединения терминал только дает знать SGSN о своем новом месте, после чего SGSN уведомляет MSC/VLR о том, что местонахождение изменено.

Разделение функций радио- и сетевого окончания в мобильном оборудовании позволяет классифицировать UE с точки зрения использования мо-

бильным окончанием МТ нескольких систем доступа или технологий базовых сетей. Теоретически возможно несколько основных вариантов:

•  Одиночный радиорежим. В этом режиме МТ может использовать для абонентского   трафика   только   один   вид   радиоинтерфейса.   В   сети UMTS, по крайней мере сначала, отдано предпочтение широкополосному радиоинтерфейсу с многостанционным кодовым разделением и частотным дуплексом WCDMA — FDD. Это типичный пример одиночного радиорежима МТ.

•  Множественный радиорежим. В этом режиме МТ может использовать несколько радиоокончаний для передачи трафика абонента. Интересный случай в этой категории представляют терминалы с двойным режимом GSM/UMTS, принцип работы которых определен в технических условиях проекта 3GPP. Этот вид терминалов позволяет использовать услуги сети 2G за пределами зоны радиопокрытия WCDMA. Друтим примером могут служить абонентские терминалы UMTS с возможностью доступа к сетям UTRAN и GERAN.

•  Одиночный режим, режим одной сети. В этом режиме МТ может использовать только один вид базовой сети. Это такие терминалы UMTS, которые могут использовать по меньшей мере один рабочий режим. Режимы с КК, КП и КК/КП дают примеры одиночных режимов работы МТ.

•  Многосетевой режим. В этом режиме МТ может использовать несколько базовых сетей.  Наиболее типичный абонентский терминал такого вида, вне базовой сети UMTS, поддерживает также GSM NSS.

Как уже сказано выше, все эти варианты создают основу для реализации абонентских терминалов, но некоторые варианты могут быть коммерчески непривлекательны из-за сложности реализации и/или высокой стоимости. Но система UMTS будет внедряться на уже полностью сложившийся рынок сотовой связи, где уже достаточно услуг 2G. Это создаст давление на абонентские терминалы UMTS в смысле необходимости предоставления уже существующих услуг сетей второго поколения 2G.

Первые сети UMTS должны будут внедряться наложением на сеть GSM, что потребует от оконечного оборудования UMTS совместимости с сетью GSM. Это требование поддерживают и сетевые операторы, так как терминал, который может обеспечить радиодоступ и по технологии GSM и методом WCDMA, представляет более привлекательное и практичное решение, позволяющее воспользоваться преимуществами инфраструктуры обеих сетей доступа. Так, при предоставлении речевых услуг с КК абоненты рассчитывают на то, что их телефонный разговор не будет прерван из-за возможной ограниченности покрытия на первом этапе реализации сети UMTS. В этом отношении хорошим средством расширения зоны покрытия сети служит множественный радиорежим работы МТ.

Таким образом, стандартные терминалы UMTS с самого начала будут поддерживать множественный радиорежим и многосетевой режим работы МТ.

Такие терминалы UMTS обеспечат платформу для развития самых разнообразных услуг. Однако спрос пользователей на услуги также может быть очень разным: кого-то полностью удовлетворяют обычные речевые услуги и не интересуют сложные услуги с КП типа поточной передачи. Другие пользователи могут считать услуги с КП необходимыми для себя. Если абонентский терминал будет поддерживать все виды услуг, то его реализация будет очень сложной и дорогой, и конечно, абоненты могут не захотеть платить за те дополнительные возможности, которые они не считают важными или необходимыми.

Исходя из этого, рассмотрим сценарий, иллюстрирующий возможные варианты сегментации рынка абонентских терминалов UMTS. Следует отметить, что данный сценарий не отражает позицию какого-либо производителя или другой заинтересованной стороны, а лишь дает общее представление о том, как может происходить разбиение рынка мобильной связи на различные сегменты.

Исходя из потребностей абонентов и принимая во внимание возможности, предоставляемые широкополосным радиодоступом, можно выделить четыре основных сегмента, описывающие абонентов, их потребности и соответствующие услуги.

•  Классический терминал. Это эквивалент существующего сотового телефона. Такой терминал должен быть недорогим, и, следовательно, будет иметь ограниченные функциональные возможности — речевые услуги с КК и ограниченные услуги передачи данных с относительно низкими скоростями, которые все же выше по сравнению с существующими системами GSM и GPRS. Этот терминал может поддерживать радиодоступ GSM и WCDMA, но не обязательно одновременно. Другими словами,  это  мобильное  окончание   МТ,  работающее  в  избирательном многосетевом  режиме.   Такой  терминал  может рассматриваться  как «расширение GSM», и его основная ценность — это возможность использования в существующих сетях GSM (доступ WCDMA используется редко, в основном для соединений с КП).

•  Двухрежимный терминал. Терминал данного типа может использовать доступ GSM и WCDMA, при этом метод доступа выбирается автоматически, исходя из доступного покрытия и требуемой услуги. Например, речевые услуги обычно предоставляются по сети GSM, а услуги передачи данных и мультимедиа — с использованием WCDMA. Такой терминал позволяет использовать преимущество обоих методов доступа, а также выполнять межсистемную передачу обслуживания в обоих направлениях. В случае межсистемной передачи обслуживания используемая услуга адаптируется к методу радиодоступа, когда это возможно. Таким образом, данный терминал представляет мобильное окончание МТ,  одновременно  работающее  с  несколькими  сетями.   Когда сети UMTS получат широкое коммерческое распространение, то именно такие терминалы, вероятнее всего, будут формировать рынок массового потребления.

•  Мультимедийный терминал. Этот терминал напоминает предыдущую модель, но он более «интеллектуален» с сетевой точки зрения. Двухрежимный терминал не всегда может поддерживать радиоканалы UTRAN наилучшим образом, в то время как мультимедийный терминал выпол-няет «оптимальное мультиплексирование» канала (каналов) при обслуживании мультимедийных соединений. С развитием сетей UMTS этот аспект, связанный с экономией пропускной способности, приобретет большое значение. Мультимедийный терминал — это своего рода комбинация сотового телефона и портативного компьютера. Он содержит множество прикладных программ для поддержки мультимедийных соединений и услуг. Терминал данного типа не всегда подходит для массового потребления; скорее он ориентирован на бизнес-клиентов, по крайней мере, вначале.

• Терминалы специального назначения. Эти терминалы не всегда предполагают наличие телефона как такового, как это было в предыдущих случаях. Они используются для решения специальных задач и должны интегрироваться с другим оборудованием. Терминал данного типа может размещаться, например, в автомобиле и работать совместно с установленным там специальным компьютером. В случае кражи автомобиля такой терминал можно «разбудить». Он сможет дать детальную информацию (например, название улицы) о местонахождении автомобиля с использованием системы GPS и информации собственного компьютера автомобиля. Три предыдущих типа терминалов в той или иной мере поддерживают режим КК/К.П. Но терминалы специального назначения, области применения которых могут быть самыми различными, вероятно, будут работать только в режиме КП. Пример возможной области применения таких устройств — «интеллектуальная бытовая техника», например холодильник, который может сам заказать необходимые продукты. В этих случаях описанные здесь специальные терминалы для установления соединений следует объединять со связным оборудованием.

7.3. Возможности оконечных устройств

Поскольку жизненный цикл сетей UMTS предположительно составит несколько десятилетий, понадобится множество типов совместимых оконечных устройств с различными возможностями. То есть любой терминал и любая сеть должны быть способны каким-то образом согласовать, какие основные возможности или их альтернативы они могут предоставить друг другу. Стратегию таких согласований сеть UMTS заимствовала у GSM: сеть в режиме вещания передает устройствам UE системную информацию о своих возможностях, а каждое UE знает свои собственные возможности и информирует о них сеть UTRAN или базовую сеть.

Совокупность базовой информации о возможностях UE называется меткой класса (classmark) мобильной станции. В процессе эволюции технологий мобильной связи растет число возможных альтернатив, и в результате принцип «метки» был доработан с учетом обратной совместимости. Размер исходной, самой маленькой метки (метки № 1), использовавшейся в ранних версиях GSM, составлял 2 октета (1 октет включает 8 бит). Метка № 2 имела 5 октетов, а метка № 3 имеет максимальный размер 14 октетов. Метки № 1 и № 2 используются в системах GSM. В системе UMTS метку № 2 можно охарактеризовать как «паспорт базовой сети CN», а метку № 3 — как «паспорт сети радиодоступа RAN». Какая версия метки необходима в том или ином случае, зависит от выполняемой процедуры. Обычно информация об основных возможностях UE, хранящаяся в паспорте (метке класса) мобильной станции № 3, включает:

•  доступные режимы WCDMA (т. е. FDD или TDD);

•  возможности двойного режима (поддержка различных вариантов GSM с указанием полосы частот и других специальных свойств);

•  доступные алгоритмы кодирования;

•  свойства измерительных функций UE (доступность расширенных измерительных возможностей и время, необходимое мобильному окончанию МТ для переключения с одного радиоканала на другой с целью выполнения измерений соседней ячейки);

•  возможность использования методов позиционирования с указанием конкретных методов;

•  возможность использования при передаче коротких сообщений SMS универсального алфавита № 2 (т. е. стандартного 16-символьного кода, известного также как «ISO/1EC10646» или «Уникод») вместо используемого по умолчанию 7-битового алфавита GSM.

Помимо метки класса существует еще один подобный информационный элемент, полностью характеризующий свойства радиоинтерфейса UE. Этот элемент известен под названием «возможность радиодоступа мобильной станции».

7.4. Подписка в системе UMTS

Как и в GSM, в сетях UMTS подписка отделена от мобильного оборудования ME. Подписной информационный набор (т. е. условия подключения абонента к сети) называется модулем идентификации абонента — USIM (рис. 7.4). Модуль US1M называют также «SIM», так как в любом случае услуги фактически используют информацию идентификационной SIM-карточки. Соответствующая информация хранится обычно в регистре HLR домашней сети абонента.

Пользователи домена пакетной передачи данных КП могут также использовать дополнительное приложение IS1M во вставной карточке UICC для получения интернет-услуг IMS. Соответствующая информация для приложений ISLM находится в сервере HSS (Home Subscriber Server) домашней сети пользователя.

В GSM вставная карточка SIM выполнена в виде интегральной схемы — физического места, в котором хранится информация об абоненте и, возможно, информация об услугах. В системе UMTS вставная карточка, в которой физически хранятся данные, называется UICC. В карточке UICC содержатся информация USIM по идентификации и услугам. Доступ к USIM производится через профайлы, профили — определенную совокупность параметров, «фильтров», которые определяют, например, как показать пользователю хранящуюся информацию. Профайл — это объект, доступный для изменений: и пользователь, и сеть могут вносить некоторые изменения в информацию профайла.

Один модуль USIM может содержать много профайлов, предназначенных для определенных целей. Предположим, что у пользователя есть два оконечных устройства системы UMTS: одно классического типа (смотрите классификацию оконечных устройств в разделе 7.2), а другое — «мультимедийный терминал». Когда абонент вставляет модуль USIM в одно из этих устройств, то подписка одна и та же, но устройства показывает информацию в различных вариантах. В зависимости от используемого оконечного оборудования ТЕ при одинаковой подписке используются разные профайлы. Например. через мультимедийные оконечные устройства абонент может получить доступ к информации (предположим, архив изображений), которая недоступна через «классические» оконечные устройства.

Основная разница между SIM-карточкой GSM и карточкой USIM состоит в том, что по умолчанию данные в USIM загружаются, эта информация более доступна и может обновляться по радиотракту. Возможности модуля USIM делают его информацию доступной для приложений терминала ТЕ в прикладном наборе средств USAT (USIM Application Toolkit).

Обычно карточка USIM содержит пять видов данных:

•  Административные   данные:   эти   данные   заносятся   производителем USIM и поставщиком услуг или оператором, и они не могут быть изменены. К ним относятся ключевые значения алгоритмов безопасности, IMSI и информация класса доступа.

•  Временные сетевые данные: это в основном информация управления мобильностью ММ об идентификаторе области местоположения, TMSI и расчетных значениях ключей к шифрам.

•  Данные об услугах: содержат информацию о возможности или допустимости различных услуг и их внутренних данных. Услуги доступны при наличии подписки, которая позволяет их использовать. Если принято сообщение об отсутствии доступа к услуге, то это означает, что она не может быть получена пользователем USIM, даже если его аппарат UE и поддерживает такую услугу. Например, при соответствующей поддержке оператора USIM может содержать: телефонную книгу абонента, мобильный номер абонента ЦСИО, фиксированный набор но-мера, услуги набора номера, запрещенные к набору номера, информацию об исходящих и входящих вызовах, хранение, отчет о состоянии и параметрах услуг SMS, предупреждение о разряде батареи, управляемый абонентом и оператором селектор мобильной сети общего пользования PLMN и технологий доступа, список корпоративных сетей и т. д.

•  Прикладные данные: карта US1M может хранить небольшие приложения,  необходимые для специализированных услуг. Эти приложения могут реализовываться как, скажем, прикладная программа на языке Java, которая загружается и хранится в USIM для последующей работы в аппарате UE.

•  Персональные данные: это данные, хранимые в SIM-карте абонента, например сообщения SMS и сокращенный набор номера.

Первые три из приведенных пяти классов имеют фиксированные размеры и формат, так как они должны поступать совершенно одинаковым способом и вызывать одинаковые действия в любом ТЕ. Четвертый класс приложений не определен. Он может рассматриваться как память, но сейчас нет никаких соображений о том, каким должен быть размер памяти. Пятый класс в принципе имеет фиксированный формат, но его размер может изменяться оператором и абонентом: некоторые карточки USIM резервируют больше памяти для SMS и сокращенного набора номера.

Необязательное приложение ISIM при подписке на услуги IMS содержит ключ с секретом, личный идентификационный код пользователя мультимедийных услуг IP — IMPI (IP Multimedia Private user Identity), идентификатор имени домашней сети во входной точке сети, различные административные данные и основную информацию по правилам доступа для верификации. Содержащиеся в ISIM данные проще, чем в USIM, так как ISIM не содержит никакой специальной информации о радиодоступе или других технологиях. В основном ISIM нуждается в USIM для доступа в пакетный домен домашней сети. Однако при использовании некоторых сложных технологий доступа, например WLAN, ISIM может самостоятельно (без участия USIM) доводить свою роль до конца в вопросах аутентификации абонента и сети и процедуре согласования ключа.

7.5. Интерфейс пользователя

(человеко-машинный интерфейс)

Проект 3GPP развязывает руки в отношении интерфейса терминалов пользователя UMTS (см. рис. 7.5). Такой подход нацелен на использование творческих и экономичных решений.

В аппаратах UMTS интерфейсы пользователя могут следовать или не следовать «традиционным» решениям, использованным в аппаратах GSM. Реализация пользовательского интерфейса полностью зависит от производителя. Однако очень вероятно, что это будет нечто похожее на обычную числовую клавиатуру, представленное в той или иной форме.

Требования к физическим параметрам входных и выходных деталей сведены к минимуму, чтобы обеспечить присутствие различных типов аппаратов UE и упростить внедрение будущих разработок. Конечно, так как входные требования минимальны,

Рис. 7.5. Концептуальные модели аппаратов UMTS

то процессы управления в различных аппаратах могут различаться между собой в зависимости от решений производителя. Объединяет все эти требования то, что пользователи должен выполнять одни и те же логические действия.

Это значит, что пользователь должен дать информацию о наборе номера и сигнализации независимо от метода. Это остается верным, если эти действия устройство выполняет в автоматическом режиме.

Терминал должен выполнять некоторые прикладные и обязательные функции, например «Принять», «Выбрать», «Отправить», «Индикация» и «Конец». Эти функции важны для управления исходящими и входящими мобильными вызовами и дополнительными услугами. Эти услуги могут реа-лизовываться любым удобным способом, т. е. традиционной числовой клавиатурой, голосом и т. д. Решающий фактор заключается в том, что абонент должен получить доступ ко всем этим функциям.

Функция «Принять» используется для приема вызова к мобильному аппарату. Функция «Выбор» используется для отбора вызова к мобильному аппарату. Физический ввод знаков 0—9, +, * и # (т. е. выполнение функции «Выбор») может быть сделан с клавиатуры, устройством распознавания речи, оконечным устройством передачи данных или чем-то еще, но главное — должно быть средство ввода информации.

Функция «Отправить» используется для передачи введенной информации, например номера вызываемого абонента, в сеть. Функция «Индикация» используется для индикации прохождения всех видов вызовов. Функция «Конец» используется для окончания или прерывания вызова. Любой из абонентов может инициировать к выполнению функции «Конец». Кроме того, функция «Конец» может быть задействована из соображений системного уровня, как, например, потеря радиопокрытия или индикация счета на оплату.