Часть 2

 

Сети  подвижной  связи

 

Лекция 11

 

Эволюция систем радиосвязи

 

Пусть расцветают сто цветов и соперничают сто школ.

Конфуций

 

11.1. Конвергенция сетей подвижной и фиксированной связи

 

Именно по аналогии с указанным в эпиграфе тезисом развива­лись и соперничали разнообразные технологии подвижной радио­связи. Несмотря на их относительную молодость, сети подвижной связи (СПС) проникли сегодня во все сферы жизни - в быт, полити­ку, бизнес, развлечения, безопасность и так далее. Их влияние на современное постиндустриальное общество трудно переоценить, кое-кто может считать это влияние потенциально пагубным {напри­мер, меньше становится возможностей для частной жизни, то есть для того, что сейчас часто называют прайвеси), но все согласятся, что оно является революционным.

Наряду с этим революционным влиянием СПС имеет место еще одна тенденция, определяющая ближайшее будущее сегодняшних телекоммуникаций - конвергенция фиксированных и мобильных сетей (Fixed-Mobile Convergence, FMC), о которой говорилось во вводной лекции и которая представлена там на рис. 0.2.

Не так громко, но все же весьма активно обсуждается и другая аббревиатура - FMS (Fixed-Mobile Substitution) - замена фиксиро­ванных сетей сетями подвижной связи. Это отнюдь не означает, что предыдущие десять лекций части 1 можно сразу же забыть, а единственно важными являются как раз лекции части 2.

Отличительными характеристиками всего класса систем подвиж­ной радиосвязи является мобильность хотя бы одного из абонентов и отсутствие проводного соединения между абонентским термина­лом и коммутационным оборудованием сети связи. При некоторой ограниченности этого утверждения оно исчерпывающе описывает принципиальные отличия следующих десяти лекций от материала части 1. Сам класс систем современной радиосвязи весьма широк. Помимо вынесенных в общий заголовок сетей подвижной связи в этот класс входят системы, кратко рассматриваемые в следующем разделе этой лекции.

 

11.2. Системы радиосвязи

 

11.2.1. Бесшнуровые телефонные системы

 

Появившиеся в самом начале 80-х годов прошлого века бесшну­ровые телефонные системы вместо проводов между телефонным аппаратом и трубкой использовали радиоканал, сохраняя функцио­нальные возможности и качество связи обычного проводного теле­фона. Зона радиопокрытия базовой станции в силу малой мощнос­ти последней ограничивалась пространством офиса или квартиры.

Наиболее известным стандартом беспроводной телефонии явля­ется разработанная ETSI цифровая усовершенствованная беспро­водная связь DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), сменившая беспроводные телефоны второго поколения СТ-2 (Cordless Telephony-2).

Первые спецификации DECT были опубликованы ETSI в 1992 г., а в 1997 г. появился базовый профиль DECT, поддерживающий теле­фонную связь в диапазоне 1880-1900 МГц.

 

11.2.2. Пейджинговые системы

 

Пейджинговые (paging) системы, официально называемые сис­темами персонального радиовызова, обеспечивают односторон­нюю связь от центральной базовой станции к мобильному абонент­скому пейджеру, куда та пересылает адресованные владельцу этого пейджера сообщения. Сообщение имеет вид последовательности буквенно-цифровых символов.

 

11.2.3. Транкинговые системы

 

Основные области применения транкинговых систем подвижной связи - корпоративные и ведомственные сети, такси, милиция, ава­рийные службы, автомобильные компании и т.п. В такой системе предусматривается определенное количество радиоканалов для всех ее пользователей; из этого количества один радиоканал выде­ляется каждому абоненту на время соединения.

Первая советская транкинговая система радиотелефонной свя­зи «Алтай» начала эксплуатироваться в середине 60-х годов про­шлого века, набрав к концу 80-х годов более 20 тысяч абонентов. Наиболее распространенными аналоговыми профессиональными транкинговыми системами являлись системы стандарта МРТ 1327, поддерживающие метод доступа к системе, называемый синхрон­ная ALOHA с динамической длиной кадра (Dynamic Framelength Slotted ALOHA).

Цифровые транкинговые системы TETRA (Trans European Trunked Radio) стандартизованы ETSI в начале 90-х годов. Они пре­дусматривают передачу как речи, так и данных, обеспечивая более высокую спектральную эффективность по сравнению с аналоговыми транкинговыми системами, лучшее использование частот, более высокую скорость передачи данных, цифровое кодирование речи с возможностью шифрования. TETRA позволяет коммутировать ка­налы и пакеты, передавать короткие сообщения, получать доступ в Интернет, поддерживать услуги телеметрии, передачу данных и видеоинформации.

 

11.2.4. Беспроводные компьютерные сети

 

Как и в бесшнуровых телефонах, беспроводный доступ к локаль­ным компьютерным сетям WLAN (Wireless Local Area Networks) ха­рактеризуется ограниченной зоной покрытия и небольшой излучае­мой мощностью. Более широкое распространение, в том числе и в быту, приобрел стандарт Bluetooth, название которого проис­ходит от имени датского короля Синезуба, правившего в X веке. Устройства Bluetooth работают в диапазоне 2.45 ГГц при малом радиусе действия и встраиваются в персональные компьютеры, МР3-проигрыватели, фото- и видеокамеры, мобильные телефоны.

 

11.2.5. Спутниковая связь

 

В 1947 году известный писатель-фантаст Артур Кларк опублико­вал научный доклад, в котором высказал предположение, что среди возможных орбит спутников на разном удалении от поверхности Земли есть такие орбиты, на которых спутник сможет служить хоро­шим инструментом для радиокоммуникаций. Чуть позже были на­чаты первые эксперименты со спутниками на низких околоземных орбитах: то есть спутники находились на сравнительно малом уда­лении от земной поверхности и вращались вокруг Земли гораздо быстрее, чем Земля вращается вокруг своей оси. Кларк высказал идею послать спутник на более высокую, так называемую геостацио­нарную орбиту, где он будет вращаться вокруг Земли точно с такой же скоростью, с какой Земля вращается вокруг своей оси, то есть может являться коммуникационным узлом, фактически висящим неподвижно над заданной точкой Земли.

В соответствии с этой теорией в СССР, а затем и в США уже в конце 50-х годов были запущены первые экспериментальные спутники. С тех пор на орбиту было выведено большое количество коммерческих спутников для поддержки телефонии общего поль­зования, а также телевидения. И если первые спутники связи могли обслуживать лишь 240 телефонных каналов, то сегодня с помощью спутниковой связи обслуживается значительная часть междугород­ного телефонного трафика и практически все телепередачи.

 

11.2.6. Системы сотовой связи

 

Именно о сотовой связи, разработанной для поддержки мо­бильности абонентов и для увеличения пропускной способности радиотелефонии путем использования нескольких передатчиков и приемников ограниченной мощности и ограниченного радиуса действия, но с многократным использованием частот, будет рас­сказано в следующих девяти лекциях части 2.

 

11.3. Краткий исторический экскурс

 

Опыты с передачей радиосигналов на расстояние, которые на­чал в 1888 году Генрих Герц (и которые послужили основанием пе­реименования в его честь единицы частоты, ранее обозначавшейся как количество циклов в секунду), успешно продолжили Никола Тесла, Александр Попов, Гульельмо Маркони.

Благодаря их изобретениям к моменту возникновения мобиль­ной радиосвязи все технически важное для нее уже было известно. В 20-х годах прошлого века произошел новый прорыв в технологиях беспроводной связи - появились системы связи с амплитудной мо­дуляцией (AM), а затем - и с частотной модуляцией (FM).

Первые случаи применения мобильной радиосвязи с частотной модуляцией имели место уже в 1940-х годах и помогали обеспечи­вать связь во время Второй мировой войны. Эти разработки были продолжены в мирное время, и в 1950-х годах услуга мобильной телефонии в ограниченной степени стала доступной в некоторых больших городах.

Однако такие системы обладали небольшой емкостью, имели место существенные ограничения и в географии, и в применени­ях, связанных с мобильной радиосвязью. Эти ограничения были обусловлены проблемами обмена радиосигналами с единственной центральной станцией, обслуживавшей небольшое количество абонентов, антенны которых в нашей стране украшали в свое вре­мя крыши наиболее престижных в те годы автомобилей - черных «Волг». Обмен радиосигналами с одной и той же центральной ра­диостанцией существенным образом сдерживал развитие мобиль­ной радиосвязи.

Принципиальный прорыв в устранении этих ограничений стал возможен благодаря изобретению сотовой связи. Именно принципы сотовой связи позволили преодолеть ограничения, накладываемые мобильной радиосвязью, не внося никаких существенных измене­ний в радиодоступ. Изменилась «только лишь» сетевая архитектура (в книге уже не раз подчеркивалось и сейчас опять подчеркивается определяющее значение именно сетевого аспекта, изучаемого в нашем курсе «Сети связи»). Таким образом, сеть подвижной связи стала строиться на совершенно новых сетевых принципах:

•    разделение области охвата мобильной радиосвязью на отдель­ные зоны, называемые сотами;

•    наличие   значительного   количества   радиопередатчиков   (как минимум, по одному на соту) низкой мощности с небольшими зонами передачи сигналов;

•    повторное применение частот в несмежных сотах, позволяющее повысить эффективность использования выделенного частотно­го диапазона;

•    централизованное   управление   обслуживанием   вызовов   для обеспечения мобильной связи при перемещении подвижного абонента из соты в соту.

 

11.4. Основные понятия и термины

 

Рассматриваемые в части 2 сети связи в технической литературе называются сетями подвижной, мобильной или сотовой связи. Все три термина, как правило, используются как синонимы, хотя в са­мое последнее время намечаются некоторые расхождения.

Дело в том, что беспроводные технологии, наряду с сотовыми телефонами и смартфонами, активно осваивают огромный рынок ноутбуков и КПК, пользователям которых необходима высокая ско­рость передачи данных при ограниченной мобильности в отноше­нии как скорости передвижения, так и непрерывности связи.

Здесь возможности русского языка дают нам предложенную в [18] возможность называть мобильным все, что можно переносить и через что можно выходить в сеть связи в любом месте, а подвиж­ной - традиционную сотовую связь.

Термин сотовая (cellular) означает, что сеть разделена на ряд сот - ячеек, географических участков, как показано на рис. 11.1. Каждой соте назначается частотный диапазон, который можно пов­торно использовать в других сотах.

В каждой соте имеется своя базовая станция BS (Base Station), которая содержит радиопередающее и радиоприемное оборудова­ние и обеспечивает радиосвязь с теми мобильными телефонами, которые оказываются в данной соте.

Зона охвата соты зависит от ряда таких факторов, как мощность передатчика базовой станции, мощность передачи мобильного телефона, высота антенны базовой станции, топология местности. Кроме того, размеры сот варьируются и потому, что каждая сота может обслуживать только ограниченное количество сотовых теле­фонных аппаратов, которые носят название мобильных терминалов или мобильных станций MS (Mobile Station)2, обычно - от 600 до 800, то есть соты становятся меньше в зонах с более высокой плотнос­тью населения. Охват соты может лежать в пределах от всего лишь 100 метров до десятков километров. Поясним причину выбора шес­тиугольной формы сот, как это представлено на рис. 11.1.

С первого взгляда, более естественными могли бы показаться квадратные соты или, например, соты, соответствующие кварталам городской застройки. Однако каждая квадратная ячейка со сторо­ной а будет иметь четыре граничащие с ней стороны ячейки на рас­стоянии а от ее центра до центров этих четырех ячеек, а также еще четыре другие граничащие с ней ячейки, расстояние от ее центра до центров которых по теореме Пифагора равно а 72 .

Такая конфигурация создает очевидные проблемы для переклю­чения на новую антенну абонента при его движении от центра дан­ной ячейки. Очевидно, что для эффективного переключения весьма желательно, чтобы центры всех ячеек, граничащих с данной, были на одинаковом расстоянии от ее центра.

Из школьного курса геометрии известно, что равное расстояние между центрами смежных ячеек достигается при шестиугольной их конфигурации, когда радиус а окружности, описанной вокруг шестиугольника, равен длине стороны шестиугольника и расстоянию от центра шестиугольной ячейки до каждой из ее вершин. При такой сетевой конфигурации расстояние между центром ячейки и цент­ром любой смежной ячейки равняется ccv3 , а антенны граничащих с ней ячеек находятся на равных расстояниях друг от друга вне за­висимости от направления перемещения мобильного абонента.

Несколько базовых станций подсоединены к контроллеру базо­вых станций BSC(Base Station Controller), который содержит логику управления каждой из этих станций. Все BSC подсоединены к цент­ру коммутации подвижной связи MSC (Mobile Switching Center), который управляет установлением соединений к мобильным або­нентам и от них. MSC предоставляет те же функциональные воз­можности, что и рассмотренный в части 1 стандартный коммутатор ТфОП, но еще поддерживает и ряд специальных функций для мо­бильной связи. В частности, MSC должен содержать собственную логику, чтобы иметь дело с мобильными станциями и поддерживать функции хэндовера и роуминга.

Если во время соединения мобильный абонент перемещается из одной соты в другую, очевидно, что управление обслуживанием вы­зова должно перепоручаться новой соте (точнее, ее базовой стан­ции). Этот процесс и называют хэндовером (handover или handoff). Заметим, что термин handoff обычно используют применительно к стандартам AMPS и D-AMPS, речь о которых в лекции 12, а термин handover используется применительно к рассматриваемой в лек­ции 13 системе GSM, но оба эти термина являются синонимами.

Пример сценария хэндовера изображен на рис. 11.2. Этот рису­нок иллюстрирует революционное значение хэндовера, позволив­шее вместо часто обыгрываемой в старых детективных фильмах ситуации, когда герой по указанию злоумышленника перебегает от одного уличного телефона-автомата к другому, спокойно раз­говаривать этому герою по мобильному телефону в движущемся автомобиле.

Фактически, хэндовер означает переключение абонента с одно­го радиоканала и/или временного интервала на другой радиоканал или временной интервал, как правило, без уведомления абонента об этом изменении. Если интенсивность сигнала падает ниже за­данного уровня, то есть, по-видимому, пользователь перемещается в другую соту или приближается к границе текущей соты, то про­веряется, не принимает ли соседняя сота сигнал с более высоким уровнем, и если это так, обслуживание мобильного абонента пере­ключается на эту соту.

В современных технологиях для этого используется так называе­мый метод МAHO (Mobile Assisted Handover), в котором мобильный терминал сам периодически измеряет уровень сигнала и качество сигналов, принятых как от обслуживающей этого абонента базовой станции, так и от соседних базовых станций, и передает в сеть со­ответствующие сообщения об измерениях. Сеть анализирует эти сообщения и принимает решение о том, нужно ли производить хэндовер между сотами.

В зависимости от ситуации хэндовер может иметь место между двумя секторами одной и той же базовой станции, между двумя контроллерами BSC, между двумя центрами MSC, принадлежа­щими одному Оператору, или даже (при определенных условиях) между двумя сетями разных Операторов.

Технология подвижной связи, как уже отмечалось в этой лекции, предполагает, что абоненты могут свободно перемещаться из соты в соту в пределах сети, а также из одной сети в другую. Необходимо также, чтобы сеть отслеживала местонахождение абонента с неко­торой точностью, дабы адресованные абоненту вызовы можно было ему доставить. Общее решение этой задачи состоит в следующем.

Во-первых, когда абонент первоначально включает свой мобиль­ный терминал, это устройство самостоятельно посылает регистра­ционное сообщение к местному MSC.

В состав сообщения входит уникальный идентификатор або­нента. На основе этого идентификатора MSC может определить регистр HLR, которому принадлежит абонент, и передать регистрационное сообщение в HLR, чтобы информировать его о том, какой MSC в данное время обслуживает абонента. После этого HLR передает сообщение отмены регистрации в тот MSC, который до того обслуживал этого абонента (если таковой имеется), и посы­лает подтверждение в новый обслуживающий MSC. Большинство этих сообщений специфицировано в протоколе сигнализации MAP (Mobile Application Part), о чем мы поговорим в лекции 14.

 

11.5. Способы доступа к СПС

 

Как уже говорилось выше, связь подвижных абонентов со стацио­нарными базовыми станциями и MSC осуществляется по радиока­налу. Способом доступа к радиоканалу в первых СПС был множест­венный доступ с частотным разделением каналов FDMA (Frequency Division Multiple Access). При таком способе каждый канал занимает свою частотную полосу, например, 30 кГц. Некоторые из этих кана­лов выделены для сигнализации, а другие, называемые речевыми каналами, отведены для передачи речи.

Цифровизация мобильной связи повлекла за собой применение временного разделения каналов TDM, когда каждый такой канал разделен на временные интервалы, в каждом из которых осущест­вляется один сеанс связи. Для цифровых СПС характерны два мето­да доступа к радиоканалу.

Технология CDMA, при которой все абоненты одновременно ис­пользуют одну и ту же полосу частот, а чтобы выделить сигнал опре­деленного абонента из всех других сигналов, передаваемых в той же полосе, этот сигнал модулируется уникальной кодовой после­довательностью. Чтобы извлечь сигнал на приемном конце, нужно знать используемую для него кодовую последовательность.

Промышленную версию CDMA продемонстрировала компания Qualcomm из Сан-Диего, штат Калифорния, в 1989 году, а в книге она будет кратко рассмотрена в следующей лекции.

Технология множественного доступа с временным разделением каналов TDMA (Time Division Multiple Access) с выделением слота по требованию. Здесь требования посылаются в короткие интер­валы времени, называемые слотами запросов, а при коллизиях требования повторяются. Базовая станция выделяет свободные информационные слоты, сообщая их идентификаторы источнику и получателю. Имеется несколько основных стандартов современ­ных цифровых СПС, речь о которых - также в следующих лекциях.

 

 

11.6. Международные и национальные стандарты

 

11.6.1. Еще раз об ITU-T

 

В этом разделе мы продолжим начатое в лекции 1 рассмотрение телекоммуникационных стандартов, которые содержат соглаше­ния, достигнутые соответствующими комиссиями стандартизации в определенной области телекоммуникаций, здесь - в области мо­бильной связи. Точно так, как это обсуждалось в части 1 относитель­но стандартов ТфОП, стандарты мобильной связи тоже являются результатом совместных исследований, драматических дискуссий и глубокого анализа.

ITU-T, IETF, ETSI и другие упоминаемые в этой книге организации, разрабатывающие стандарты, создают рабочие группы, эксперты этих рабочих групп проводят обсуждения, согласуют точки зрения, достигают консенсуса по техническим вопросам, что почти всегда ведет к улучшению спецификации по сравнению со спецификаци­ей, разработанной каким-то одним производителем, Оператором или государственным институтом. Этот процесс характерен, пре­жде всего, для работ Исследовательских комиссий Международ­ного союза электросвязи - ITU, - с результатами деятельности которых читатель уже неоднократно встречался (и будет встре­чаться дальше) на страницах этой книги. Упоминался, в частности, разработанный ITU стек протоколов ОКС7, рассмотрение которого для ТфОП/ISDN было начато в лекции 4, а здесь будет продолжено протоколами MAP и САР в лекции 14.

Работа ITU в области мобильной телефонии велась в рамках про­граммы будущей системы наземной мобильной телефонной связи общего пользования FPLMTS, которая затем была переименована в международную систему подвижной связи IMT2000. В следую­щих лекциях прослеживается путь от стандартов мобильных сетей первого поколения через сети второго поколения к стандартам мо­бильных сетей третьего поколения 3G.

 

 

 

 

11.6.2. Роль ETSI в стандартизации мобильной связи

 

В сфере мобильной связи Комиссия Евросоюза в 1985 году организовала европейскую программу исследований в области новейших технологий связи - программу RACE, - в рамках которой родились идеи, а затем и концепции стандартов GSM и универсаль­ной системы мобильной связи UMTS, чему посвящена лекция 16.

 

11.6.3. Проект партнерства 3-го поколения

 

Для работ над спецификациями систем третьего поколения мобильной связи 3G было решено объединить усилия и ресурсы разных региональных организаций, занимающихся разработкой стандартов в области СПС. Для этого шестью организациями из пяти разных частей света был создан партнерский проект 3GPP (Third Generation Partnership Project).

Задачи и состав 3GPP постепенно расширялись, стала очевид­ной целесообразность организовать преемственность с системами GSM, GPRS (General Packet Radio Service) и EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution).

Работа над развитием стандарта GSM после многих лет успеш­ной разработки также была переведена из ETSI в 3GPP, равно как и работы над поколением 2.5G.

Процесс стандартизации в организации 3GPP строго регламен­тирован. Структура 3GPP состоит из групп координации проекта PCG (Project Coordination Group) и групп технических специфика­ций TSG (Technical Specifications Group), которые разрабатывают и поддерживают спецификации 3GPP.

Каждый технический документ 3GPP имеет уникальный иденти­фикатор, показанный на рис, 11.3. Его структура может оказаться полезной для тех пытливых читателей, которые пожелают обратить­ся к первоисточникам, чтобы проверить авторов, и, надеемся, не только для этого. Рис. 11.3 специально для них.

 

Идентификаторы документов 3GPP, ряд которых приведен в списке литературы, начинаются с префикса '3GPP', за кото­рым далее следуют две буквы, характеризующие тип документа, TS (Technical Specifications) для технических спецификаций или ТЙ (Technical Reports) для технических отчетов. После типа доку­мента следует номер спецификации, который может принимать одну из следующих форм: aa.bbb или aa.bb.

В номере спецификации аа указывает на предназначение до­кумента. В регистрационном номере за номером версии следует номер документа в формате Vx.y.z. В этом формате х представля­ет версию спецификации, у представляет техническую версию и z представляет версию редакции.

Согласно правилам 3GPP спецификация замораживается раз в год, при этом продолжается ее доработка, результаты которой включаются в следующую версию спецификации.

В 1999 году 3GPP приняло решение, что версии, выпущенные после 1999 года, больше не будут именоваться в соответствии с годом, а будут использовать в своем названии уникальный поряд­ковый номер, поэтому версия 5 следует за версией 4, которая идет за версией 99.

 

11.6.4. Проект 2 партнерства 3-го поколения

 

Организация 3GPP2 выполняет для семейства стандартов CDMA-2000 точно те же функции, что 3GPP выполняет для W-CDMA. Здесь ведется разработка стандартов поколения 3G для Операто­ров, которые в настоящее время работают в стандарте CDMA (1S-95 или TIA-EIA-95). Хотя 3GPP и 3GPP2 являются отдельными органи­зациями, они тесно сотрудничают в области спецификации услуг, которые в идеале должны быть одними и теми же (с точки зрения пользователя), независимо от инфраструктуры и технологии досту­па. Подробнее работа 3GPP2 в книге не рассматривается.

11.6.5. Национальные стандарты

 

Национальные стандарты базируются на рекомендациях ITU-T, европейских региональных стандартах ETS1, материалах 3GPP, GSM-форума и оформляются в виде ГОСТов и нормативно-правовых актов (НПА), на основании которых проводится сертификация теле­коммуникационного оборудования, а также на других регулирую­щих отрасль документах. О национальных спецификациях протоко­лов сигнализации в СПС мы поговорим в лекции 14.

 

Лекция 12

 

Поколения сетей сотовой связи

 

Не такли вот и мы, друг друга не таясь,

Нет-нет, да вступим в сотовую связь?!

Владимир Вишневский

 

12.1. Первое поколение 1G

 

В этой и следующих лекциях второй части книги из всей совокуп­ности систем радиосвязи рассматриваются только системы сото­вой связи. Более того, основное внимание уделяется технологиям сотовой связи поколений 2,5G и 3G, хотя знакомство с более ранни­ми системами 1G и 2G имеет большое значение и помогает нам по­нимать, как были разработаны решения для систем СПС следующих поколений. Иначе говоря, воспринять, как мы сюда пришли и куда мы идем дальше, гораздо легче, если знать, где мы были.

Сотовая связь, как мы понимаем ее сегодня, реально началась в самом конце 70-х годов прошлого века. Известны результаты опыт­ной эксплуатации в Чикаго в 1978 году системы AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в диапазоне 800 МГц. Однако потребовалось несколько лет, прежде чем в Соединенных Штатах была запущена первая коммерческая система AMPS, в том же Чикаго, но уже в 1983 году. Вскоре за ним последовали другие крупные города США, также использовавшие на том этапе аналоговые системы стандарта AMPS.

Между этими двумя событиями коммерческая система сотовой связи была запущена в 1979 году в Токио. Европейцы пошли своим путем, и в Швеции, Норвегии, Дании и Финляндии была создана в 1981 году первая европейская система NMT-450 (Nordic Mobile Telephone System), работавшая в диапазоне 450 МГц. Великобрита­ния внедрила в 1985 году другую технологию, которая называлась TACS (Total Access Communications System), работала в диапазо­не 900 МГц и, в сущности, являлась модифицированной версией AMPS.

Мобильную связь в стандарте TACS первоначально предлагали операторы мобильной связи ВТ, Ceilnet и Vodafone.

Названным примерам последовали многие другие страны, и скоро услуги мобильной связи распространились по всему земному шару. Это открытое для эксплуатации в самом начале 1980-х годов первое поколение сотовой связи 1G уже позволяло реализовать упоминавшиеся в предыдущей лекции ключевые концепции: пов­торное использование частот в сотах, мобильность терминалов с определением их местонахождения в той или иной соте, непре­рывность связи при перемещении из соты в соту - хэндовер. То есть уже системы 1G смогли решить одну из основных проблем бес­проводной связи - передачу установленного соединения от одной радиостанции к другой без потери связи.

Еще одна проблема была решена благодаря повторному исполь­зованию частот, позволившему обслуживать значительно более вы­сокий объем трафика в одной географической зоне обслуживания. Не вдаваясь в детали, отметим, что системы 1G относятся к одному из двух ключевых стандартов - скандинавскому NMT и американс­кому AMPS. Оба эти стандарта кратко рассматриваются ниже.

Но прежде было бы справедливо отметить присущие обеим этим системам недостатки. Речь идет о возможности прослушивания переговоров, возможности изготовления клонов мобильных тер­миналов, перегруженности частотного диапазона вследствие его неэффективного использования. К тому же, свойственное аналого­вым системам распространение радиоволн в условиях интенсивных городских застроек приводит к возможным замираниям, вызван­ным многолучевым распространением радиоволн и приводящим к ухудшению качества передачи речи.

И все же нельзя сказать, что системы 1G не оправдали возла­гавшихся на них ожиданий, их роль в развитии сегодняшних СПС трудно переоценить.

 

12.2.    NMT-450

 

Как следует из названия, этот стандарт технологии FDMA был совместно разработан скандинавскими странами (Данией, Нор­вегией, Швецией и Финляндией) для диапазона 450 МГц, а после насыщения этого диапазона - и для 900 МГц, получив обозначе­ние NMT-900. В состав сетевой архитектуры NMT входят центры коммутации подвижной связи МТХ (Mobile Telephone Exchange), базовые станции BS и абонентские терминалы. Центры коммутации МТХ обеспечивают стык с телефонной сетью общего пользования на местном, зоновом и междугородном уровнях. Базовые станции реализуют интерфейс между фиксированной частью системы и мо­бильными терминалами и связаны со станциями МТХ по проводным или радиорелейным соединительным линиям.

В России NMT-450 был признан первым федеральным стандар­том. В 1991 году Оператор «Дельта Телеком» ввел в эксплуатацию первую отечественную СПС в Санкт-Петербурге. Первые мобиль­ные телефоны сети «Дельта» стоили порядка $2000 и весили 5 кг. В 1995 году было подписано соглашение о взаимном автоматичес­ком роуминге региональных Операторов NMT-450 в рамках наци­ональной сети. Сегодня систему NMT почти полностью вытеснили стандарты GSM и CDMA, включая и CDMA-450.

 

12.3.    Система AMPS

 

Система усовершенствованной мобильной телефонной связи, AMPS (Advanced Mobile Phone System) технологии FDMA, изоб­ретенная в знаменитой Лаборатории Белла в 70-х годах XX века, впервые была развернута в Чикаго, США в 1982-1983 годах, а затем распространилась по всей Северной и Южной Америке и Австра­лии. С этой же системы началась история отечественной оператор­ской компании «Вымпелком» (торговая марка БиЛайн), входящей в так называемую «Большую тройку» Операторов сотовой связи Рос­сии. В 1992 году в Москве была запущена пилотная сеть БиЛайн на 200 абонентов, а с 1994 началась коммерческая эксплуатация. Сис­тема AMPS использовалась также в Англии, Испании, Китае, Новой Зеландии, Гонконге и некоторых других странах, где она называлась TACS.

Существовала также система C-Netz, которая использовалась в Германии, Австрии, Южной Африке и Португалии. Некоторые фун­даментальные характеристики этой системы были унаследованы ее цифровым последователем D-AMPS, относящимся уже к поко­лению 2G.

Системы 1G созданы примерно на одном технологическом уровне; характерный для систем 1G размер соты в AMPS составляет обычно от 10 до 20 км, что значительно больше размера сот в цифровых системах 2G. Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними, а использование одних и тех же частот в разных (но не соседних) ячейках дает значительно лучшее использование частотного ресурса. В каждой соте располагается своя базовая станция BS, которая обслуживает все мобильные те­лефоны, находящиеся в зоне ее действия.

Базовая станция состоит из управляющего устройства и приемника/передатчика, соединенного с антенной. Относительно небольшие размеры сот означают меньшую мощность, требуе­мую для передатчиков. Базовые станции соединены с одним или несколькими центрами коммутации MSC (Mobile Switching Center), иногда называемыми также MTSO [Mobile Telephone Switching Office). Эти центры коммутации соединяются с базовыми станция­ми, друг с другом и хотя бы с одним коммутационным узлом теле­фонной сети общего пользования ТфОП, рассмотренной в части 1.

 

12.4. Система второго поколения D-AMPS

 

В отличие от аналоговых систем первого поколения системы второго поколения являются цифровыми. Использование циф­ровой технологии имеет ряд преимуществ, включая увеличенную емкость сети, лучшую защищенность и новые услуги. Подобно сис­темам первого поколения были разработаны разные типы техноло­гии второго поколения. В число трех наиболее успешных вариантов технологии второго поколения входят GSM, D-AMPS, CDMA.

Первой из перечисленных технологий - GSM целиком посвяще­на следующая лекция и потому в этой лекции она упоминается лишь вскользь, а несколько подробнее рассматриваются остальные сис­темы.

Полностью цифровая система D-AMPS технологии FDMA опи­сывается международным стандартом IS-136 и предшествующим ему IS-54. Она разработана таким образом, чтобы успешно сосу­ществовать с AMPS. Так, D-AMPS использует те же каналы ЗОкГц, что и AMPS, которые располагаются в том же диапазоне. В России с 1995 года московская сеть БиЛайн начала переход на DAMPS. Сто­имость подключения составляла рекордную сумму около $6000. Система D-AMPS была широко распространена в США и, в несколь­ко измененной форме, в Японии. Практически весь остальной мир использует системы GSM и CDMA. В России в 2000 году решением ГКРЧ было предписано к 2010 году прекратить эксплуатацию сото­вых СПС стандартов AMPS/D-AMPS и передать частоты для развер­тывания сетей цифрового телевидения. В качестве компенсации потери частот 800 МГц Операторам были предоставлены частоты для GSМ 1800.

 

12.5.Стандарт CDMA

 

Два вида стандартов - D-AMPS и GSM - традиционные системы, использующие частотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на интервалы, о чем го­ворилось еще в предыдущей лекции. Совершенно иначе устроена система CDMA (Code Division Multiple Access), принципы которой перевернули привычные каноны беспроводной связи.

Эти принципы, благодаря активности придумавшей их компании Qualcomm, сделали CDMA распространенной системой мобильной связи 2G; в США ее поддерживает крупнейшая операторская ком­пания Sprint (конкурирующая с работающей на D-AMPS компанией AT&T Wireless), а в России -операторская компания СкайЛинк.

Эта система известна сегодня как IS-95 по имени описывающего ее стандарта, а также под именем cdmaOne. Кроме того, технология CDMA является и базой для систем третьего поколения 3G, о чем ниже. В отличие от NMT, AMPS, D-AMPS и GSM, вместо разделения доступного частотного диапазона на сотни узких каналов в CDMA каждый терминал может при передаче все время пользоваться всем выделенным спектром частот.

Одновременный множественный доступ обеспечивается за счет применения теории кодирования. В [44] предлагается рассмотреть в качестве аналогии CDMA зал ожидания в аэропорту. Множество пар оживленно беседуют. Временное уплотнение можно сравнить с ситуацией, когда все люди находятся в центре зала и говорят по очереди. Частотное уплотнение мы сравним с ситуацией, при кото­рой люди находятся в разных углах и одновременно, но независимо ведут свои разговоры, которые не слышны остальным.

Для CDMA лучше всего подходит сравнение с ситуацией, когда все - в центре зала, однако каждая пара говорящих использует свой язык общения. Русскоговорящие обсуждают свои вопросы, воспринимая чужие разговоры на других языках как шум. Именно такой подход к выделению полезного сигнала при игнорировании всех остальных и является ключевой идеей CDMA.

Рассмотрим эти идеи несколько подробнее. Каждый интервал в CDMA разбивается на т коротких периодов, называемых элемен­тарными сигналами или чипами (chips). Как правило, в интервале помещаются 64 или 128 чипов. Каждому мобильному терминалу соответствует уникальный m-битовый код, называющийся эле­ментарной последовательностью. Чтобы передать 1 бит, терминал посылает свою элементарную последовательность. Чтобы пере­дать бит со значением 0, нужно отправить вместо элементарной последовательности ее дополнение (все единицы последователь­ности заменяются нулями, а все нули — единицами). Никакие другие комбинации передавать не разрешается. Таким образом, если т=8 и мобильному терминалу присвоена 8-битовая элементарная последовательность 00011011, то бит со значением «1» передается кодом 00011011 (что соответствует элементарной последователь­ности), а бит со значением «0» передается кодом 11100100 (допол­нение элементарной последовательности). В этой ситуации, чтобы скорость передачи информации составила v бит/с, нужно отправ­лять mv чипов или элементарных сигналов в секунду.

 

12.6.Системы 2,5G

 

При всем разнообразии систем второго поколения техническое развитие на них не остановилось. Практически немедленно начали появляться системы, называемые 2,5G, хотя некоторые из них ана­литики считают более точным называть 2,1G, а другие-2.75G.

Подробнее же эти системы 2,5G будут обсуждаться в лекции 17, посвященной услугам СПС. Там будут рассмотрены система EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), фактически сохраняющая традиционную технологию GSM с увеличением скорости передачи данных за счет большего количества битов на 1 Гц, а также другая система 2,5G, достигшая большего распространения. Она назы­вается общей услугой пакетной радиосвязи GPRS (General Packet Radio Service), строится на базе как GSM, так и D-AMPS, и позволяет обмениваться IP-пакетами по речевым каналам сотовой связи, для чего определенные временные интервалы на определенных часто­тах резервируются под пакетный трафик.

В лекции 17 будет показано, что система GPRS работает как над­стройка над существующей системой сотовой связи 2G, и ее можно рассматривать как временное решение, которое перестанет быть полезным, когда будет введена в строй 3G.

 

12.7.Мобильная связь третьего поколения 3G

 

Работы над 3G начались относительно давно: в 1992 году Меж­дународный союз электросвязи предпринял первую попытку спе­цифицировать систему третьего поколения 3G и выпустил проект под названием IMT-2000 (International Mobile Telecommunications). В нем число 2000 отражало сразу три аспекта: во-первых, оно ука­зывало на год, в котором планировалось ввести в эксплуатацию этот проект; во-вторых, именно в таком диапазоне частот в мегагерцах должна была работать система; в-третьих, в радиоинтерфейсе предполагалось поддерживать как раз такую скорость передачи в кбит/с. Но ни один из этих трех аспектов осуществить не удалось.

В 2000 году система реализована не была. Хотя ITU и рекомен­довал национальным администрациям связи всех стран резервиро­вать частоту 2000 МГц (2 ГГц) для международного роуминга, никто кроме Китая этого не сделал.

Кроме того, было осознано, что практически невозможно выде­лить каждому мобильному абоненту постоянную пропускную спо­собность в 2 Мбит/с, что гораздо разумнее дифференцированный подход: выделить 2 Мбит/с абоненту, который находится дома или в офисе, 384 Кбит/с - абоненту, прогуливающемуся с ограни­ченной скоростью, и 144 Кбит/с- абоненту, едущему в автомобиле. Предусматривались следующие основные услуги, для которых и задумывалась сеть IMT-2000: высококачественная передача речи, доступ в Интернет, обмен сообщениями {e-mail, факс, SMS, чат), видеоконференции, электронные игры, мобильная коммерция (использование мобильного телефона для оплаты покупок), муль­тимедиа (музыка, видео, фильмы, телевидение). К услугам 3G мы вернемся в лекции 17.

Проект IMT-2000 задумывался как единая технология; именно в таком ключе ITU запросил технические предложения от заинтере­сованных организаций и затем выбирал лучшее из многочисленных представленных технических предложений радиоинтерфейса.

В 1ЭЭЭ году ITU-T выбрал пять технологий для наземной сото­вой связи (не на спутниковой базе): Wideband CDMA (W-CDMA), CDMA2000 (развитие IS-95 CDMA), TD-SCDMA (time division-synchronous CDMA), UWC-136 (развитие IS-136) и DECT. Сегодня на роль единой претендуют первые две технологии.

На рис. 12.1 показаны связи между различными платформами, которые содержат группу спецификации IMT-2000.

Из рисунка видны трудности однозначного определения 3G при наличии нескольких конкурирующих платформ радиодосту­па, которые, будем надеяться, достигнут полной унификации к поколению 4G или позже (если вообще достигнут}. Одна из них, называемая W-CDMA (Wideband CDMA), была предложена фирмой Ericsson, использует расширение спектра с примене­нием кода прямой последовательности и полосу пропускания 5 МГц. Она совместима по межсетевому обмену с сетями стан­дарта GSM, то есть позволяет мобильному абоненту не преры­вать связь при выходе из соты W-CDMA и входе в ячейку GSM. Эта система продвигается Европейским Союзом под названием универсальная система мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) и подробно рассматривается в лекции 16.

Другая система CDMA2000 предложена Qualcomm и тоже ис­пользует принцип расширения спектра с применением кода прямой последовательности и полосу пропускания 5 МГц, однако не под­держивает межсетевое взаимодействие с GSM, то есть передача соединения при переходе в соту GSM, равно как и в соту D-AMPS, не обеспечивается. Среди технических отличий CDMA2000 от W-CDMA стоит отметить иную скорость следования элементарных посылок, иные кадровый интервал, используемый спектр и способ синхронизации. И все же эти различия не являются принципиальными. Если бы можно было организовать совместную работу инженеров из Ericsson и Qualcomm, поставив им задачу выработать единую систему, они, без сомнения, справились бы с этим. В конце кон­цов, базовый принцип обеих систем - это CDMA в канале с полосой 5 МГц. Как читатель не раз уже видел и еще увидит на других стра­ницах этой книги, настоящей проблемой является отнюдь не инже­нерное решение, а политика.

В данном случае Европе требовалась система, умеющая рабо­тать с GSM; Соединенным Штатам нужна была система, совмес­тимая с одной из наиболее распространенных там систем - IS-95. Каждая сторона поддерживала свою компанию, Ericsson находится в Швеции, Qualcomm - в США. В результате Ericsson согласилась приобрести разработку Qualcomm, обе компании согласились на единый стандарт 3G, однако с множеством несовместимых функ­ций, которые, впрочем, в большой степени связаны с документа­цией, а не с техническими различиями. К обсуждению европейской версии 3G мы еще вернемся в лекции 16.

 

12.8.Мобильная связь четвертого поколения 4G

 

Несмотря на то, что сеть 3G до сих пор не реализована в полном объеме, многие исследователи рассматривают ее появление как свершившийся факт и уже работают над созданием систем четвер­того поколения, которые будут характеризоваться более высокой пропускной способностью, полной конвергенцией с проводными IP-сетями, адаптивным управлением частотным спектром и высоким качеством обслуживания мультимедийного трафика. Эти исследова­ния стимулируются тем, что сегодня повсеместно устанавливается большое количество точек доступа к беспроводным ЛВС стандарта 802.11, строятся хот-споты Wi-Fi и зоны WiMAX и т.п.

В связи с этим некоторые аналитики рассматривают 3G как мертворожденное поколение систем, что, тем не менее, не лишает читателя необходимости изучить посвященную UMTS лекцию 16. А к вопросу перспективных сетей 4G мы еще вернемся в лекции 20 книги.

 

Лекция 13

 

Сетевая технология GSM

 

При изучении наук примеры полезнее правил.

Исаак Ньютон

 

13.1. Введение в GSM

 

Выбранный в качестве эпиграфа тезис здесь проявляется в пол­ной мере: изучение одного из упомянутых на предыдущей лекции примеров технологии подвижной связи 2G - технологии Global System for Mobile Communications (GSM) - полезнее других, приве­денных там. Дело в том, что хотя GSM является европейским стан­дартом, он получил всемирное признание, обладает привлекатель­ными преимуществами и наиболее широко распространен в СПС.

Когда в 1982 году впервые был использован акроним GSM, он означал Groupe Speciale Mobile - французское название рабо­чей группы европейских администраций почты и электросвязи СЕРТ (Conference des administrations Europennes des Postes et Telecommunications). Перед этой группой стояла задача разработ­ки спецификаций нового цифрового стандарта мобильной связи в диапазоне 900 МГц. Со временем (в 1989 году) эти работы из СЕРТ перешли в новую организацию - ETSI, - где работы над GSM про­должались, и в 1991 году первые системы GSM были готовы к вводу в эксплуатацию.

Значение акронима GSM к этому времени изменилось, он стал обозначать глобальную систему мобильной связи Global System for Mobile Communications. Уже под этим названием работа над GSM перешла в 2000 году от ETSI к партнерству 3GPP.

Днем рождения GSM считается 1 июля 1991 года, когда в город­ском парке г. Хельсинки, Финляндия, был сделан первый телефон­ный вызов в этой системе.

К 1992 году многие европейские страны уже имели в эксплуата­ции сети GSM, эта технология начала распространяться по всему миру и стала фантастическим коммерческим успехом ее разработ­чиков. В этот успех GSM значительный вклад внесли либерализация монополии на телекоммуникации в Европе в 1990-х годах и после­довавшие за ней конкуренция, снижение цен и расширение рынка, а также высокий научный и профессиональный уровень специалистов Groupe Speciale Mobile. В России первые СПС стандарта GSM900 заработали в 1994 году Москве (МТС) и в Санкт-Петербурге (Севе­ро-Западный GSM, нынешний Мегафон). К началу 2002 года в мире насчитывалось уже около 500 Операторов GSM, работающих в 172 странах мира.

Сеть GSM состоит из следующих основных конструктивных блоков (рис. 13.1): базовая приемопередающая станция (BTS), контроллер базовой станции (BSC), блок перекодировки и адапта­ции (TRAU), центр коммутации подвижной связи (MSC), домашний регистр (HLR), гостевой регистр местонахождения (VLR) и регистр идентификации оборудования (EIR), центр аутентификации (АиС). В обычной конфигурации несколько BTS подсоединены к BSC, а не­сколько контроллеров BSC, в свою очередь, подсоединены к центру коммутации MSC.

В этой лекции мы уделим основное время описанию архитекту­ры и функциональных возможностей GSM, имея в виду, что именно GSM является фундаментом ряда более совершенных технологий, таких как относящаяся к поколению 2,5G и рассматриваемая в лекции 17 технология GPRS, а также рассматриваемая в лекции 16 технология UMTS. Чтобы изучить эти технологии, целесообразно подробнее познакомиться с GSM.

Как отмечалось в предыдущей лекции, технология GSM пре­дусматривает множественный доступ с временным разделением каналов и дуплексную связь с частотным их разделением. Ширина полосы радиоканала составляет 200 кГц, а применение алгоритма цифрового кодирования речи со скоростью 13 кбит/с позволяет создать в каждом канале связи или кадре 8 временных интервалов, доступных для распределения.

Алгоритмы кодирования с вдвое меньшей скоростью создают 16 временных интервалов в каждом кадре. Стандарт GSM допускает так называемое перескакивание частот (frequency hopping), то есть мобильный терминал может перемещаться между временными ин­тервалами, предназначенными для приема сигнала, его передачи или для служебных сообщений в одном TDMA-интервале, как пра­вило, переходя при этом с одной частоты на другую.

 

Рассматривать здесь мы будем GSM-900, но сама технология GSM оказалась настолько удачной, что после незначительной мо­дификации она успешно используется в диапазоне 1800 МГц под именем GSM-1800 и в диапазоне 1900 МГц под именем PSC-1900 (Personal Communication Services), преимущественно, для работы в США. По очевидным причинам GSM-1800 отличается от системы GSM-900 меньшей мощностью базовых станций BS и мобильных терминалов MS и меньшим размером сот. По мере освобождения сотовыми системами первого поколения частотного диапазона 450 МГц в ETSI рассматривалась стандартизация системы GSM для работы в диапазонах 450 и 480 МГц под названием GSM-400, равно как и работа в диапазоне 850 МГц (GSM-850), что, тем не менее, не получило распространения. Сетевая архитектура во всех этих ва­риантах остается практически неизменной, поэтому займемся ее рассмотрением, не вдаваясь более в детали частотного плана.

 

13.2. Структура сети GSM

 

На рис. 13.1 показана базовая архитектура сети GSM, в которой мобильный терминал MS связывается через радиоинтерфейс с ба­зовой приемопередающей станцией BTS. Этот мобильный терми­нал MS состоит из двух частей - самой трубки, называемой мобиль­ным оборудованием ME (Mobile Equipment), и SIM-карты абонента (Subscriber Identity Module) - небольшой карты с интегральной схемой, содержащей специальную информацию о пользователе, включая идентификатор абонента, информацию для аутентифика­ции абонента и некоторую информацию об обслуживании абонента. Телефонный аппарат становится мобильным терминалом и обеспе­чивает обслуживание абонента только тогда, когда в него вставлена SIM-карта этого абонента.

Одна или несколько BTS соединены с контроллером базовой станции BSC, который обеспечивает ряд функций, связанных с управлением радиоресурсом RR [radio resource), с поддержкой мобильности MM (mobility management) абонентов в зоне охвата станций BTS, и ряд функций эксплуатационного управления всей радиосетью. Вместе станции BTS и контроллеры BSC называют подсистемой базовой станции BSS (Base Station Subsystem). В то время как подсистема BSS обеспечивает радиодоступ для мобиль­ного терминала, остальные сетевые элементы отвечают за функ­ции управления и за базы данных, необходимые для установления соединения в сети GSM, включая шифрование, аутентификацию и роуминг.

 

13.3.SIM-карта

 

Как уже упоминалось выше, в GSM мобильный терминал состоит из самого мобильного телефонного аппарата ME и специальной смарт-карты, известной под именем модуля идентификации або­нента SIM. Система GSM была одной из первых систем, где нашла применение SIM-карта для отделения идентификатора абонента от идентификатора оборудования.

Представленный на рис. 13.2 микрочип SIM-карты, имеющий в соответствии со стандартом ISO 7816 размеры 85,5x54x0,76 мм, полностью универсален для разных мобильных устройств GSM, что обеспечивает множество удобных функциональных возможностей, таких как возможность создавать новый мобильный терминал або­нента простой заменой SIM-карты.

Таким образом, вставив свою SIM-карту в любое другое мо­бильное устройство стандарта GSM, абонент может пользоваться услугами мобильной связи с помощью любого GSM-терминала. Применение SIM-карт существенно осложняет похищение иденти­фикационных номеров или мошеннические вызовы за чужой счет. SIM-карта защищена специальным паролем или персональным идентификационным номером и содержит так называемый уникаль­ный международный идентификатор абонента IMSI (International Mobile Subscriber Identity), который используется для идентифика­ции абонента внутри сети, а обсуждается подробнее в лекции 15, посвященной нумерации.

 

13.4.Подсистема базовой станции

 

Подсистема базовой станции BSS включает в себя две части: базовую приемопередающую станцию BTS и контроллер базовой станции BSC. Функция BTS, зона действия которой определяет границы соты, состоит в том, чтобы поддерживать радиосвязь с мобильными терминалами с помощью специальных протоколов. Контроллер базовой станции отвечает за создание канала пере­дачи данных, переключение частот, а также обслуживание вызова в пределах управляемых им станций BTS.

На рис. 13.1 присутствует также блок TRAU(Transcoding and Rate Adaptation Unit), задача которого преобразовать скорость передачи кодированной речи в скорость 64 кбит/с, принятую ТфОП. Дело в том, что в GSM речь абонента обычно кодируется на скорости либо 13 кбит/с (полная скорость, FR, Full Rate), либо 12,2 кбит/с (улуч­шенная полная скорость, EFR, Enhanced FR).

В некоторых случаях используется также кодирование на поло­винной скорости, равной 5,6 кбит/с, но в коммерческих сетях это бывает редко. Так или иначе, скорость кодированной речи при пе­редаче ее к мобильному терминалу и от него отличается от скорости 64 кбит/с, являющейся основой рассмотренной в предыдущих 10 лекциях фиксированной сети. Строго говоря, TRAU можно отнес­ти к подсистеме базовой станции, т.к. речь к сети и из нее проходит на скорости 64 кбит/ст а перекодирование берет на себя эта под­система. Однако на практике TRAU обычно физически отделен от BSC и расположен вблизи MSC, благодаря чему снижается требу­емая полоса пропускания между MSC и BSC и экономятся расходы на транспортную сеть, когда BSC и MSC находятся на значительном расстоянии друг от друга.

 

13.5.Регистр HLR и центр аутентификации АиС

 

На рис. 13.1 показан также уже упоминавшийся выше регистр HLR, содержащий основные данные об абоненте. Каждая сеть под­вижной связи требует наличия доступа, по крайней мере, к одному регистру HLR как к постоянной памяти для хранения данных. Эта концепция предполагает, что HLR является большой базой. Чем быстрее приходит ответ из базы данных, тем быстрее можно уста­новить соединение, что особенно актуально для HLR, обрабатываю­щих данные для сотен тысяч абонентов. Каждый абонент закреплен за определенным HLR, который действует как фиксированный справочный пункт и хранит информацию о текущем местонахож­дении абонента, включая идентификатор регистра VLR, а также информацию о доступных этому абоненту услугах.

Вызовы из других сетей, в частности из ТфОП, сначала поступают на Gateway MSC (GMSC). Основное назначение GMSC - запросить в HLR данные о местонахождении абонента. Затем вызов переадре­суется из GMSC в MSC, обслуживающий абонента. В HLR хранятся такие специфические данные об абонентах, как секретный ключ ау­тентификации Kj, который является составной частью управления защитой. Он никогда не передается ни в какой интерфейс и записан только в HLR и в SIM.

Ассоциированный с HLR центр аутентификации АuС (Authen­tication Center) всегда реализуют как составную часть HLR, содер­жащую специальные данные аутентификации абонентов, включая вышеупомянутый Kj. Хотя в GSM предусмотрен интерфейс между АuС и HLR, и у него даже есть свое наименование (интерфейс Н), но этот интерфейс никогда не был достаточно подробно специ­фицирован для того, чтобы АиС работал автономно. Используя случайное число, назначенное центром АиС для определенного абонента и переданное в его SIM-карту через HLR и MSC, SIM-карта выполняет расчет параметра аутентификации с применением Kj и алгоритма аутентификации. Если результат расчета на SIM-карте соответствует результату в АuС, то это значит, что абонент прошел аутентификацию.

 

13.6.Гостевой регистр VLR

 

Регистр VLR, подобно регистру HLR, тоже является базой дан­ных, но его назначение иное. В то время как на HLR возлагаются, по большей части, статические функции, VLR обеспечивает управ­ление динамическими данными об абоненте. В лекции 11 мы рас­смотрели хэндовер и только упомянули про роуминг. Сейчас пора восполнить этот пробел.

Дать краткое определение роуминга не совсем просто. Наиболее распространенным является определение роуминга как процедуры предоставления услуг связи мобильному абоненту, находящемуся вне зоны действия домашней сети, путем использования ресурсов другой сети. Однако фактически это определение описывает толь­ко один из трех вариантов роуминга. Поэтому авторам представля­ется более удачным с технической точки зрения такое определение: роуминг - это процедура, которая сохраняет предоставление услуг связи мобильному абоненту при изменении зоны обслуживания MSC. Тогда описание разных видов роуминга будет выглядеть так:

•    внутрисетевой роуминг обеспечивается при передвижении або­нента между зонами обслуживания MSC сети домашнего Опера­тора;

•    национальный роуминг обеспечивается при передвижении або­нента между зонами обслуживания MSC, находящимися в тех регионах страны, где нет сети домашнего Оператора, но дейс­твуют партнерские соглашения с другими Операторами СПС;

•    международный роуминг обеспечивается  при  передвижении абонента в тех странах, с операторами СПС которых заключил партнерские соглашения домашний Оператор.

Поясним процесс поддержки роуминга. Когда абонент переме­щается из одной географической зоны обслуживания MSC/VLR в другую, из VLR места убытия абонента (старого VLR) в VLR места его прибытия {новый VLR) передаются данные об абоненте. Быва­ют ситуации, когда новый VLR должен запрашивать в HLR абонента дополнительные данные. Дело в том, что HLR в GSM не несет от­ветственность за управление теми абонентами, которые в данное время находятся в непосредственной близости от него. Даже если абонент находится в своей собственной зоне, его динамические данные обрабатывает не HLR, a VLR этой зоны, что иллюстрирует существенное отличие HLR от VLR: регистру VLR строго соответст­вует ограниченная географическая зона обслуживания, в то время как HLR имеет дело с задачами, которые не зависят от местона­хождения абонента. Термин «географическая зона HLR» не имеет смысла в GSM.

Совокупность географических зон обслуживания MSC и опреде­ляет область действия Оператора СПС, то есть каждую СПС мож­но рассматривать как общую область охвата подсистемами BSS, подсоединенными к центрам MSC. Поскольку каждый MSC имеет собственный регистр VLR, всю сеть СПС можно описать как сово­купность всех географических зон VLR. Заметим, что VLR может обслуживать несколько центров MSC, но один MSC всегда исполь­зует только один VLR. Такая географическая взаимозависимость и позволяет интегрировать VLR в MSC.

 

13.7. Центр коммутации MSC

 

С технической точки зрения MSC представляет собой всего лишь обычную коммутационную станцию с некоторыми изменениями, ориентированными на мобильную связь. Это наглядно иллюстри­руют практически все поставщики систем GSM, коммутаторы кото­рых одинаково успешно работают как в ТфОП/ISDN, так и в СПС как центры MSC. Компания Нокиа с системой DX-200, Siemens с EWSD, Alcatel с S12, Эрикссон с АХЕ являются хорошо известными приме­рами такой конвергенции.

Отличия же центра MSC от узлов коммутации ТфОП обусловлены спецификой подвижной связи, в частности, назначением пользо­вателям каналов к BSS, за что отвечает MSC, управлением хэндо-вером и др. К этому можно добавить функцию взаимодействия IWF разговорных и не разговорных соединений с внешними сетями, а также адаптации скорости для услуг передачи данных, рассматри­ваемую ниже.

В самом общем виде процесс соединения в MSC выглядит сле­дующим образом. Когда пользователь инициирует вызов, его мо­бильный терминал обращается к ближайшей базовой станции BTS. Контроллер этой базовой станции BSC управляет радиоресурсами во вверенной ему области и определяет путь прохождения сигнала к центру коммутации MSC мобильной связи. Этот MSC проводит аутентификацию IMSI-номера абонента, проверяя его регистрационную запись, которая содержится в домашнем регистре HLR сети этого абонента. При каждом включении мобильного терминала про­исходит обновление информации о местонахождении абонента, со­держащейся в его HLR и в соответствующем VLR. Коммутационный центр MSC направляет запрос, содержащий IMSI-номер абонента, в регистр HLR, затем информация об этом абоненте передается в указанный в ответе гостевой регистр VLR. Из данных, содержа­щихся в HLR, узел коммутации MSC формирует также содержимое регистра идентификации оборудования EIR в целях отслеживания украденных, несанкционированно используемых или неисправных мобильных телефонов, что рассмотрено в разделе 13.9.

 

13.8.Функция взаимодействия IWF

 

Interworking Function (IWF) используется для услуг передачи дан­ных и факсимильных сообщений с коммутацией каналов и, в общих чертах, представляет собой модемный пул. Напомним, что модемы и факсимильные аппараты преобразуют цифровые данные в анало­говый формат в разговорной полосе частот 0,3 - 3,4 кГц. Для циф­ровых систем GSM то же самое непосредственно сделать нельзя, поскольку вся передача ведется в цифровой форме, и передавать данные в радиоинтерфейсе так, чтобы эмулировать аналоговый сигнал, не представляется возможным. Более того, удаленный те­лефонный модем или факсимильный аппарат рассчитан на вызов другим модемом или факсимильным аппаратом. Поэтому вызов, требующий передачи данных, из MS поступает на IWF, а затем уже маршрутизируется из IWF дальше. Внутри IWF для обслуживания этого вызова закрепляется модем. Для услуги передачи факсов вместо модема данных используется факс-модем. В классических сетях GSM поддерживаются услуги передачи данных и факсов со скоростью 9,6 кбит/с.

 

13.9.  Регистр идентификации оборудования EIR

 

В состав оборудования GSM входит также регистр идентифи­кации оборудования EIR (Equipment Identity Register), содержащий международный идентификатор мобильного телефона. Как уже го­ворилось выше, абонента идентифицирует не телефонный аппарат, а информация на SIM-карте. Поэтому в значительной степени сам используемый абонентом телефонный аппарат не важен. С дру­гой стороны, для сети может оказаться необходимым проверить, что конкретный телефонный аппарат (мобильное устройство) или конкретная модель этого аппарата допустимы. Например, сетевой Оператор может захотеть ограничить доступ с телефона, который не был сертифицирован, или ограничить доступ с телефона, ко­торый был похищен. В лекции 15, посвященной нумерации, будет показано, что в каждой трубке хранятся 15 цифр идентификатора IMEI (International Mobile Equipment Identity) или 16 цифр IMEISV (International Mobile Equipment Identity and Software Version Number). Как IMEI, так и IMEISV имеют структуру, которая содержит Туре Approval Code(TAC) и Final Assembly Code (FAC).

Коды ТАС и FAC объединяют, чтобы указать сборку и модель трубки и место ее производства. IMEI и IMEISV содержат также спе­циальный серийный номер для рассматриваемого ME. Единствен­ное различие между IMEI и IMEISV - это указание номера версии программного обеспечения.

В EIR хранятся три списка - черный, серый и белый. Эти списки содержат значения ТАС и FAC, а в черном списке может находиться и полный номер IMEI или номер IMEISV. Если данный ТАС, комбина­ция TAC/FAC или полный IMEI появляется в черном списке, значит вызовы с этого мобильного терминала запрещены. Если эти значе­ния появляются в сером списке, то вызовы могут быть, а могут и не быть запрещены по усмотрению Оператора. Когда они появляются в белом списке, вызовы разрешены. Обычно включенный в белый список код ТАС указывает модель трубки, которая была сертифи­цирована ее производителем. В свою очередь, EIR является опцио­нальным сетевым элементом, и некоторые Операторы предпочита­ют не устанавливать EIR.

 

 

13.10. SMS-центр

 

На рис. 13.1 показан также центр услуг обмена короткими со­общениями SMSC (Short Message Service Center), который пред­ставляет собой узел, поддерживающий хранение и пересылку коротких сообщений к мобильным терминалам и от них. Обыч­но короткие сообщения - это текстовые сообщения длиной до 160 символов латинского алфавита, когда для кодирования текста SMS используются кодовые комбинации с длиной равной 7. Это свя­зано с тем, что максимальный объем SMS-сообщения составляет 1120 битов, откуда и определяется максимальное количество символов 1120/7=160. Как только в тексте сообщения появляется символ кириллицы, используется кодирование Unicode с двумя байтами на символ. Тогда максимальный объем короткого сооб­щения становится равным 1120/16=70. Если сообщение содержит больше символов, оно сегментируется, а плата взимается за общее количество сегментированных сообщений.

Логически центр SMSC имеет три компонента:

•    сам Service Center (SC), который хранит сообщения и взаимо­действуете другими системами, такими как оборудование элек­тронной почты или речевой почты;

•    шлюз SMS-Gateway MSC (SMS-GMSC), который используется для доставки коротких сообщений мобильному абоненту; по ана­логии с GMSC центр SMS-GMSC запрашивает в HLR информа­цию о местонахождении абонента, а потом пересылает короткое сообщение к соответствующему MSC, откуда оно отправляется абоненту;

•    узел SMS-lnterworking MSC, принимающий короткие сообщения из MSC, который обслуживает абонента, передающего короткое сообщение, пересылает такие сообщения в SC, а тот отправляет их затем в конечные пункты назначения.

Включение SC, SMS-GMSC и SMS-IWMSC в состав одной и той же платформы очень распространено, хотя некоторые реализации допускают применение автономного SC. В таких реализациях функ­ция SMS-GMSC может быть включена в состав GMSC, а функция SMS-IWMSC - в состав MSC/VLR. К SMS-центру мы еще вернемся в лекции 17 при обсуждении услуг СПС.

 

 

Лекция 14

 

Системы сигнализации СПС

 

Каждый день что-то новое в мире вершит небосвод,

Перед чем отступает людской остроумный расчет.

Мухаммед Аззахири Ас-Самарканди

 

14.1. Мобильные приложения стека протоколов ОКС

 

Вряд ли даже самые остроумные люди, разработавшие стек протоколов ОКС7 в 70-х годах прошлого века, строили расчет на его использование для задач поддержки роуминга и хэндовера. Тогда эти задачи трудно было предвидеть, но когда стали строиться сети GSM, а потом - UMTS, стек протоколов ОКС пришелся как нельзя более кстати. Точно такую же закономерность отражают написан­ные еще в XI! веке строки великого персидского поэта, выбранные в качестве эпиграфа к этой лекции. Ее же иллюстрирует и история ряда других телекоммуникационных технологий из этого учебника. И все же разработка стека ОКС7 выделяется из общего ряда. Она оказалась настолько удачной, что в ITU уже не предпринимались попытки разработать какую-нибудь систему сигнализации №81. Так и остались в истории семь международных систем сигнализации от №1 до №7 плюс две региональные R1 и R2, о чем говорилось в лекции 4.

В стек ОКС органично вписался и протокол MAP (Mobile Application Part), первая версия которого появилась в процессе развития мобильной связи еще в 1988 году. То же произошло и с другим протоколом CAP (CAMEL Application Part) стека 0КС7, рас­смотрение которого мы отложим до лекции 17, посвященной услу­гам СПС.

То же справедливо и в отношении разработанного для Северной Америки протокола ANSI-41, который функционально идентичен MAP и располагается на том же уровне в стеке протоколов ОКС7, представленном на рис. 4.4. Информация MAP и ANSI-41 транспортируется и инкапсулируется протоколами нижележащих уровней МТР1, МТР2, МТРЗ, SCCP и ТСАР, рассмотренными в лекции 4.

Протокол MAP используется для определения операций между сетевыми компонентами СПС, такими как MSC, BTS, BSC, HLR, VLR, EIR, MS, а также SGSN/GGSN в GPRS (General Packet Radio Service). Всего с целью поддержки GSM определено пять приложений MAP для подсистемы коммутации (MAP-MSC, MAP-VLR. MAP-HLR. MAP-EIR, MAP-AuC) и приложение BSSAP(BSS Application Part) для контроллера базовых станций BSC.

Основные услуги MAP специфицированы для сетей GSM, а за­тем несколько операций было добавлено для поддержки GPRS и для сетей 3G, о чем речь пойдет в лекциях 17 и 16 соответственно. Подсистема MAP представляет собой протокол, который позволяет узлам сети GSM обмениваться информацией друг с другом с целью предоставления таких услуг, как роуминг, хэндовер, маршрутизация входящих вызовов и SMS, аутентификация абонента.

 

14.2. Модель протокола MAP

 

Базой для этой разработки послужила модель сети подвижной связи, названная моделью "Трехсосисок» {рис. 14.1), которая опи­сывает метод перевода управления обслуживанием вызова (хэн­довер) от одного центра коммутации к другому, и протокол MAP, поддерживающий мобильность абонентов между разными сетями подвижной связи. Роль «сосисок» на рис. 14.1 выполняют две раз­ные СПС и фиксированная сеть связи - телефонная сеть общего пользования, изученная по лекциям части 1 книги. Сама модель полностью абстрактна, не зависит от используемой в СПС техноло­гии и от физической структуры сетей.

Поясним модель, показанную на рис. 14.1. Ранее в лекциях части 1 подразумевалось, что местонахождение абонента является посто­янным и определяется планом нумерации, который используется в сети. В сетях же подвижной связи местонахождение абонента может существенно  изменяться  без  специального уведомления сети - например, абонент может выключить свой сотовый телефон в аэропорту, а через пару часов снова включить его в СПС совсем другой страны. Для входящих к мобильным абонентам вызовов не существует непосредственной связи между местонахождением абонента и номером сотового телефона2.

Перед тем как организовать передачу вызова к мобильному терминалу вызываемого абонента, нужно получить в реальном времени информацию о его местонахождении и другую служебную информацию, а потому такие вызовы требуют обмена большим ко­личеством служебных сигналов, не относящихся непосредственно к вызову и/или к сеансу связи.

Сама изображенная на рис. 14.1 модель появилась еще до раз­работки стандарта GSM и первоначально была введена для упоми­навшихся в лекции 12 систем NMT-450. Уже в сетях NMT-450 были введены базы данных двух типов: гостевой регистр VLR и домашний регистр HLR.

Как уже обсуждалось выше, каждый VLR обслуживает одну зону, в границах которой мобильные терминалы могут перемещаться без обновления данных о своем местонахождении. Обновление этих данных производится при переходе абонента из одной зоны об­служивания в другую. Регистр VLR содержит информацию обо всех мобильных терминалах, которые находятся в данный момент на территории его зоны обслуживания, и информацию, необходимую для установления соединений с этими терминалами.

Кроме того, VLR управляет процессом коммутации в центре MSC, являясь в этом смысле аналогом узла управления услугами Интеллектуальной сети SCP, обсуждавшегося в лекции 6. Освежить знания, полученные в лекции 6, весьма уместно, поскольку в сетях подвижной связи управление опознаванием, обновление данных о местонахождении мобильного терминала, управление маршру­тизацией и дополнительными услугами - все это поддерживается процедурами, аналогичными процедурам IN.

HLR является базой данных, в которой содержится информация об услугах и возможностях, предоставляемых мобильному абонен­ту, а также о его местонахождении в настоящее время. Количество HLR определяется емкостью сети GSM (чаще всего это только один HLR на сеть).

Количество VLR в сети обычно определяется числом MSC. Как показано на рис. 13.1 предыдущей лекции, кроме HLR и VLR есть еще и другие сетевые элементы: регистры идентификации обору­дования EIR, системы речевой почты, SMS-центры, которые тоже соединяются с MSC и между собой с помощью протокола MAP (пун­ктирные линии на рис. 13.1).

 

14.3. Интерфейсы Abis, В, А

 

На рис. 13.1 показаны каналы передачи сигнальной и пользова­тельской информации (речевой, SMS и др.) сплошными линиями, а каналы передачи только сигнальной информации - пунктирными. Как видно на рис. 13.1, сигнальная информация передается между MS и сетью, между сетевыми элементами и при взаимодействии с другими сетями. В основе протоколов сигнализации лежит стек 0КС7 и протокол LAPD сети ISDN. Рассмотрим сетевые аспекты этих протоколов и соответствующих интерфейсов несколько под­робнее (рис. 14.2).

Интерфейс между BTS и BSC называют Abis-интерфейсом. Большинство свойств этого интерфейса стандартизовано, кроме той части, которая связана с конфигурацией и с технической экс­плуатацией станций BTS, из-за чего BTS обычно соединяется с BSC того же производителя.

Один или несколько контроллеров BSC соединяются с центром коммутации подвижной связи MSC, управляющим установлением соединения, маршрутизацией вызова и многими другими функци­ями. Из-за того что абоненты СПС перемещаются, MSC - помимо рассмотренных в лекциях части 1 задач обычной АТС - обязан обес­печивать ряд специализированных функций, связанных, в частнос­ти, с определением местонахождения мобильного терминала.

Формально интерфейс между MSC и VLR, называемый В-интерфейсом, стандартизован, но никто из производителей оборудования, как правило, не разрабатывал автономные VLR: оба они, MSC и VLR, всегда содержатся на одной и той же платформе, и интерфейс между ними является внутрифирменным.

Интерфейс между BSC и MSC известен под названием А-интерфейс и представляет собой интерфейс на базе ОКС7, ис­пользующий протокол SCCP, который обсуждался в лекции 4. Над ним в стеке сигнализации находится подсистема BSSAP - прото­кол, используемый для коммуникации между MSC и MS. Поскольку MS обменивается информацией с BSC и MSC раздельно, BSSAP де­лится на две части: протокол управления BSSMAP(BSS Management Application Part), который обеспечивает процедуры интерпретации результатов обработки текущих вызовов и управления ресурсами подсистемы BSS, и протокол сквозной передачи сообщений DTAP (Direct Transfer Application Part).

Протокол DTAP содержит те сообщения, которые прозрачно проходят через BSS от MSC к MS или наоборот. Стеки этих протоко­лов представлены на рис. 14.2, который является, в определенном смысле, расширением рис. 4.4 из лекции 4.

В отличие от рис. 13.1, на рис. 14.2 сплошными линиями показа­на передача сигнальной информации, а пунктирными - передача речевой информации.

В остальном же рис. 14.2 можно считать результатом объедине­ния двух рисунков: стека сигнализации на рис. 4.4 и структуры сети GSM на рис. 13.1.

 

14.4. Обновление данных о местонахождении абонента с помощью MAP

 

Выше отмечалось, что основными процедурами MAP являются изменение абонентских данных в регистрах HLR и VLR, передача информации о начислении платы, регистрация местонахождения абонента для сохранения возможности передачи исходящих и приема входящих вызовов (обеспечение возможности роуминга), перерегистрация и стирание предыдущей информации о местона­хождении абонента и пр.

Рассмотрим подробнее процедуру обновления информации о местонахождении (Location Update) мобильного терминала в ис­ходном состоянии (без соединения).

Дело в том, что для минимизации объема транзакций с HLR этот регистр содержит только информацию о местонахождении MSC/VLR, к которым в данный момент подключен абонент, тогда как этот VLR содержит более детальную информацию о зоне местонахождения абонента, обычно определяемой контроллером BTS.

Таким образом, VLR требует, чтобы его информация о место­нахождении обновлялась каждый раз, когда абонент меняет зону местонахождения (Location Area), a HLR требует обновления своей информации о местонахождении абонента только тогда, когда тот меняет зону обслуживания, т.е. меняет VLR.

Обновление этой информации может происходить, когда:

•    мобильный терминал MS только что включился;

•    MS переместился в пределах зоны того же VLR, но в новую зону местонахождения;

•    MS переместился в новую зону обслуживания (к новому VLR);

•    сработал таймер обновления информации о местонахождении.

Когда мобильный терминал абонента включается первый раз, осуществляется сканирование радиоисигнала на предмет выбора соты с наиболее мощным принимаемым сигналом, затем декоди­руется информация, которая циркулярно передается станцией BTS, и мобильный терминал регистрируется в соте с самым сильным принимаемым сигналом (при условии, что эта сота не запрещена). Только после этого мобильный терминал регистрируется в сети, инициируя процесс обновления информации о своем местонахож­дении, как показано на рис. 14.3.

Представленная в сценарии на рис.14.3 последовательность начинается запросом канала. Этот запрос передается из мобиль­ного терминала в подсистему BSS. Запрос включает в себя данные о причине установления связи - обновлении сведений о место­нахождении MS. Далее BSS назначает канал SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) для этого мобильного терминала и дает ему команду перейти на этот назначенный канал, передавая сооб­щение Immediate Assignment.

По получении этого сообщения мобильный терминал переходит на назначенный SDCCH и передает запрос обновления информации о своем местонахождении. Запрос содержит данные, включающие всебя идентификатор зоны местонахождения, полученный мобиль­ным терминалом, и идентификатор мобильного терминала.

Идентификатором мобильного оборудования обычно служит либо идентификатор International Mobile Subscriber Identity (IMS!), либо идентификатор Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), о чем мы поговорим в следующей лекции, посвященной нумерации.

Этот идентификатор передается через BSS в MSC с помощью типового сообщения Complete Layer 3 Info, которое входит в состав SCCP Connection Request протокола SCCR Если мобильный терми­нал пытается зарегистрироваться с помощью TMSI, а этот TMSI не известен в MSC/VLR, то MSC/VLR может запросить у мобильного терминала передачу IMSI3. Кроме того, MSC/VLR может запросить у мобильного терминала идентификатор самого телефонного аппа­рата IMEI для проверки.

После приема запроса об измении информации о местонахож­дении MSC/VLR может попытаться произвести аутентификацию терминала. Если MSC/VLR уже не имеет информации для аутен­тификации, он запрашивает ее у HLR, используя операцию Send Authentication Info протокола MAP С помощью этого же протокола домашний регистр HLR/AuC передает Return Result (RR) подсис­темы MAP с несколькими векторами аутентификации, известными в GSM как триплеты. Каждый триплет содержит случайное число (RAND), а также параметр Signed Response (SRES). Узел MSC пере­дает в мобильный терминал запрос аутентификации Authentication Request, который содержит только RAND.

В мобильном терминале выполняется такой же расчет, какой был сделан в HLR/AuC, затем он передает Authentication Response, содержащий параметр SRES. В свою очередь, MSC/VLR проверяет соответствие SRES, принятого от мобильного терминала, парамет­ру SRES, принятому от HLR/AuC. Если соответствие подтверждает­ся, MS считается аутентифицированным.

На этой стадии MSC/VLR, если не обнаруживает у себя в VLR данные об этом мобильном терминале, начинает операцию Update Location протокола MAP, чтобы информировать HLR о нахождении абонента в своей зоне обслуживания.

Сообщение в HLR содержит IMSI абонента и Global Title Address (GTA) от MSC/VLR. Регистр HLR передает в VLR, где ранее был за­регистрирован абонент (если таковой VLR имеется), сообщение Cancel Location (отмена данных о местонахождении) протокола MAP. Тогда этот предыдущий VLR удаляет все записанные данные, относящиеся к абоненту, и посылает в HLR сигнал Return Result.

Регистр HLR использует команду Insert Subscriber Data прото­кола MAP для того, чтобы информировать обслуживающий VLR о совокупности относящихся к рассматриваемому абоненту данных, которые включают в себя информацию о дополнительных услугах. В свою очередь, этот VLR подтверждает получение информации,

Затем HLR передает Return Result, после получения которого MSC/VLR передает в мобильный терминал сообщение принятия обновления местонахождения DTAP Location Updating Accept.

Затем он ликвидирует соединение SCCP с BSS. Это заставляет BSS освободиться от SDCCH путем передачи в мобильный терми­нал сообщения Channel Release. Теперь, для обобщения материа­лов четвертой лекции части 1 и этой лекции, рассмотрим входящий и исходящий вызовы при связи между СПС и ТфОП.

 

14.5. Входящий вызов в СПС из ТфОП

 

В случае входящего вызова к мобильному терминалу (рис. 14.4) абонент ТфОП набирает номер мобильного абонента MSISDN (Mobile Station ISDN Number), структура которого рассматривается в следующей лекции. На рис. 14.4 показан базовый входящий вызов к мобильному абоненту из ТфОП. Он начинается с поступления на GMSC сообщения IAM протокола ISUP, упоминавшегося в лекции 4.

Это сообщение содержит списочный номер вызываемого або­нента MSISDN, на основании которого в GMSC определяется соот­ветствующий этому абоненту HLR и вызывается операция SRI (Send Routing Information) протокола MAP в направлении к этому HLR, чтобы выяснить местонахождение мобильного терминала вызыва­емого абонента.

Информация SRI содержит MSISDN абонента для определения IMSI. Благодаря заранее произошедшему обновлению данных о местонахождении абонента HLR знает тот MSC/VLR, который сей­час обслуживает этого абонента, и запрашивает в этом MSC/VLR операцию PRN (Provide Roaming Number) протокола MAP, которая содержит IMSI абонента. Этот MSC/VLR назначает из пула вре­менный номер MSRN (Mobile Station Roaming Number) для дан­ного вызова и сообщает этот номер в HLR. В свою очередь, HLR сообщает номер MSRN4 в GMSC. Полученный MSRN для ТфОП является реальным (пересчитанным) номером вызываемого або­нента. Его можно использовать для маршрутизации вызова через любую промежуточную сеть между GMSC и гостевым MSC/VLR, что фактически и делает GMSC. Он маршрутизирует вызов к MSC/VLR путем передачи IAM с MSRN в качестве номера вызываемой сторо­ны. После того как это сообщение IAM принято, MSC/VLR получает оттуда MSRN, узнает IMSI, для которого был назначен MSRN, после чего номер MSRN можно вернуть в пул для использования другим вызовом. Далее MSC/VLR направляет сообщение Paging Request в подсистему BSS, соответствующую зоне местонахождения абонен­та, для посылки вызывного сигнала мобильному абоненту. После приема вызова мобильный терминал пытается получить доступ к сети с помощью передачи сообщения Channel Request, на которое подсистема BSS отвечает сообщением Immediate Assignment с ука­занием мобильному терминалу переключиться на SDCCH.

Мобильный терминал переключается на этот SDCCH и инфор­мирует сеть, что он отвечает на вызов. Тогда BSS пересылает ответ в MSC/VLR. На этой стадии MSC инициирует шифрование, так как передаваемые через радиоинтерфейс речь и данные должны быть зашифрованы. После получения сообщения Setup мобильный тер­минал передает в MSC сообщение Call Confirmed, указывающее, что он располагает необходимой для установления соединения информацией.

Сообщение Call Confirmed действует как команда MSC устано­вить тракт до мобильного терминала. Поэтому MSC начинает про­цедуру назначения, которая устанавливает канал между MSC и BSS и канал между BSS и MS (вместо SDCCH).

После создания канала в мобильный терминал абонента посыла­ется вызов, а в MSC передается сообщение Alerting. Это сообщение инициирует генерацию акустического сигнала контроля посылки вызова и передачу сообщения АСМ обратно к исходящей АТС теле­фонной сети общего пользования через GMSC.

Как только вызываемый пользователь ответит, мобильный тер­минал передает в MSC сообщение Connect. Оно инициирует пере­дачу из MSC сообщения ANM обратно к исходящей АТС и открытие двухстороннего тракта. И, наконец, в вызываемый мобильный тер­минал передается сообщение Connect Acknowledgement, и начина­ется разговор.

 

 

 

14.6. Исходящий вызов из СПС в ТфОП

 

Сценарий базового вызова, исходящего от мобильного термина­ла и адресованного абоненту ТфОП, читателю предлагается разра­ботать самостоятельно.

Подскажем только, что после того как BSS выделила мобиль­ному терминалу SDCCH, этот вызывающий терминал отправляет в MSC/VLR сообщение CM Service Request6, содержащее информа­цию о типе услуги, которую хочет вызвать мобильный терминал (в предлагаемом сценарии это вызов с мобильного терминала, но может быть также и другая услуга, например, отправка SMS).

По аналогии с рис. 14.4 сценарий исходящего вызова заканчива­ется тем, что после ответа с вызываемого телефона ТфОП пересы­лается сообщение Answer Message (ANM). Это приводит к открытию контроллером MSC двухстороннего тракта до мобильного термина­ла, а также к передаче из MSC в мобильный терминал сообщения Connect.

После приема сообщения Connect вызывающий мобильный тер­минал отвечает сообщением Connect Acknowledge, после чего обе стороны ведут разговор, а с точки зрения начисления платы начат отсчет времени разговора в сети подвижной связи.

 

 

Лекция 15

 

Система нумерации СПС

 

Если из инструментов у тебя только молоток,

все проблемы выглядят как гвозди.

Фрэнсис Фукуяма

 

15.1. Отличия нумерации для мобильной связи

 

Постулат, сформулированный американским политологом Фрэнсисом Фукуямой, полностью объясняет принцип нумерации в СПС. Дело в том, что возникнув, если не непосредственно в среде, то в полном окружении традиционной ТфОП, новые СПС не могли не позаимствовать уже хорошо проработанные принципы телефонной нумерации, разве что заменив рассмотренные в лекции 5 коды зон нумерации AВС на так называемые негеографические коды DEF. Ра­дикальных изменений в системе адресов, совершенных в Интернет (о чем мы поговорим в лекции 25 третьей части книги), мобильные сети не сделали. И все же, сами физические принципы мобильной связи, как и международная и российская практика построения СПС, породили определенные различия планов нумерации. Следу­ет отметить особенности мобильной телефонной связи:

•    выделение разным Операторам СПС отдельных пулов абонент­ских номеров (например, номера 92хххххххх для Мегафона, но­мера 905ххххххх для Вымпелкома и т.п.);

•    необходимость  поддержки  функций   мобильности  терминала (хэндовер и роуминг);

•    возможность обращения к идентификационным данным терми­нала (IMEI) для получения информации, которая дополняет све­дения об абонентском номере, содержащемся в SIM-карте;

•    актуальность ряда новых услуг, которые поддерживаются в сетях мобильной связи.

Перечисленные выше особенности свойственны так называе­мым наземным сетям подвижной связи. Если посмотреть на тер­риторию, в границах которой обеспечивается мобильная связь, то несложно обнаружить три факта.

Во-первых, мобильная связь не доступна при перемещении по морям и океанам (а в ряде случаев - по крупным рекам и озерам). Во-вторых, мобильный терминал не может работать во время поле­тов на воздушных судах. В-третьих, даже на суше остаются очень большие - по занимаемой площади - территории, в границах кото­рых мобильная связь не рациональна.

Такая ситуация стимулирует создание глобальной системы спутниковой мобильной связи, которая позволяет обслуживать абонентов, терминалы которых могут находиться на суше, воде или в воздушном пространстве. Исключениями, по всей видимос­ти, будут ситуации, когда терминал находится под землей (в шахте или в пещере), под водой (в подводной лодке или в ином подобном аппарате) или на очень большой высоте (например, в космическом пространстве). Для создания глобальной системы спутниковой мобильной связи предусмотрены специфические решения в части плана нумерации. Их пример приведен в нижней части показанно­го в лекции 5 рис. 5.3, который иллюстрирует возможности нового пятнадцатизначного плана нумерации.

Отметим еще одно важное для СПС обстоятельство. Коммута­ционное оборудование, используемое в эксплуатируемых сетях мобильной телефонной связи, представляет собой современную цифровую станцию с программным управлением. Это означает что на план нумерации не накладываются ограничения, которые обусловлены функциональными возможностями аналоговых ком­мутационных станций. Программное управление позволило реали­зовать эффективный план нумерации, обеспечивающий введение новых услуг, и поддерживать все необходимые дополнительные услуги.

 

 

15.2. Нумерация в GSM

 

15.2.1. Идентификатор IMSI

 

Каждому абоненту присваивается уникальный идентификатор, называемый IMSI(International Mobile Subscriber Identity).

Он является однозначным идентификатором абонента в сети GSM и хранится в SIM. О пластиковой SIM-карте со встроенной микросхемой, которая содержит подробные сведения об абоненте и обеспечивает предоставление услуг, уже говорилось в лекции 13. Напомним, что будучи вставленной в телефонный аппарат, она и превращает его в мобильный терминал и используется для биллинга, идентификации абонента и его авторизации при роуминге.

Идентификатор IMSI специфицирован в рекомендации ITU-T Е.212, а также в документах GSM 03.03 и в 3GPP TS 23.003. Его структура показана на рис. 15.1.

Три цифры кода МСС (Mobile Country Code) определяют страну, на территории которой находится домашняя сеть мобильного або­нента. Код MNC (Mobile Network Code) определяет домашнюю СПС абонента. Номер MSIN(Mobile Station Identification Number) опреде­ляет самого абонента. Полям MNC+MSIN присвоено наименование «идентификатор NMSI» (National Mobile Station Identity).

С учетом этого уточним понятие домашняя сеть. В предыдущих лекциях понималось, что это сеть, на услуги которой подписыва­ется пользователь, и которая содержит информацию об абоненте в своем HLR. Теперь к этому можно добавить еще одно определе­ние домашней сети как сети, где коды Mobile Country Code и Mobile Network Code являются такими же, как в идентификаторе IMSI або­нента.

Административное управление MNC входит в обязанности на­циональных администраций связи, например, Министерства связи и массовых коммуникаций России, а сетевые Операторы обычно отвечают за организацию и администрирование MSIN в соответст­вии с MNC, который назначил регулирующий государственный ор­ган. Ниже мы рассмотрим коды МСС и MNC.

 

15.2.2. Идентификатор TMSI

 

Идентификатор TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) оп­ределяется в 3GPPTS 23.003 и фактически является псевдонимом, который использует гостевой регистр VLR {а также SGSN в сетях с возможностями GPRS) для защиты конфиденциальности абонента. Напомним, что о гостевом регистре VLR было рассказано в преды­дущей лекции. Идентификатор же TMSI временно используется в VLR как замена IMSI, чтобы ограничить количество рассылок IMSI через радиоинтерфейс, дабы злоумышленники не могли использо­вать IMSI для идентификации абонента GSM. Идентификатор TMSI присваивается во время процедуры обновления данных о место­нахождении абонента, a VLR и узлы SGSN должны уметь увязывать этот TMSI с IMSI терминала, которому он присвоен.

Обычно VLR назначает TMSI для абонентского терминала во время начальной транзакции абонента с MSC, например, при об­новлении данных о его местонахождении. Поскольку TMSI имеет только локальное значение (в границах зоны контролируемой VLR), каждый сетевой администратор может выбрать его структуру в со­ответствии со своими нуждами. Чтобы исключить двойное назначе­ние в условиях неисправности/восстановления, обычно считается целесообразным привязывать часть TMSI к текущему времени.

 

15.2.3. Номер MSISDN

 

Номер MSISDN - это номер, который набирает вызывающий абонент, чтобы связаться с вызываемой стороной. Другими слова­ми, это списочный номер мобильного абонента. Он специфициро­ван в документе GSM 03.02. Этот параметр относится к одному из номеров ISDN, который присвоен мобильному абоненту в соответс­твии с Рекомендацией ITU-T E.213. Абонент может иметь на своей SIM-карте несколько MSISDN. Примером служат MSISDN для речи и MSISDN для факсов. На рис. 15.2 показан формат MSISDN.

Код NDC (National Destination Code) определяет зону нумерации на территории страны и/или в сети. Код СС (Country Code) опре­деляет страну или географический регион в плане нумерации на­циональной сети связи. Номер SN (Subscriber Number) определяет абонентский терминал в сети или в зоне нумерации.

 

15.2.4. Номер MSRN

 

Номер MSRN (Mobile Station Roaming Number) специфицирован в документе GSM 03.03 и используется исключительно для входя­щего вызова. Он является временным идентификатором, который служит для маршрутизации вызова от шлюзового MSC к обслужива­ющему MSC/VLR, то есть к MSC/VLR, в зоне обслуживания которого в данное время находится абонент. Регистр VLR назначает номер MSRN, когда он принимает от HLR запрос информации маршрути­зации. Когда соединение завершается, MSRN возвращается в пул свободных номеров VLR.

 

15.2.5. Идентификатор IMEI

 

Как отмечалось в лекции 13, каждое абонентское устройство ME имеет уникальный идентификатор, IMEI (International Mobile Equipment Identity), который является, по сути, заводским номером и постоянно хранится в абонентском устройстве. IMEI содержит не только текущий номер устройства, но и указывает производителя, страну производства и сертификат типа ME.

Структура IMEI специфицирована в GSM 03.03 и в документе 3GPP TS 23.003. С использованием IMEI можно предпринять дейс­твия для поиска похищенного абонентского устройства, проверить при включении мобильного терминала его отсутствие или присутст­вие в черном/сером списке, а также отбраковать оборудование по техническим причинам и/или из соображений безопасности. Воз­можности IMEI позволяют отслеживать и предотвращать мошенни­ческое использование абонентского терминала и, при некоторых обстоятельствах, производить специальное сетевое управление мобильными терминалами определенных типов.

На рис. 15.3 показана структура IMEI, где код сертификации ТАС (Type Approval Code) определяет страну (первые две цифры ТАС) и идентификатор сертификата ME данного типа. Код FAC (Final Assembly Code) определяет место, где телефон был собран.

SNR (Serial Number) является индивидуальным порядковым но­мером, он однозначно идентифицирует каждый мобильный теле­фон (с определенными ТАС и FAC).

Коды сборки FAC закреплены за производителями телефонов, например, номера 07 и 40 - за Motorola, 10 и 20 - за Nokia, 30 - за Ericsson, 40, 41 и 44 - за Siemens, 60 - за Alcatel, 80 - за Philips, 85 - за Panasonic. В развитие этого подхода 3GPP в настоящее вре­мя предлагает изменить структуру сообщения IMEI путем использо­вания шестнадцатеричного кодирования, что позволит нумеровать 16,7 миллионов мобильных терминалов с помощью одной комбина­ции TAC+FAC.

Чтобы узнать IMEI своего мобильного телефона, введите ком­бинацию *#06# на клавиатуре. Полезно записать этот номер на тот случай, если мобильный телефон будет похищен.

 

15.3. План нумерации в сетях подвижной связи

 

На первом этапе развития сетей подвижной связи центры ком­мутации MSC подключались к городской телефонной сети на пра­вах районной АТС. Мобильному абоненту выделялся абонентский номер из ресурса нумерации местной сети, на территории которой находилась сеть Оператора мобильной связи. Это означало, что для MSC в плане нумерации местной телефонной сети выделялся код ab. Чтобы отличить этот код от комбинаций цифр, характеризу­ющих РАТС в ГТС и в СТС, его иногда обозначают буквами бе. При установлении соединений в пределах местной сети, включая связь с мобильными терминалами, набирался следующий номер:

•    abxxx или dexxx в местных сетях с пятизначным планом нумера­ции;

•    abxxxx или dехххх в местных сетях с шестизначным планом нуме­рации;

•    abxxxxx или dexxxxx в местных сетях с семизначным планом ну­мерации.

В качестве символа d обычно использовали цифру «9». Код зоны [ABC] для абонентов фиксированной и мобильной связи оставался единым в одной зоне нумерации ТфОП.

При выборе этого плана нумерации предполагалось, что коли­чество абонентов мобильной связи не будет существенным. Такой вывод был сделан на основании анализа тарифов, использовав­шихся в сетях мобильной связи на начальном этапе их развития, и уровня валового внутреннего продукта на душу населения.

К началу XXI века ситуация на рынке мобильной связи радикаль­но изменилась. В результате возникновения открытого конкурент­ного рынка Операторов СПС, а также существенного прогресса в области создания современных аппаратно-программных средств и терминального оборудования, тарифы мобильной связи замет­но снизились. В результате начался быстрый рост численности абонентов СПС, темпы которого превзошли самые оптимистичные ожидания. Вскоре количество абонентов мобильной связи, обычно определяемое численностью активных SIM-карт, превысило сум­марную емкость местных телефонных сетей ТфОП.

Сложившаяся ситуация потребовала качественных изменений в плане нумерации, предназначенном для сетей мобильной связи. Выход был найден в выделении Операторам сотовых сетей не­географических кодов DBF, используемых вместо комбинаций ABC. Каждому Оператору, имеющему лицензию на предоставление услуг мобильной связи, присвоен один или несколько кодов DEF. Факти­чески это означает, что для абонентов мобильной связи была введе­на закрытая десятизначная система нумерации. Кроме десяти зна­ков - для установления соединения - необходимо набрать префикс выхода, в качестве которого в России пока используется цифра «8». В общем случае, при установлении связи от мобильного терминала к мобильному абоненту, подписанному на услуги в сети российско­го Оператора мобильной связи, должна быть набрана комбинация +7{DEF)dexxxxx. Здесь знак «+» означает префикс выхода в сеть международной связи (он бывает разным в разных странах), а циф­ра 7 - код России и Казахстана. Возможность набора номера в виде +7{DEF)dexxxxx в сочетании с функциональными возможностями MSC позволяет использовать единые процедуры установления со­единения, находясь в России или за ее пределами.

Для большинства абонентов мобильной связи, использовавших ранее местный номер вида dexxxxx, сохранилась возможность установления входящей связи набором семи цифр. Формально это означает, что abxxxxx - dexxxxx. В остальных случаях подобное равенство нельзя считать верным. Для установления исходящего соединения к абонентам фиксированной связи с мобильного тер­минала набирается префикс выхода на АМТС, а затем номер вида ABCabxxxxx. Если абонент мобильной связи находится в домашней сети, то установление соединения к абоненту местной сети, обслу­живающей туже территорию, что и домашняя сеть, возможно путем набора номера вида abxxxxx.

В ближайшие годы Администрация связи России планирует ввести семизначную закрытую систему нумерации во всех местных телефонных сетях. Тогда планы нумерации в сетях фиксированной и мобильной связи будут максимально унифицированы.

В настоящее время для российских крупнейших Операторов мо­бильной связи стандарта GSM (так называемая «большая тройка») выделены следующие коды DEF:

•    ОАО «Вымпелком»: 903, 905, 906, 909, 960 - 969, 970 - 979;

•    ОАО «Мегафон»: 920 - 929, 930 - 939;

•    ОАО «Мобильные ТелеСистемы»: 910-919; 980-989.

В сетях фиксированной телефонной связи из-за ряда функци­ональных ограничений электромеханических систем коммутации коэффициент использования ресурса нумерации был определен в диапазоне 50 - 70%.

Сети подвижной связи стали создаваться на базе коммутаци­онного оборудования с программным управлением. Оно позволяет значительно повысить коэффициент использования выделенного ресурса нумерации. Теоретически семь знаков номера в сетях под­вижной связи позволяют назначить десять миллионов уникальных комбинаций.

Для оптимальной организации ряда эксплуатационных процес­сов абонентам одного субъекта Федерации, как правило, присва­иваются номера с идентичными цифрами de под единым кодом DEF. Поэтому значение коэффициента использования ресурса ну­мерации хотя и меньше 100%, но выше, чем в сетях фиксированной связи.

 

15.4. Нумерация услуг СПС

 

На сети подвижной связи распространяется ряд принципов ну­мерации, принятых для ТфОП. Наличие программного управления позволяет ввести ряд современных услуг раньше, чем в сетях фик­сированной связи.

В частности, некоторые Операторы мобильной связи уже выде­лили номер 112 для выхода к экстренным службам. Такое решение обусловлено возможностью «подмены» в MSC номера 112 реаль­ным номером соответствующей службы. Существенно то, что або­ненты СПС могут быстрее перейти на план нумерации, принятый в Европейском союзе.

Все услуги, разработанные для фиксированных телефонных сетей, доступны и с мобильных терминалов. С другой стороны, пе­речень дополнительных услуг в сетях подвижной связи представля­ется более внушительным.

Для нумерации некоторых услуг, относящихся к так называемым нетелефонным видам связи, используются - в дополнение к циф­рам - символы «*» и «#». Например, абоненты компании «Мегафон» для доступа к балансу своего счета набирают такую комбинацию:

*100# (и попадают на интеллектуальную платформу «Протей», упоминавшуюся в лекции 6). Информация в этом случае отобража­ется в виде текста и цифр на дисплее терминала. Речевые каналы для обмена подобной информацией не используются.

При передаче сообщений SMS и MMS часто используются про­цедуры, формально противоречащие тем правилам доступа к до­полнительным услугам, которые приняты в ТфОП. Следует учесть, что в подобных ситуациях мобильный телефон используется как терминал обмена данными, а в некоторых случаях - даже как уст­ройство получения видеоинформации. Тогда абонентские проце­дуры, по возможности, унифицируются с теми правилами, которые приняты для соответствующих телекоммуникационных сетей.

 

15.5. Перспективы развития плана нумерации СПС

 

В ближайшие годы сети подвижной связи будут развиваться в соответствии с концепцией мобильной связи третьего поколения 3G. Базовые положения концепции 3G изложены в следующей лекции. С точки зрения нумерации перспективные сети мобильной связи, соответствующие идеологии 3G, не отличаются от эксплу­атируемых ныне систем. Возможно, что различия будут лежать в другой плоскости. При появлении глобальных спутниковых сетей мобильной связи будет вводиться новая, уже рекомендованная МСЭ-Т система нумерации, основанная на плане пятнадцатизнач­ной нумерации, описание которой было дано в пятой лекции.

Иная ситуация будет складываться при переходе к четвертому (4G) и пятому (5G) поколениям систем мобильной связи. Эти поко­ления основаны на пакетных технологиях и максимально увязаны с идеологией сетей связи следующего поколения - NGN. Весьма вероятно, что для таких систем мобильной связи будет использо­ваться план нумерации, который отвечает требованиям абонентов NGN. Скорее всего, этот план нумерации будет неким симбиозом принципов, применяемых в телефонии и в сетях обмена данными.

С обсуждения принципов адресации в СПД начинается лекция 25. Хорошо бы к тому моменту, когда читатель доберется до этих лек­ций, не забыть текущий материал, а также принять во внимание привычный для него (читателя) способ набора номера через меню мобильного телефона. Такой набор не только упрощает процесс установления соединения и радикально снижает ошибки по срав­нению с набором всех цифр нажатием клавиш, но и естественным образом «перекидывает мостик» к рассматриваемой в лекции 25 системе адресации в Интернет.

 

 

Лекция 16

 

Технологии и услуги сетей UMTS

 

ЗАКОН ПРОФЕССОРА ТАРАНТОГИ: Никто ничего не читает;

если читает, ничего не понимает, если понимает, немедленно забывает.

Станислав Лем

 

16.1. Предпосылки перехода к 3G

 

В соответствии с приведенном в качестве эпиграфа законом профессора Тарантоги, стремительный рост потребности в услугах передачи данных оказался внезапным ударом для СПС. Уже не­сколько лет назад для этого существовали очевидные предпосыл­ки, но к резкому росту спроса на IP-трафик системы 2G, включая и GSM, оказались не готовы. Пока основными наиболее востребован­ными мобильными приложениями являются передача речи и служба коротких сообщений SMS, но третье поколение 3G уже привлекло и продолжает привлекать большое внимание именно как средство, дающее возможность представить на рынке мобильной связи высокоскоростную передачу данных. Уже в начале технологии 3G обеспечивали для мобильных приложений высокоскоростную пе­редачу данных на скорости 144 кбит/с при поездке на автомобиле, 384 кбит/с при скорости пешехода, а также 2 Мбит/с в помещении.

Эволюция перехода к таким технологиям на рассмотренных в этой книге этапах 1G, 2G и 2.5G отображена на рис. 16.1. Поло­женные в основу решения 3G, показанные на рис. 16.1, разраба­тывались разными группами стандартизации и относятся к разным технологиям: в их число входят как решения с TDMA, так и решения с CDMA, а также решения FDD(Frequency Division Duplex) и решения TDD (Time Division Duplex). В работе Европейского института ETSI преобладало решение W-CDMA с использованием FDD. В Японии тоже было предложено решение W-CDMA как с опцией TDD, так и с опцией FDD. В Южной Корее были предложены решения CDMA двух разных типов: одно - аналогичное европейскому и японскому пред­ложениям, а другое - аналогичное предложению CDMA для Север­ной Америки, то есть CDMA2000, представляющее собой развитие IS-95. Таким образом, ведущие группы специалистов работали над весьма схожими технологиями, и стала совершенно очевидной це­лесообразность объединения ресурсов. Это и привело к созданию двух упоминавшихся в лекции 11 отдельных организаций - 3GPP, работающей над UMTS, и 3GPP-2, которая работает над CDMA2000. По очевидным причинам в этой лекции основное внимание уделено европейскому направлению развития - технологии UMTS.

Технология UMTS сегодня внедряется российскими Оператора­ми «большой тройки». На проведенных в 2008 году тендерах на пос­тавку оборудования UMTS возможность установки оборудования в сетях ОАО «Мегафон» получили компании Nokia-Siemens и Huawei, в сетях ОАО «ВымпелКом» - Ericsson и Huawei, а в сети ОАО «МТС» -Ericsson и Nokia-Siemens.

 

16.2. Сети UMTS

 

Система UMTS в значительной степени представляет собой раз­витие рассмотренной на лекции 13 системы GSM для поддержки функций третьего поколения 3G. Здесь, в лекции 16, мы более под­робно рассмотрим UMTS и, как принято в этой книге, сосредоточим внимание не столько на радиоинтерфейсах, сколько на сетевой архитектуре. Тем не менее, необходимо упомянуть, что сеть радио­доступа RAN (Radio Access Network) здесь существенно отличается от рассмотренных в других лекциях технологий GSM, GPRS и EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution).

Радиодоступ для UMTS называют UTRA (Universal Terrestrial Radio Access). Эта технология на базе W-CDMA включает в себя режимы как FDD, так и TDD. Поэтому сеть RAN для UMTS называют UTRAN. Что же касается базовой сети, то в силу широкого распространения систем GSM было признано целесообразным строить базовую сеть UMTS как развитие базовой сети GSM. Поэтому первоначальный вариант UMTS (3GPP Release 1999) фактически использует такую же архитектуру базовой сети, какая была рассмотрена выше для GSM.xотя и с некоторыми расширениями. Более того, базовая сеть нужна для поддержки сетей радиодоступа как UMTS, так и GSM (то есть, UTRAN и BSS GSM). К тому же, не прекратилось и развитие BSS GSM: для нее разработано такое расширение, как EDGE.

С учетом продолжения эволюции GSM и близости требований GSM и UMTS поддержка спецификаций GSM осуществляется уси­лиями партнерства 3GPP, которое теперь вместо ETSI отвечает как за спецификации GSM, так и за спецификации UMTS. Перво­начально 3GPP продолжало тактику ETSI с ежегодными релизами спецификаций GSM (релиз 1996, релиз 1997, релиз 1998), поэтому первый релиз спецификаций, подготовленный 3GPP, называется релиз 1999. В состав этого релиза входили не только новые специ­фикации для поддержки доступа UTRAN, но также и расширенные версии существующих спецификаций GSM (в частности, для под­держки EDGE), ставшие предметом коррекций, поскольку во время тестирования и внедрения оборудования выявились ошибки и от­сутствие совместимости.

Следующий релиз спецификаций 3GPP сначала был назван ре­лизом 2000 (3GPP Rel'00) и включал в себя важные изменения в ба­зовой сети. Однако эти изменения оказались настолько значитель­ными, что их нельзя было выполнить все за один шаг, и релиз 3GPP Rel'00 разделили на два релиза: 3GPP Rel'4n 3GPP Rel'5, прекратив тем самым традицию годовых релизов.

Спецификации релиза 4 определили изменения в базовой сети UMTS с коммутацией каналов и к настоящему времени «замороже­ны» (что означает сведение изменений в спецификациях лишь к ис­правлению ошибок или несоответствий, а новые функциональные возможности больше не добавляются). В релизе 4 введены понятия медиашлюза MGW, сервера MSC и шлюза сигнализации SGW, что позволило логически разделять пользовательские данные и инфор­мацию сигнализации в центре коммутации подвижной связи MSC. Там же осуществлены усовершенствования UTRAN, которые обес­печили поддержку высоких скоростей передачи для подвижных пользователей.

В релизе 5 предусмотрен переход к пакетной сети, введена новая модель вызова, домашний регистр HLR заменяется/дополняется сервером HSS абонентов домашней сети, введены усовершенст­вования UTRAN, обеспечивающие эффективные услуги мультиме­диа на базе IP в UMTS, усовершенствуются услуги определения местонахождения LCS. В релизе 5 появляется также чрезвычайно важная концепция IP-мультимедиа подсистемы IMS, рассматривае­мой подробнее в заключительной лекции 20 части 2. Но сначала рассмотрим трафик к услугам UMTS, являющийся основой для всех случаев модернизации сетей связи.

 

16.3. Трафик в UMTS

 

Спецификации UMTS определяют четыре класса трафика сети UMTS.

Речевой трафик характеризуется низкой допустимой задержкой и низким джиттером. Для речевого трафика обычно не требуется очень высокая скорость передачи данных, но скорости передачи в обоих направлениях должны быть одинаковы. Видеоконференции, которые включают в себя обслуживание речевого трафика, предъ­являют аналогичные передаче речи требования к задержке, но более чувствительны к ошибкам и обычно требуют более высокой скорости передачи данных.

Трафик интерактивных услуг составляют транзакции типа вопрос/ответ; он характеризуется высокими требованиями к вероят­ности ошибок, но менее чувствителен к задержкам, чем речевой трафик. Джиттер не создает больших помех для интерактивных ус­луг при условии, что общая задержка не становится чрезмерной.

Потоковый трафик относится к однонаправленным услугам, ис­пользующим разные скорости передачи, и чувствителен к ошибкам в большей степени, чем к задержкам и джиттеру. Последнее свя­зано с тем, что потоковые данные, как правило, записываются в буфер и только затем воспроизводятся пользователю. Типичными примерами трафика этого вида являются потоковое аудио и пото­ковые видео.

Фоновый трафик характеризуется невысокими требованиями к задержке. Речь идет, например, о трафике электронной почты или SMS.

 

 

 

 

16.4. Архитектура 3GPP релиз 99

 

В основу идеологии 3G заложено разделение методов доступа, транспортных технологий, технологий услуг (контроля соедине­ний) и пользовательских приложений. Первый шаг на этом пути -релиз 99- наиболее близок предшествующей ему сети GSM. Структура сети 3G в этом первом комплекте спецификаций 3GPP для UMTS показана на рис. 16.2.

Релиз 99 решал главную проблему UMTS - введение нового метода радиодоступа W-CDMA и сохранение преемственности с сетью GSM - «в лоб»: архитектура Rel'99 упрощенно представляет­ся именно как мобильная сеть на принципах GSM, содержащая две разные сети доступа - для трафика с коммутацией каналов и для трафика с коммутацией пакетов.

В отличие от изучавшейся в лекции 13 сети GSM мобильный терминал пользователя называется в UMTS не мобильной станцией MS, а оборудованием пользователя UE (User Equipment), но, как и в сети GSM, состоит из мобильного абонентского устройства ME (Mobile Equipment) и модуля идентификации USIM (UMTS Subscriber Identity Module) - чипа, в котором содержится определенная ин­формация об абоненте плюс ключ защиты, аналогичные содержанию SIM-карты в системе GSM.

Открытые интерфейсы UMTS включают в себя радиоинтерфейс Uu между оборудованием пользователя UE и сетью UMTS, физи­чески реализуемый радиоканалом технологии W-CDMA. Для вза­имодействия с базовой сетью сеть радиодоступа GSM использует интерфейс Л, а сеть радиодоступа UTRAN - интерфейс 1и.

В спецификациях 3GPP базовая станция UMTS первоначально называлась узлом В (Node В), и это временное наименование со­хранилось во всех спецификациях. Каждый Node В подсоединен к одному контроллеру RNC (Radio Network Controller). Контроллер RNC управляет радиоресурсами подсоединенных к нему узлов В (базовых станций) и является аналогом контроллера BSC в сети GSM. Интерфейс между Node В и RNC является интерфейсом lub. В отличие от аналогичного интерфейса Abis в сети GSM интерфейс lub полностью стандартизован, открыт и обеспечивает совмести­мость базовых станций и RNC разных производителей.

UTRAN подсоединена к базовой сети через интерфейс lu. Этот интерфейс имеет два разных компонента. Соединение от UTRAN к подсистеме с коммутацией каналов базовой сети производится через интерфейс lu-CS, который подсоединяет RNC к соответству­ющему узлу коммутации каналов MSC/VLR. Соединение от UTRAN к подсистеме с коммутацией пакетов базовой сети, т.е. от RNC к SGSN, проходит через интерфейс lu-PS.

Все интерфейсы UTRAN по спецификации 3GPP релиз 99 ориен­тированы на технологию ATM (Asynchronous Transfer Mode), упоми­наемую в части 3 книги и считавшуюся перспективной во времена разработки релиза 99. В остальном, по возможности, сохраняется архитектура базовой сети GSM/GPRS. Это сделано преднамеренно, чтобы новая технология радиодоступа могла поддерживаться уже установленной, апробированной, надежной технологией базовой сети. Предусматривается возможность обновления существующей базовой сети для поддержки UTRAN, чтобы один MSC мог соеди­няться как с UTRAN RNC, так и с GSM BSC. Фактически, специфика­ции UMTS включают в себя поддержку жесткого хэндовера от UMTS к GSM и наоборот. Это важное требование, поскольку широкое распространение зон охвата UMTS потребует времени, и пока в зонах охвата UMTS остаются пробелы, желательно, чтобы абонент UMTS получал обслуживание сети GSM с гораздо большей зоной охвата. Предусматривается также возможность поддержки узлом SGSN интерфейсов для взаимодействия с контроллерами базовых станций двух стандартов - lu PS к RNC и Gb к BSC.

 

16.5. Архитектура 3GPP релиз 4

 

На рис. 16.3 показана архитектура базовой сети для специфика­ции 3GPP Rel'4. Основное различие между архитектурой Rel'99 и архитектурой Rel'4 состоит в том, что базовая сеть становится рас­пределенной сетью. Вместо того чтобы иметь традиционные MSC с коммутацией каналов, как это было в предыдущей сетевой архитек­туре, вводится архитектура распределенных коммутаторов.

Фактически MSC подразделяется на сервер MSC, который со­держит все управление мобильностью и логику обслуживания вы­зовов, содержащиеся в традиционном MSC, но без коммутацион­ной матрицы, и медиашлюз MGW, которым управляет сервер MSC и который может находиться на удалении от MSC. Обмен сигналами управления для вызовов происходит между RNC и сервером MSC, a разговорный тракт соединяет RNC и MGW. Обычно MGW принимает вызовы из RNC и маршрутизирует эти вызовы к пунктам назначения через пакетную опорную сеть. Опорная пакетная сеть использует технологию ATM или протокол RTP (Real-Time Transport Protocol) поверх IP, который рассматривается в лекции 26 третьей части. Как видно на рис. 16.3, трафик пакетных данных проходит из RNC к SGSN и через GGSN выходит в опорную IP-сеть.

Для взаимодействия сервера MSC с сетями с коммутацией кана­лов (сеть подвижной радиосвязи с коммутацией каналов или фик­сированная телефонная сеть с коммутацией каналов) используется шлюз сигнализации SGW(Signalling Gateway). Надальнем конце, где нужно будет передавать вызовы в другую сеть, например, в ТфОП, работает медиашлюз MGW, который под управлением сервера шлюзового GMSC (Gateway MSC server) будет преобразовывать па­кетизированную речевую информацию в стандартную форму ИКМ. Протоколом управления взаимодействием между сервером MSC или сервером GMSC и MGW является протокол MEGACO/H.248, рассматриваемый в лекциях части 3.

 

16.6. Архитектура All-IP no 3GPP релиз 5

 

Следующий шаг в эволюции UMTS - это внедрение мультисервисной архитектуры сети, радикально изменяющей базовую мо­дель вызова от мобильного терминала пользователя до конечного пункта назначения в направлении конвергенции речи и данных. Хорошо нам знакомый по лекции 13 о GSM домашний регистр HLR имеет в релизе 5 свой аналог в виде HSS(Home Subscriber Server). При общей функциональной эквивалентности имеются важные различия между HLR и HSS. В HSS содержатся абонентские дан­ные IMS-абонентов. HLR/HSS может работать по протоколу стека ОКС7 или через шлюз сигнализации SGW (SS7 gateway), поддержи­вающий на одной стороне стандартную сигнализацию ОКС7, а на другой стороне - транспортировку сообщений ОКС7 через IP-сеть по протоколам группы Sigtran. Важное отличие релиза 5 от преды­дущих - отсутствие отдельных интерфейсов для речи и для данных. Единый интерфейс lu обслуживает все виды медиа, в базовой сети этот интерфейс подключен к SGSN, а отдельный транспортный шлюз отсутствует. К тому же, в радиоинтерфейсе Rel'5 появляется более скоростной (до 14 Мбит/с) режим передачи пакетированных данных HSPA (High Speed Packet Access).

Принципиальное отличие релиза 5 - появление новых сетевых элементов: Call State Control Function (CSCF), Multimedia Resource Function (MRF), Media Gateway Control Function (MGCF), Transport Signaling Gateway (T-SGW) и Roaming Signaling Gateway (R-SGW), которые мы обсудим в лекции 20.

Транспортный шлюз MGW работает под управлением MGCF по протоколу MEGACO/H.248, как и в релизе 4. Для обмена информа­цией MGCF с CSCF выбран протокол SIP. Шлюз T-SGW поддержи­вает протоколы Sigtran и обеспечивает взаимодействие сигнали­зации ОКС7 с ТфОП, а шлюз R-SGW обеспечивает взаимодействие сигнализации с существующими мобильными сетями, также ис­пользующими ОКС7. Узлы SGSN и GGSN являются расширенными версиями тех же узлов, используемых в GPRS и в UMTS релизов 99 и 4, но теперь эти узлы, в дополнение к услугам передачи данных, поддерживают речевые услуги, которые ранее формировались в режиме коммутации каналов. Еще одним нововведением релиза 5 является расширение возможностей UE, превращающих его фактически в SIP-терминал. Соответственно, CSCF действует аналогично рассматриваемому в части 3 прокси-серверу SIP-сети и управляет установлением, обслуживанием и прекращением мультимедийных сеансов к UE и от него. Домен IP-Multimedia (IM) позволяет пересы­лать через сеть IP как речь, так и данные во всем сквозном соеди­нении от UE до UE с использованием для целей транспортировки услуги домена PS.

 

16.7. Развитие UMTS в Rel'6, Rel'7 и Rel'8

 

Работы 3GPP по релизу 6 сосредоточены, в первую очередь, на дальнейшем развитии IP-мультимедиа подсистемы IMS, к чему мы вернемся в лекции 20, а также на повышении пропускной способ­ности системы UMTS, на развитии сервиса «точка-группа точек» MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service - вещательные/мно­гоадресные мультимедийные услуги), на интеграции UMTS и бес­проводных локальных сетей.

В спецификациях Rel'7 предусматривается технология М1М0 (Multiple-Input Multiple-Output) с многоканальными входами/ выходами для дальнейшего увеличения эффективности использо­вания радиоспектра. В этом релизе определена платформа MMTel (Multimedia Telephony Service) как единая конвергентная архитекту­ра с мультимедийной связью, использующая IMS для мобильного и фиксированного фрагментов сети.

В спецификациях Rel'7 и Rel'8 развиваются механизмы VCC (Virtual Call Continuity), обеспечивающие непрерывность мультиме­дийных сессий при использовании разных сетей доступа (WLAN, 3G, LTE), о чем мы тоже еще поговорим в лекции 20.

 

 

Лекция 17

 

Услуги, поддерживаемые СПС

 

Об услуге пусть рассказывает не оказавший, а получивший ее.

Сенека

 

17.1. Услуги сетей 3G

 

Приведенный в эпиграфе древний принцип реализуется на на­ших глазах постоянно конкурирующими между собой Операторами мобильной связи, каждый из которых продвигает новые оригиналь­ные услуги в ожесточенной борьбе за каждого абонента. Этот же указанный в эпиграфе приоритет оценки привлекательности услуг их потребителями явился главным препятствием продвижения поколения 3G, которому целиком посвящена предыдущая лекция 16. Именно недооценка потенциальными потребителями предла­гаемых им услуг 3G определила неудачу с покупками лицензий 3G в Европе. И все же авторы с оптимизмом смотрят в будущее и по­тому эту лекцию они начинают именно с предоставляемых сетями 3G услуг высококачественной передачи речи, скоростного доступа в Интернет, обмена мультимедийными сообщениями MMS, пере­дачи видео, музыки, фильмов, ТВ-программ, видеоконференций, оплаты покупок с использованием мобильного телефона, телепре­зентаций, групповых электронных игр и целого ряда других.

Все эти услуги 3G могут быть классифицированы по следующим категориям:

•    персональная связь,

•    развлечения,

•    мобильные транзакции,

•    информационные услуги,

•    бизнес-услуги.

Ниже мы рассмотрим различные приложения для названных ка­тегорий. Следует обратить внимание на то, что все эти приложения соответствуют трафику того или иного типа: разговорному, потоко­вому, фоновому или интерактивному, что, в свою очередь, соотно­сится с классами качества обслуживания QoS, рассматриваемыми в следующей лекции.

Персональная связь, то есть удовлетворение потребности общения пользователя с другими людьми при помощи приложе­ний двух типов: «точка - точка» и «точка - группа точек». Это могут быть такие приложения, как телефония, видеотелефония, короткие сообщения SMS, мультимедийые сообщения MMS и мобильная электронная почта. Приложением, которое, как ожидается, будет стимулировать обычных пользователей перейти от сетей второго поколения k3G, может оказаться видеотелефония.

Мобильные развлечения - категория услуг, которые, по всей вероятности, будут находить все больший спрос пользователей и обеспечивать доход Операторов. Услуги этой категории могут от­носиться к таким видам:

•    игры (фоновый трафик или интерактивный трафик при онлай­новых играх), для чего создаются Web-браузеры с поддержкой протокола Java и модернизируются пользовательские термина­лы PDA;

•    потоковое аудио/видео по запросу (потоковый трафик). Пользо­ватель может заказать передачу музыки, радиопрограммы или, к примеру, наиболее ярких моментов футбольного матча. Контент начинает «проигрываться» в процессе загрузки. Эта услуга, в зависимости от происхождения носителя информации, лицен­зионных платежей и других факторов, может быть платной или бесплатной;

•    видео/аудио фонового класса по запросу (фоновый трафик). Услуги этого вида включают в себя «скачивание» аудио- или ви­деофайлов, которые можно сохранить в абонентском терминале и проиграть позже;

•    электронные книги (фоновый трафик), где формат книг преобра­зован для чтения на маленьких дисплеях, и др.

Мобильные справки, к которым относятся финансовые извес­тия, спорт, погода, информация об автомобильных пробках, разные справочные услуги, в том числе, и удовлетворяющие запросы поль­зователей на основе сведений об их местонахождении. К примеру, абонент, едущий на автомобиле по незнакомому району, может за­просить информацию о ближайших бензозаправочных станциях.

В этом случае мобильная справочная служба предоставит ему адреса и карты, показывающие расположение ближайших запра­вочных станций. Получение такой информации может произво­диться через Web-браузер (интерактивный класс), в этом случае пользователи платят только за доступ к сети. Можно реализовать получение этой информацию и как услугу, на которую пользователи могут подписаться (фоновый класс).

Услуги на базе определения местонахождения пользо­вателя существенно шире примера с бензозаправочными стан­циями, приведенного выше. Прежде всего, на базе определения географического положения пользователя может быть организо­вано предоставление большого объема рекламы. Операторы, зная местонахождение пользователя и его персональные данные, могут получать значительный доход от адресной рекламы. Информация, предлагаемая в зависимости от местонахождения пользователя, может распространяться по его подписке или в качестве рекламных объявлений, которые оплачиваются рекламодателями.

Мобильная коммерция, включающая в себя мобильные бан­ковские, платежные финансовые операции, операции с наличными, мобильные покупки в торговых автоматах, магазинах, билетных кассах. К мобильной коммерции относятся любые проводимые по мобильной сети транзакции, имеющие денежное выражение, в связи с чем мобильные терминалы становятся так называемы­ми электронными кошельками. Пользователь может, к примеру, приобретать товары, стоимость которых будет вычитаться из его электронного кошелька (так называемые микроплатежи}, или, для дорогостоящих покупок, мобильный терминал абонента может ис­пользоваться для инициирования транзакций по кредитной карте с авторизацией PIN-кода, для чего у мобильного Оператора должны быть данные о кредитной карте этого абонента.

Оставим читателю возможность продолжать этот перечень даль­ше настолько, насколько это позволяет его фантазия, и напомним, что новые услуги СПС и алгоритмы их реализации являются, как правило, коммерческими тайнами Операторов мобильной связи. То же, что задумано как универсальная для всех Операторов мобиль­ной и фиксированной связи архитектура предоставления услуг, и есть уже упоминавшаяся IP Multimedia Subsystem (IMS) для услуг 3G. При этом задумана IMS настолько интересно и перспективно, что ей посвящена значительное место в лекции 20, завершающей часть 2.

В этой же лекции мы обсудим ниже целый набор чрезвычайно полезных и востребованных уже сегодня услуг, придуманных Опе­раторами мобильной связи на тернистом пути от 2G к 3G и объеди­ненных условным названием 2.5G.

 

17.2. Услуги сетей 2.5G и технология EDGE

 

К услугам 2.5G можно отнести доступ в Интернет через GPRS/ WAP, а также SMS и MMS, услуги загрузки популярных логотипов и мелодий звонков, «квазиинтерактивные» услуги, построенные на SMS; знакомства, запрос справочной информации и др.

Прежде всего, заметим, что термин 2.5G весьма условен, скеп­тики и энтузиасты тех или иных упомянутых здесь услуг и техноло­гий относят их кто K2.1G, кто K2.75G или даже к 2.9G. Первой такой технологией стала система с повышением скорости передачи дан­ных от 9,6 кбит/с, предоставляемых GSM, до 57,6 кбит/с с приме­нением технологии высокоскоростной передачи данных в режиме с коммутацией каналов HSCSD.

Следующая, более эффективная технология называется EDGE, что сначала расшифровывалось как Enhanced Data rates for GSM Evolution, а затем, в связи с ее распространением за пределы сетей GSM, - как Enhanced Data for Global Evolution, Эта система представляет собой обычную GSM с увеличенным числом битов на 1 Гц, то есть позволяющая передать больше битов в секунду в том же канале 200 кГц и TDMA с восемью временными каналами, об­суждавшийся в лекции 13. Это достигается, в первую очередь, за­меной схемы гауссовой модуляции с минимальным сдвигом GMSK {Gaussian Minimum Shift Keying), применяемой в радиоинтерфейсе GSM, 8-позиционной фазовой модуляцией 8-PSK (8 Phase Shift Keying).

В результате, EDGE теоретически может поддерживать скоро­сти до 384 кбит/с, что в три раза выше, чем в рассматриваемой в следующем разделе GPRS, хотя и не достигает возможностей 3G, которые обсуждались в предыдущей лекции. Тем не менее, вопрос о широкомасштабном внедрении EDGE является открытым, так как уже в сети 2.5G развернута несколько раньше пакетная сеть GPRS, позволяющая на базе существующей сети GSM обмениваться IP-пакетами по речевым радиоканалам.

Ниже мы рассмотрим работу GPRS несколько подробнее, но сразу предупредим, что поскольку система GPRS работает лишь как надстройка над существующей системой GSM (или D-AMPS, например), ее следует рассматривать как временное решение, т.е. как промежуточный вариант до развертывания обсуждавшейся на предыдущей лекции 3G, при которой надобность в GPRS постепен­но исчезнет.

 

17.3. Пакетная сеть GPRS

 

Услуги передачи данных в сетях GSM фазы 2G базировались на одиночных соединениях с коммутацией каналов со скоростью пере­дачи 9,6 кбит/с. Такая скорость передачи данных сегодня, при нали­чии Интернет, представляется удручающе низкой и ни в какой мере не отвечает современным требованиям. По этой причине начались работы в области стандартизации с целью повысить функциональ­ные возможности услуг передачи данных в сетях стандарта GSM. Результатом этой стандартизации стала спецификация пакетной радиослужбы GPRS (General Packet Radio Service).

Сеть GPRS (рис. 17.1} представляет собой сеть с коммутацией пакетов (домен PS), наложенную на существующую сеть GSM, и вводит два дополнительных узла, а именно шлюзовой узел GPRS (Gateway GPRS Support Node - GGSN) и обслуживающий узел GPRS (Serving GPRS Support Node - SGSN).

Узел SGSN выполняет функции аутентификации, авторизации, контроля доступа, сбора учетных данных о пользовании услугами для последующих расчетов за услуги связи, маршрутизации паке­тов и управления мобильностью. Таким образом, SGSN является аналогом MSC/VLR в домене с коммутацией каналов и выполняет эквивалентные функции в домене с коммутацией пакетов. Зона обслуживания SGSN делится на зоны маршрутизации RA (Routing Areas), которые аналогичны зонам местонахождения в домене с коммутацией каналов. Когда мобильный терминал перемещается из одной RA в другую, выполняется обновление зоны маршрутиза­ции, которое аналогично обновлению данных о местонахождении в домене с коммутацией каналов.

Однако есть одно отличие - мобильный терминал может выпол­нять обновление зоны маршрутизации во время продолжающегося сеанса передачи данных, который в терминах GPRS называется контекстом PDP (Packet Data Protocol). При оказании абоненту ус­луги передачи речи в домене с коммутацией каналов обновление данных об изменении зоны местонахождения осуществляется толь­ко по окончании соединения.

Интерфейс между SGSN и BSC обозначается Gb и использует протокол BSS GPRS protocol (BSSGP) для передачи информации сигнализации и управления, а также трафика данных пользователя к SGSN или от него. Кроме того, SGSN взаимодействует через интерфейс Gr с регистром HLR по протоколу MAP, расширенному для поддержки GPRS, о чем говорилось в лекции 14. Интерфейс Gr ис­пользуется SGSN для обеспечения обновлений в HLR информации о местонахождении абонентов GPRS и поиска связанной с GPRS информации об абоненте, который находится в зоне обслуживания SGSN.

В дополнение к этому SGSN может также взаимодействовать с MSC через интерфейс Gs с использованием протокола BSSAP поверх SCCP стека ОКС7 (лекция 4), который представляет собой модификацию подсистемы Base Station Subsystem Application Part (BSSAP), используемой между MSC и BSC при передачи речи. Назначение интерфейса Gs - обеспечивать координацию между MSC/VHR и SGSN для тех абонентов, которые поддерживают как услуги с коммутацией каналов, управляемые MSC/VLR (передача речи, например), так и услуги с коммутацией пакетов, управляемые SGSN.

SGSN взаимодействуете центром SMSC через интерфейс Gd {на рис. 17.1. не показан), что позволяет абонентам GPRS передавать и принимать короткие сообщения по сети GPRS. Интерфейс Gd использует также протокол MAP из лекции 14.

Каждый SGSN может взаимодействовать с одним или нескольки­ми узлами GGSN через интерфейсы Gn. Эти интерфейсы использу­ют протокол туннелирования GTP(GPRS Tunneling Protocol) на базе IP для передачи сигналов и данных пользователя. Узел SGSN может взаимодействовать с другими SGSN сети.

 

 

Интерфейс взаимодействия между SGSN также называется ин­терфейсом Gn и тоже использует GTP. Основная функция этого ин­терфейса - обеспечивать туннелирование пакетов от предыдущего SGSN к новому SGSN, когда имеет место обновление зоны марш­рутизации во время продолжающегося контекста PDP. Отметим, что такая пересылка пакетов от одного SGSN к другому происходит очень недолго - только на время, пока новый SGSN и GGSN уста­навливают контекст PDP непосредственно между собой, после чего предыдущий SGSN не участвует в соединении. Этот процесс отли­чается отхэндовера для вызова с коммутацией каналов, где первый MSC обслуживает соединение до его окончания.

Узел GGSN представляет собой шлюз, обеспечивающий взаи­модействие с IP-сетью, и в большинстве случаев входит в инфра­структуру сети Интернет-провайдера. Для взаимодействия GCSN с регистром HLR можно использовать интерфейс Gc. Этот интерфейс также применяет рассмотренный в лекции 14 протокол MAP.

Данный интерфейс обычно используют, когда GCSN должен оп­ределять SGSN, обслуживающий абонента, подобно тому, как шлю­зовой MSC (GMSC) запрашивает в HLR информацию маршрутиза­ции для речевого вызова к мобильному терминалу. Однако между сценариями имеется одно различие, а именно, сеанс передачи дан­ных обычно устанавливает мобильный терминал, а не внешняя сеть, и GGSN знает, какой SGSN обслуживает этот мобильный терминал, поскольку тракт от мобильного терминала к GGSN проходит через обслуживающий SGSN.

Узел GGSN запрашивает у HLR информацию о местонахождении мобильного терминала лишь в тех случаях, когда сеанс инициирует внешняя сеть передачи данных. Это - опциональная возможность, и Оператор сети может выбрать отмену ее поддержки, что и происхо­дит во многих сетях, где такая возможность не реализуется.

 

17.4. Высокоскоростная передача данных HSCSD

 

Основное различие между GPRS и услугой высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов HSCSD (High-Speed Circuit Switch Data) состоит в том, что HSCSD использует существующую сеть с коммутацией каналов, а для увеличения скорости передачи данных использует несколько временных каналов одновременно. Если каждый канал системы с коммутацией каналов может переда­вать данные со скоростью 9,6 кбит/с, то тогда шесть агрегирован­ных каналов могут обеспечить ту же скорость, что и большинство модемов, dial-up для проводных линий, т.е. 56 кбит/с.

 

 

17.5. Услуги WAP

 

Приложение Wireless Application Protocol (WAP) предоставляет мобильным абонентам возможность доступа в Интернет и является универсальным открытым стандартом беспроводных телефонов и PDA для доставки контента Интернет и других дополнительных услуг. Важно отметить, что хотя WAP позволяет пользователю пере­давать и принимать текст, это приложение и является технологией 2.5G для высокоскоростной беспроводной доставки данных.

 

17.6. Услуги SMS

 

Вряд ли среди читателей найдется кто-либо, не знакомый с по­нятием услуга коротких сообщений SMS {Short Message Service). По популярности она по праву может первой претендовать на статус killer application из всего, предоставляемого Операторами сетей 2G. Б конце лекции 13 уже обсуждалась сетевая архитектура SMS. Заметим, что источником короткого сообщения могут быть как мо­бильный терминал, так и компьютер, соединяющийся с центром обслуживания SMS через Интернет. Доставку сообщений от SMSC на мобильный терминал выполняет SMS-GMSC (Short Message Service - Gateway Mobile Switching Center), в то время как доставку сообщения от мобильных терминалов к SMSC обслуживает блок SMS-IWMSC (Short Message Service - Interworking Mobile Switching Center); об этих блоках говорилось в лекции 13.

Более подробно структура кадра SMS-сообщений, отправляе­мых с мобильного терминала и принимаемых мобильным термина­лом, описана в [10]. Здесь же, в развитие рассмотренной в лекции 14 сигнализации СПС, отметим, что продвижение SMS-сообщения, посланного от одного мобильного терминала к другому мобильно­му терминалу, требует значительного обмена сигнальной информа­цией в добавление к самому сообщению.

Задачу нарисовать сценарий обмена сигнальными сообщени­ями при передаче SMS от мобильного терминала А к мобильному терминалу Б, который сначала отключен, а потом включен и готов к приему этого короткого сообщения, оставим читателям в качестве упражнения к этой лекции. А здесь приведем лишь краткое описа­ние такого сценария.

Итак, сообщение SMS формируется мобильным терминалом А и попадает в центр обслуживания SMSC, который проверяет время жизни сообщения, его приоритет, а также добавляет к сообщению отметку времени и информирует функциональный блок SMS-GMSC о том, что сообщение необходимо доставить определенному мо­бильному терминалу Б. Блок SMS-GMSC запрашивает у HLR адрес MSC, в зоне обслуживания которого находится в текущий момент требуемый мобильный терминал MS-Б, а получив информацию с адресом MSC, SMS-GMSC с помощью сообщений подсистемы MAP посылает сообщение в этот MSC. В свою очередь, MSC оп­ределяет зону местонахождения MS-Б в своем регистре VLR, и SMS-сообщение доставляется абоненту по сигнальному каналу.

Если получатель SMS - мобильный терминал Б - находится вне зоны покрытия сети или выключен, соответствующая информация передается в HLR для установки флага, отмечающего, что для дан­ного абонента существует не доставленное SMS, и в SMSC, где сообщение хранится до тех пор, пока не будет доставлено или пока не сработает таймер, определяющий время хранения SMS.

 

17.7. Виртуальная домашняя среда VHE

 

Отметим также сформулированную в спецификациях 3GPP концепцию виртуальной домашней среды VHE (Virtual Ноте Environment), определяемую как возможность переноса персональ­ной среды абонентских услуг через границы между сетями и харак­теризующуюся общим механизмом доступа к услугам, средствами создания услуг и их восстановления в случае необходимости. Идея виртуальной домашней среды подразумевает персонализирован­ные услуги, персонализированные данные о пользователе и пос­тоянный набор услуг, независимых от местонахождения абонента в той или иной гостевой сети. Для реализации такой возможности, в частности, создана технология CAMEL.

 

17.8. CAMEL и протокол САР

 

В рамках осуществляемой 3GPP стратегии развития и модерни­зации GSM в направлении к UMTS добавлены и продолжают добав­ляться усовершенствования 2.5G.

Двумя наиболее существенными из таких усовершенствований являются рассмотренная выше служба GPRS и индивидуально заказываемые приложения для расширенной логики сетей под­вижной связи CAMEL (Customized Applications for Mobile Networks Enhanced Logic). С учетом материала седьмой лекции можно ска­зать, что CAMEL вносит в сеть GSM идеологию рассмотренной там Интеллектуальной сети, а также упомянутую в предыдущем разделе этой лекции идею виртуальной домашней среды. Внедрение CAMEL делает IN-подобные сетевые услуги прозрачными для пользовате­лей вне зависимости от их местонахождения.

Примером такой IN-подобной услуги в мобильной сети явля­ется доступ к речевой почте. Большинство сотовых сетей сейчас

предоставляют доступ к речевому почтовому ящику путем набора специального короткого кода (например, Мегафон использует но­мер 0525). Когда абонент перемещается по сотовой сети другого Оператора, он не имеет возможности пользоваться этими кодами. Проблему позволяет решить CAMEL, информируя обо всех вхо­дящих и исходящих вызовах абонента, подписавшегося на услуги CAMEL, через среду CAMEL-услуг CSE(CAMEL Service Environment). Обеспечивается это с помощью упоминавшегося в лекции 14 прикладного протокола CAP (CAMEL Application Part) стека ОКС7. Таким образом, в гостевую сеть, где временно находится абонент, передается информация о подписке на CAMEL-услуги SCI (CAMEL Subscription Information), т.е. сведения о тех услугах CAMEL, на ко­торые имеет подписку этот абонент.

 

17.9. Услуга Push-to-talk

 

Услуга Push-to-talk over Cellular (PoC) - это эмуляция работы обычной рации на сотовом телефоне,  когда абонент создает в своем терминале опцию для группы, тоже имеющей право поль­зоваться услугой РоС. Чтобы обеспечить полудуплексную радио­связь с ними, абоненту достаточно нажать кнопку Push. В отличие от обычной конференц-связи, в услуге Push-to-talk речь передается в пакетном режиме, что обходится абоненту дешевле, чем соеди­нение через традиционные сети с коммутацией каналов. К тому же, при push-to-talk известна информация о статусе абонентов в группе: Online, Away, Occupied и т.п. Таким образом, пользующийся этой услугой абонент знает не только всех, кто потенциально может его услышать, но и тех из них, кто в данный момент не готов с ним общаться.

Если сравнить РоС с соизмеримой по стоимости услугой пере­дачи мультимедийных сообщений MMS, то там знать о состоянии других абонентов невозможно. К тому же, обмен мультимедийны­ми сообщениями идет с существенной задержкой по сравнению с Push-to-talk: абонент сначала записывает речевое сообщение, затем передает его одному или нескольким абонентам, получа­тель, в свою очередь, сначала принимает сообщение целиком и только после этого может его прослушать. В случае же Push-to-talk задержки минимальны, они определяются лишь задержкой в сети передачи данных и в РоС-сервере, предоставляющем эту услугу. Практически сразу после нажатия абонентом кнопки Push его речь начинает передаваться всем получателям.

 

 

 

Лекция 18

 

Качество обслуживания в СПС

 

В фантастических романах главное - это было радио.

При нем ожидалось счастье человечества. Вот радио есть, а счастья нет.

Илья Ильф

 

18.1. Основные понятия

 

Теперь, когда количество проданных российскими Оператора­ми сотовой связи телефонных номеров превысило численность населения страны, мы узнали, что для счастья мало просто сото­вой связи. Для счастья эта связь, как минимум, должна быть еще и высококачественной. Чтобы осознать специфику проблем качества мобильной связи (и с учетом того, что мы узнали в лекции 8 про характеристики качества в ТфОП), читателю хорошо было бы попы­таться вспомнить, когда он последний раз снял телефонную трубку стационарного телефона и не услышал сигнал готовности к приему цифр номера. Нет сомнений, что подавляющее большинство не смогут вспомнить такую ситуацию.

В сетях подвижной связи дела обстоят несколько иначе. Разу­меется, есть естественные ограничения зоны приема радиосигна­ла от движущегося абонента СПС и к нему, но проблемы качества обслуживания в мобильной связи этим не ограничиваются. Прежде всего, следует сказать несколько слов об операторском классе и про пресловутые пять девяток в фиксированной телефонной связи. Количественно это связано с одной из старейших норм, сущест­вовавших еще в Технических условиях (ТУ) для декадно-шаговых АТС, а оттуда перекочевавшей в ТУ для следующих поколений узлов коммутации, - 2 часа простоя за 20 лет. Указанный в этом показате­ле срок 20 лет со времен ДШ АТС сократился с первоначально записанных там 40 лет, но надежностные критерии коммутационной техники операторского класса во все времена являлись основой телекоммуникационных сетей общего пользования и составляли все те же «пять девяток», т.е. коэффициент готовности 0,99999, что соответствует предельно допустимым 5,3 минутам простоя в год. Представляется полезным привести следующую табл. 18.1.

Соблюдение параметров последней строки табл. 18.1 связано с весьма простыми, но не всегда, к сожалению, выполняющимися правилами, состоящими в том, что:

•    когда вы набираете номер, соединение устанавливается в соот­ветствии именно с этим номером;

•    когда вы завершаете набор номера, телефон на противополож­ной стороне начинает звонить, а вы слышите сигнал «Контроль посылки вызова» (или, в худшем случае, зуммер «Занято») не позже чем через 2-3 секунды после окончания набора;

•    в состоявшемся после ответа вызванного абонента разговоре качество речи и, в частности, ее разборчивость соответствуют нормам ITU, без прослушивания эха, без ощутимых задержек и без посторонних шумов.

Разумеется, для перечисленных выше характеристик существу­ют многочисленные нормы, стандарты, рекомендации, методики расчетов и измерений, а в сегодняшних условиях конвергенции услуг и сетей связи - гораздо более многочисленные проблемы определения критериев и оценок, открытые для исследователей. Ниже в этой лекции мы только слегка коснемся этой чрезвычайно интересной проблематики качества обслуживания (QoS) пользователей мобильной телефонной связью.

 

 

 

 

18.2. Стандартизация качества обслуживания в СПС

 

В лекции 8 уже рассматривалось определение качества услуг связи QoS, данное в рекомендации ITU-T E.800. Согласно этому определению под качеством услуг мобильной связи QoS понима­ется суммарный эффект ряда параметров обслуживания, который определяет степень удовлетворения пользователя предоставлен­ным обслуживанием. За пределами этой книги оставлены админис­тративные составляющие системы обеспечения QoS, а основное внимание сосредоточено на определении характеристик качества услуг, установлении для них норм и доведении качества услуг до нормативных показателей.

В дополнение к Е.800, вопросы QoS составляют содержание рекомендации  Е.860  «Структура  соглашения  об  уровне  обслу­живания»,  рекомендации  ITU-T E.430 "Аспекты оценки качества обслуживания»,  рекомендации  ITU-T Y1514 «Параметры  работы сетей для предоставления услуг связи», рекомендации ITU-T Y1540 «Параметры качества переноса IP-пакетов», а также рекомендации ITU-T Y1541 «Нормы сетевых рабочих характеристик для услуг на основе протокола IP», о чем мы поговорим подробнее в лекции 28. Существенная работа по вопросам QoS ведется в ETSI, и в ее результате появились технические отчеты ETR 003, определяющий общие требования к качеству услуг связи, и ETR 138, определяю­щий многие показатели QoS для фиксированных сетей телефонной связи (количество жалоб на абонентскую линию за год, доля неус­пешных вызовов, время установления соединения, срок выполне­ния заказа установить телефон, доля таких заказов, выполненных в срок, время устранения неисправностей, доля неисправностей, устраненных в оговоренный срок). Для СПС эти показатели допол­нены набором параметров, учитывающих специфику мобильной связи и рассматриваемых далее в этой лекции. Эти показатели учитывают также математическую Е-модель расчета качества пере­даваемой речи, позволяющую принять во внимание субъективные оценки качества. Об этой методике мы еще поговорим в лекции 28. Разработки, выполненные 3GPP в области QoS, включают в себя 3GPP TS 23.107 - о концепции и архитектуре QoS в сети UMTS, a также 3GPP TS 29.208 - о качестве услуг в сквозном соединении между пользователями сети UMTS.

Для российских сетей подвижной связи разработан руководя­щий документ «Сети сотовой подвижной связи. Нормы для пока­зателей качества услуг связи и методики проведения их оценочных испытаний» от 1 января 2002 года. Среди оцениваемых согласно этому документу параметров: доля неуспешных вызовов в общем числе вызовов (до 5%), доля сеансов связи, закончившихся разъ­единением не по инициативе абонента (до 5%), доля вызовов с за­держкой сигнала контроля посылки вызова свыше 10 с (до 5%).

 

18.3.Критерии качества обслуживания в СПС

 

Рассмотрение качества услуг мобильной связи начнем с показа­теля качества доступа к СПС, который не зависит от требующейся услуги, будь то телефония, SMS или MMS. Речь идет о доступнос­ти сети NA (Network Accessibility) из рекомендации Е.800, которую в контексте стационарной сети ТфОП мы обсуждали в лекции 8. Для СПС под доступностью сети понимается вероятность того, что пользователю будет предоставлен доступ к услугам мобильной связи при наличии на дисплее его мобильного терминала соответс­твующего показания индикатора сети. В соответствии с работами вышеупомянутых международных организаций можно назвать сле­дующие критерии оценки качества услуг мобильной связи:

•    доступность сети, предполагающая доступ пользователя к до­машней или роуминговой сети с количеством неуспешных попы­ток, не превышающим заданную величину;

•    доступность услуги, описывающая возможность пользователя получить доступ к услуге,  предоставляемой Оператором  или контент-провайдером;

•    непрерывность услуги, отражающая завершенность предостав­ления услуги вплоть до ее прекращения пожеланию пользовате­ля, а не из-за сбоя в сети;

•    полноценность услуги, характеризующая качество услуги в про­цессе ее оказания.

 

18.4.  Показатели качества обслуживания в СПС

 

Показателям качества обслуживания трафика речи в СПС свойс­твенны особенности, которые объясняются двумя основными при­чинами. Во-первых, СПС, строго говоря, не представляет собой самостоятельную сеть связи. Она, в значительной мере, использу­ет ресурсы фиксированной ТфОП. Во-вторых, мобильность терми­нала, присущая СПС, требует учитывать ряд аспектов, которые не были существенны для фиксированной ТфОП и не рассматривались специалистами по качеству обслуживания.

На рис. 18.1 приведена модель телекоммуникационной систе­мы, уже обсуждавшаяся во вводной лекции. На рис.18.1 эта модель адаптирована к изучаемому объекту - сети подвижной связи.

Центры коммутации мобильной связи MSC включаются на зо­новом уровне и взаимодействуют с местными коммутационными станциями фиксированной телефонной сети и с АМТС фиксиро­ванной телефонной сети, включенными на зоновом уровне. Для организации междугородной и международной связи используются также транзитные междугородные/международные узлы связи.

Поэтому средства поддержки услуг целесообразно разделить на две группы. Первая группа представляет собой те средства поддерж­ки услуг, которые используются в ТфОП и доступны также абонентам СПС. Ко второй группе относятся те средства поддержки услуг, ко­торые создаются только для обслуживания абонентов СПС.

Упомянутые особенности систем связи с подвижными объекта­ми усложняют (иногда - очень заметно) нормирование показате­лей качества обслуживания и анализ ряда важных характеристик функционирования СПС. Поэтому проблемы, касающиеся качества обслуживания в СПС, сложнее аналогичных задач в ТфОП. Это ил­люстрируют табл. 18.2 и 18.3, содержащие примеры показателей качества СПС по изложенным в предыдущем разделе критериям.

Безусловно, мобильность терминала существенно усложняет обеспечение заданных показателей качества обслуживания. Мож­но привести внушительный перечень факторов, способных снизить качество связи в СПС по сравнению с ТфОП. В следующем разделе мы остановимся только на трех из них.

 

18.5. Особенности СПС с точки зрения качества обслуживания

 

В первую очередь, следует указать на сравнительно новую - для прикладной теории телетрафика - характеристику: интенсивность нагрузки, деленную на единицу площади. В технической литературе такая величина -Vs обычно измеряется в эрлангах на квадратный километр. Логично предположить, что величина Vs максимальна в центральной (деловой) части города и убывает по мере приближе­ния к окраинам - так называемым «спальным районам». Действи­тельно, общий тренд такой зависимости, показанный на рис. 18.2, имеет именно такой характер. Аргумент L - расстояние, определя­ющее удаленность от центральной части города.

 

Ступенчатой функцией Ys =f(L) показан пример реальной ситуа­ции в условном городе N. Овал, изображенный штрихпунктирной линией, указывает на одну из областей изменения величины L, для которой свойственны существенные ошибки в определении вели­чины Ys. Сложность планирования сети мобильной связи - в отли­чие от ТфОП - состоит в следующем.

Во-первых, до проведения измерений (т.е. до ввода сети в экс­плуатацию) сложно определить характер функции Ys – f(L)-

Во-вторых, эта функция подвержена краткосрочным (в течение суток) и долгосрочным (в течение нескольких лет) изменениям. Второй фактор связан с тем, что в некоторых случаях (активизация терминала после выключения, роуминг и ряд процедур, связанных с доступом к дополнительным услугам) возрастает количество операций, которые необходимо выполнить оборудованию сети для организации связи. Это может приводить к росту времени ус­тановления соединений, что, конечно, снижает уровень качества обслуживания в СПС. Решение возникающих задач достигается повышением пропускной способности СПС и производительности ее элементов. Кроме того, важным средством следует считать по­лучение более точных прогностических оценок спроса на услуги тех видов, предоставление которых связано с выполнением большого объема логических операций.

Третий фактор обусловлен необходимостью совместного ис­пользования двух разных подходов (и разного математического аппарата), ранее использовавшихся независимо. Речь идет о прин­ципах расчета пропускной способности сети, с одной стороны, и частотно-территориального планирования - с другой стороны. Констатация этого факта - только «вершина айсберга», исследо­ванию которого посвящен ряд монографий и статей российских и зарубежных ученых.

СПС, с точки зрения качества обслуживания, имеет одно важное преимущество перед сетями фиксированной связи. Допустим, что сеть фиксированной телефонной связи успешно установила со­единение в полном соответствии со всеми показателями качества обслуживания. Это не означает, что удастся поговорить именно с тем человеком, с которым необходимо обменяться информацией. Такая ситуация может иметь место, если соединение установлено с телефонным аппаратом в квартире,  где проживает несколько человек, или в офисе, в котором работает несколько сотрудников. Мобильный терминал, как правило, является персональным уст­ройством. Поэтому ответ вызываемого мобильного терминала с очень высокой вероятностью означает возможность разговора с нужным человеком. В результате снижается количество свойствен­ных ТфОП повторных попыток установления соединения, которые непроизводительно занимают ресурсы сети.  Цель установления соединения именно к требуемому пользователю была поставлена давно, до широкого распространения СПС. Международный союз электросвязи разработал концепцию универсальной персональной связи, предназначенной для установления соединений в сетях фик­сированной связи с тем абонентом, который действительно нужен. Однако только по мере развития СПС эта цель была достигнута на практике в полном объеме.

 

18.6. Инструментальные средства для оценки QoS

 

Существует несколько способов оценки качества обслуживания в СПС. Первыми такими способами являлись тесты в процессе перемещения. Команда исполнителей, которую организует Опера­тор, ездит по заранее заданным маршрутам в сети и периодичес­ки инициирует вызовы. Результаты (например, не состоявшийся хэндовер, плохая слышимость, прерванные соединения и т.п.) передаются из мобильных терминалов этой команды в специализи­рованный компьютер для статистической обработки. Этот вид из­мерений представляет качество сети наиболее близко к тому, с чем сталкиваются реальные абоненты. Однако недостаток этого метода состоит втом, что удается проверить только ограниченную область и небольшое временное окно, причем само тестирование стоит чрезвычайно дорого. Поэтому создаются разные измерительные приборы для оценки характеристик QoS, которые позволяют судить о качестве связи более или менее объективно и в реальном време­ни, используются анализаторы сигнализации класса SNTIite, кото­рые периодически подсоединяются к интерфейсам станций BTS, контроллеров BSC и центров коммутации MSC, а также имитаторы нагрузки класса АВИСТЕН и другая контрольно-измерительная аппаратура.

Весьма перспективными представляются методы, базирующие­ся на системах сетевого мониторинга класса СПАЙДЕР [17]. Пери­ферийные модули системы мониторинга подключаются к сетевому оборудованию СПС и путем удаленного доступа собирают данные для центра управления. Устанавливаемые в сетевых элементах сис­темы мониторинга разнообразные счетчики всевозможных собы­тий постоянно снабжают центр управления информацией о состоя­нии сети и о качестве обслуживания, которое она обеспечивает. Примерами таких подсчитываемых событий могут являться коли­чество входящих и исходящих хэндоверов; вызовы, прерванные до, во время и после ответа вызываемого абонента; вызовы, поте­рянные из-за отсутствия сетевых ресурсов. Важное преимущество результатов измерений с помощью системы мониторинга состоит в том, что обеспечивается информация о качестве всей сети, а не единичных станций BTS, контроллеров BSC или узлов MSC. Эта информация более объективна, так как она в наименьшей степени зависит от специфических особенностей тех или иных абонентов. Более того, в центр управления могут быть загружены эталонные файлы трассировки для статистической оценки. Если обнаруживаются проблемы, реальный и эталонный файлы трассировки можно анализировать более тщательно и даже вручную. Такое сочетание результатов измерения системой мониторинга, тестового обору­дования для анализа протоколов и самого дорогого -тестирования в движении - позволяет сделать квалифицированное и объектив­ное заключение о реальном качестве обслуживания QoS в сети подвижной связи.

 

 

 

Лекция 19

 

Задачи расчета СПС

 

В  любой науке столько истины, сколько в ней математики.

Иммануил Кант

 

19.1. Особенности расчета сетей СПС

 

Задачи расчета сетей подвижной связи, так же, как и сетей связи в целом, могут быть разделены, как отмечено в лекции 9, на топо­логические задачи, задачи оценки качества обслуживания и задачи, связанные с расчетом пропускной способности. Однако специфика подвижной связи ведет к определенным, весьма существенным особенностям в задачах расчета СПС.

Эти особенности связаны, в первую очередь, со свойствами ра­диоинтерфейса (на участке MS - BTS), определяемыми средой с ог­раниченным частотным ресурсом. Конечная полоса радиоспектра, выделяемого для передачи и приема, приводит к необходимости повторного использования частотных ресурсов (задача частотно-территориального планирования) и к применению перспективных методов модуляции и кодирования (задача повышения пропускной способности системы, отягощенная наличием радиоканала, и, следовательно, более низкой помехоустойчивостью, чем в проводных системах связи).

Что же касается оценки параметров качества обслуживания, в задачах расчета СПС функционируют два типа систем массового обслуживания: системы с потерями (например, система GSM для передачи речи} и системы с ожиданием (например, система GPRS с пакетной передачей данных).

В первом случае необходимо оценить вероятность потери вызо­ва, тогда как во втором - задержки и потери пакетов.

В этой лекции мы рассмотрим задачи, относящиеся к проблеме повторного использования частотного ресурса, к расчету емкости СПС и к оценке пропускной способности узла коммутации GPRS.

 

 

19.2. Повторное использование частот в СПС

 

Как уже отмечалось в предыдущих лекциях, посвященных СПС, основным принципом построения сотовых сетей связи является повторное использование частот.

Принцип повторного использования частот состоит в том, что в соседних (смежных) сотах системы подвижной связи используются разные полосы частот, а в не смежных сотах при достаточном уда­лении их друг от друга используемые полосы частот повторяются. Такой принцип позволяет при ограниченном частотном ресурсе, выделяемом Операторам СПС, охватить сотовой сетью сколь угод­но большую зону обслуживания при достаточном числе абонентов.

Распределение частот между базовыми станциями BTS является, одной из подзадач общей задачи частотно-территориального пла­нирования радиосети, включающей в себя также определение мест расположения BTS, выбор типа антенн и высоты их подвеса и определение мощности передатчиков.

В большинстве книг о сотовых сетях связи рассматривают­ся возможные подходы к решению задачи частотно-террито­риального планирования, однако решение этой задачи в пол­ном объеме представляет собой весьма сложную проблему и проводится с использованием специально разработанных паке­тов программ, являющихся собственностью фирм и не публикуе­мых в открытой печати. В этом параграфе мы рассмотрим только проблему повторного использования частот.

Введем понятие кластер для определения группы сот, в ко­торых используются  не совпадающие частотные  полосы  (или

частоты). Кластер характеризуется величиной ц, называемой коэффициентом повторного использования частот. На рис. 19.1 представлена схема размещения сот на обслуживаемой терри­тории для случая, когда параметр Т] равен 3 ячейкам.

Одинаковыми буквенными символами обозначены ячейки, в которых используются одинаковые полосы частот: (А, В, С). Общее число ячеек, которые используются в этом шаблоне, равно 9.

Из рисунка следует, что Г) - 3 является минимально возможным значением коэффициента повторного использования частот. При такой структуре кластера влияние сигналов одинаковых частот из соседних кластеров (явление соканальной интерференции) является максимальным.

Очевидно, что чем больше параметр Т|, тем реже повторяются используемые частоты. Таким образом, для снижения уровня соканальной интерференции расстояние между сотами с одинаковыми частотами в разных кластерах должно быть по возможности большим. С другой стороны, увеличение числа сот в одном кластере ведет к пропорциональному уменьшению частот, используемых в одной соте, и, как следствие, к уменьшению числа абонентов, обслуживаемых в одной соте.

На практике в городах и областях со сплошным сотовым покрытием применяют кластеры, где каждую соту делят на 3 сектора, используя антенны направленного излучения с шириной диаграммы направленности 120°.

Структура кластера с шаблоном 3/9 (три соты кластера делятся на 9 секторов, в каждом из которых используется неповторяющийся в кластере набор частот), показана на рис. 19.2. При проектировании СПС, кроме шаблона 3/9, используются стандартные шаблоны 4/12 и 7/21.

Базовые станции, в которых разрешено повторное использова­ние частот, удалены друг от друга на расстояние D, измеряемое между центрами шестиугольных ячеек и называемое защитным интервалом. Исходя из геометрических соображений, можно определить параметр D в следующем виде:

где R - радиус окружности, описанной вокруг правильного шес­тиугольника. Отношение  определяется как коэффициент уменьшения соканальных помех.

Каждой BTS выделяется набор из N каналов для обслуживания абонентов с шириной полосы частот каждого канала, равной Fk .

Тогда общая ширина полосы частот FΣ, занимаемая СПС, соста­вит:

Зная общую величину частотного диапазона, выделяемого для определенной сотовой сети, можно определить число каналов в соте:

 

19.3. Расчет емкости сети подвижной связи

 

Под емкостью сети подвижной связи подразумевается количест­во абонентов A которое сеть способна обслужить при заданных:

•    вероятности потерь Ploss (вероятность отказа в установлении соединения);

•    числе физических каналов на соту N;

•    числе сот М на территории покрытия.

В системе GSM речь передается в режиме коммутации каналов, поэтому вероятность потерь оценивается в соответствии с В-формулой Эрланга, рассмотренной в лекции 9. Вероятность потерь Ploss  в сети GSM обычно задается в пределах от 0,01 до 0,05.

Задача расчета емкости системы сотовой связи решается в следующем порядке.

1. Зная число каналов на соту, можно определить из таблицы для В-формулы Эрланга допустимое значение интенсивности трафика Yс в Эрлангах, обслуживаемого в соте при заданной вероятности  Ploss

2.  Интенсивность нагрузки одного абонента Yi оценивается в период наибольшей нагрузки при известных средней длительности одного  занятия  и  количестве  вызовов.   Этот  параметр  обычно известен при расчетах нагрузки и его величина на начальных этапах развития сетей подвижной связи принимается равной 0, 015 эрл.

3. Количество абонентов, которые могут быть обслужены водной соте, оценивается отношением следующего вида:

4. Количество абонентов A, которые могут быть обслужены всей совокупностью М сот (при условии их равномерной загрузки} рав­но:

 

 

19.4. Оценка пропускной способности транспортной сети в GPRS

 

Расчет пропускной способности транспортной сети GPRS (домена PS) определяется требованиями к показателям качества обслуживания, в частности, к величине задержки.

Система GPRS, как и любая сеть связи, моделируется системой массового обслуживания (СМО), и при расчете пропускной способности используются формулы, соответствующие выбранной модели. Поскольку система GPRS использует режим коммутации пакетов, для моделирования такой системы применяются системы с очередями.

Системы с очередями более детально рассматриваются в лекции 29, а здесь мы воспользуемся готовыми результатами для этих систем и применим их для оценки пропускной способности при условии, что среднее время задержки в транспортной сети не превысит допустимое значение.

Используя статистические данные о характере потоков в транспортной сети GPRS и приняв вполне разумные предположения о размере памяти в узлах системы GPRS, мы используем для моделирования коммутатора GPRS систему M/G/1 (пуассоновский поток на входе, общий вид распределения, времени обслуживания, один обслуживающий прибор, бесконечный размер буфера).

Средняя задержка протокольного блока в такой системе рассчитывается по формуле Хинчина-Полячека, к которой мы вернемся в параграфе 29.2:

Предположим, что на вход коммутатора GPRS поступает пуассоновский поток, время обслуживания распределено по экспоненциальному закону, память бесконечна и используется один выходной канал (система массового обслуживания М/М/1). В этом случае, с учетом значений квадратичного коэффициента вариации, приведенных в табл. 19.1, выражение (19.6} принимает следующий вид:

Для точного расчета скорости передачи из уравнения (19.6), кроме интенсивности А. {в числе протокольных блоков в единицу времени) и средней длины протокольного блока (в битах на блок), необходимо знать величину квадратичного коэффициента С2S распределения длин блоков, а также нормы средней задержки.

В табл. 19.1 приведены средние значения задержек трех классов обслуживания, различающихся приоритетом (взяты из стандартов ETSI для системы GPRS).

 

В табл. 19.1 определено 3 класса задержки в зависимости от норм для задержки и от длины пакета.

Наивысший приоритет имеет Класс 1, нормальный приоритет – Класс 2, наименьший – Класс 3. Имеется также Класс 4, не показанный в таблице.

В Классе 4 задержки не определены, поскольку обслуживание пакетов этого класса производится по принципу best effort (принцип «наилучшей попытки»).

Значения интенсивности поступления пакетов λ могут быть выбраны на основе статистических исследований. Как показывает статистика, число пакетов, поступающих в единицу времени на вход коммутатора GPRS, может меняться в широких пределах от сотен пакетов/с во входных узлах до нескольких тысяч пакетов/с в магистральных узлах.

В табл. 19.2 приведены значения скорости передачи, которые могут быть реализованы на выходе коммутатора GPRS в зависимости от его места в сети.

В обслуживающих узлах GPRS (SGSN) могут быть использованы тракты Е1 плезиохронной цифровой иерархии со скоростью передачи 2,048 Мбит/с, тогда как в магистральных узлах GGSN, где агрегируется нагрузка большого числа источников пакетного трафика, могут использоваться системы STM синхронной цифровой иерархии.

 

 

Лекция 20

 

Перспективы развития СПС

 

Господи, в интимном разговоре

дерзкие прости мои слова,

сладость утопических теорий –

пробуй ты на авторах сперва.

И. Губерман

 

20.1. Перспективы сетей подвижной связи

 

Жаль, что приведенный в эпиграфе совет Губермана не ус­лышали соискатели первых лицензий на сети 3G. Тогда меньше было бы потрачено денег и напечатано текстов с восхвалениями видеоконференц-связи на бегу. Но все же, происходящий у нас на глазах лавинообразный рост численности пользователей мобиль­ной связью заставляет более серьезно относиться к кажущемуся утопическим прогнозу развития операторской сети подвижной связи Японии на ближайшее будущее, сделанному Кейджи Тачикава - президентом японской сотовой компании DoCoMo - еще на выставке «Телеком-2003» в Женеве. Его прогноз приведен в табл. 20.1.

Этот прогноз, помимо фантастического количественного роста, иллюстрирует также движение от эры коммуникаций "человек - че­ловек» к эре «человек - машина» и даже «машина - машина».

Грандиозность этих новых возможностей обусловлена тем, что в настоящее время планету населяют миллиарды людей, а количест­во микропроцессоров уже составляет десятки миллиардов. Сегод­ня никого не удивляет чип мобильной связи, встроенный в систему охраны автомобиля, завтра не будет удивлять такой же чип, вшитый в ошейник любимой собаки, или обмен данными вашего мобиль­ного телефона с домашним холодильником во время посещения универсама.

Технические устройства обладают все большими интеллекту­альными возможностями, а одним из свойств интеллектуальности является способность участвовать в коммуникациях. Поскольку мир устройств с возможностями коммуникации разрастается, растет и объем трафика между ними.

По прогнозам авторов сегодняшние разработки приведут к тому, что завтра большая часть трафика будет создаваться меж­машинными коммуникациями, а традиционные коммуникации «человек-человек» составят лишь небольшую часть сетевого тра­фика. Разумеется, та же тенденция имеет место и в фиксированной сети телефонной связи, рассмотренной в первых десяти главах этой книги. И в еще большей степени - в компьютерных сетях, кото­рым посвящены следующие десять лекций части 3.

С учетом того, что скорость передачи данных в фиксированных сетях превышает возможности сотовой связи практически на по­рядок, вполне возможно следующее развитие событий. Именно через ТфОП (часть 1) в скором времени уже не люди, проживающие в квартире, а их домашний холодильник сам позвонит в центр сер­висного обслуживания, или свяжется с этим центром через сеть передачи данных (часть 3), сообщит так или иначе о своих техни­ческих проблемах, и решит эти проблемы с помощью Web-агента центра задолго до того, как кто-то из людей вообще заметит, что что-то не в порядке.

Что же касается долгосрочных перспектив СПС (часть 2), то именно совместное использование ресурсов сетей мобильной и фиксированной связи является ключевой концепцией современно го этапа конвергенции FMC, о чем говорилось во вводной лекции и показано в ней на выделенной части рис. 0.2.

С учетом этого процесса конвергенции в будущем мобильная связь в рамках FMC будет продолжать эффективно дополняться технологиями беспроводного широкополосного доступа Wi-Fi и WiMAX, обеспечивающими высокоскоростной доступ в Интернет при меньших мобильности и дальности. Непосредственно эволю­ции технологий мобильной связи посвящен следующий раздел.

 

20.2. Эволюция технологий СПС

 

Продолжая высказанную выше мысль о приоритетности услуг пе­редачи данных в процессе развития мобильной связи, рассмотрим эволюцию технологий СПС {в том числе тех, что были освещены в предыдущих девяти лекциях части 2), отметив на логарифмической шкале поддерживаемые ими скорости передачи - рис. 20.1.

 

На этом рисунке отмечены годы начала внедрения той или иной технологии, но отнюдь не ее конца. Авторы полагают, что успешно функционирующая сегодня GSM доживет примерно до 2020 года, что параллельно с ней будет развиваться UMTS, что возможности GSM/UMTS в условиях ограниченной мобильности будут расши­ряться технологиями Wi-Fi и WiMAX.

В 2011 году ожидаются первые шаги коммерческой эксплуа­тации сетей на основе технологий с многообещающим наимено­ванием WE (Long-Term Evolution), которые позволят обеспечить скорость передачи данных от 100 и до 300 Мбит/с.

 

20.3. Технологии 4G

 

Предпосылки мобильных сетей четвертого поколения бази­руются на бесшовной интеграции широкополосного беспро­водного доступа и глобальной мобильности. Предвестниками 4G можно считать представленные на рис. 20.1 системы с мно­гоканальными входами/выходами MIMO (Multiple Input Multiple Output) и другие средства, позволяющие развивать возможнос­ти мобильной связи. Что касается радиоинтерфейсов, то здесь перспективной представляется технология множественного до­ступа с ортогональным частотным разделением каналов OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiple Access), обладающая устойчивостью к ухудшению таких характеристик каналов, как, например, затухание. Для бесшовной интеграции в 4G разрабо­тана технология программно-определяемого радиооборудования SDR (Software-Defined Radio), позволяющая работать с нескольки­ми методами модуляции, скачкообразной перестройкой частоты, безопасностью связи, роумингом и услугами широкополосной мобильной связи. Кроме того, партнерство 3GPP утвердило стан­дарт LTEb качестве 4-го поколения сотовой подвижной радиосвязи. Согласно международному регламенту, для LTE выделено 2 полосы частот. Одна из них совпадает с полосой для сетей иМТЗ-2Ггц, вто­рая полоса должна быть расположена в диапазоне 760-870 МГц.

Для более глубокого изучения перспектив СПС рекомендует­ся статья [19], где рассматриваются не только перспективы, но и естественные ограничения мобильной связи. О последнем в этой лекции почти ничего не говорится, хотя читателю, наблюдающему сегодняшний бурный рост этой индустрии, не вредно напомнить известные еще из школьного курса физики вещи: ограниченность частотного ресурса, уменьшение дальности распространения ра­диоволн с увеличением частоты (а следовательно, сокращение раз­мера сот и увеличение количества хэндоверов), эффект Доплера, наконец. Там же, впрочем, приводятся и некоторые обсуждающи­еся сегодня идеи преодоления этих физических ограничений, способные поддержать энтузиазм читателя относительно перспектив СПС.

Здесь же заметим, что в отличие от рассмотренных в преды­дущих лекциях поколений 1G, 2G, 3G перспективное поколение 4G не связывается с какой-то одной определенной технологией и рассматривается как технологически независимое. Более того, вы шеизложенное демонстрирует 4G как некую конвергенцию «чисто мобильных» технологий типа OFDM и SDR и широкополосных техно­логий Wi-Fi и WiMAX с весьма ограниченной мобильностью. Кстати, экспериментальной сетью на базе WiMAX в Санкт-Петербурге авторы уже успешно пользовались при работе над этой книгой.

В преддверии начинающейся со следующей лекции части 3, посвященной сетям передачи данных, к этому следует добавить еще одно принципиальное отличие сетей 4G от 3G: технология 4G полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G все еще соединяет в себе коммутацию каналов и коммутацию пакетов.

На этой оптимистической ноте мы завершим более чем краткий обзор перспективных транспортных технологий СПС и перейдем к не менее важной теме - перспективам услуг СПС, что было обеща­но еще в лекции 17.

 

20.4. Концепция IMS

 

Важнейшей концепцией перспективных сетей мобильной связи, равно как и находящихся в процессе конвергенции с ними сетей фиксированной связи, является уже упоминавшаяся концепция IMS. Сама эта концепция появилась на основе весьма перспектив­ной (и, в отличие от сказанного в эпиграфе, совсем не утопической) теории декомпозиции, предложившей физически разделить функ­ции управления обслуживанием вызова и функции установления и поддержания сеанса связи. Элементы декомпозиции были видны не только в процессе эволюции поколений 1G, 2G, 3G мобильной связи в предыдущих лекциях этой части, но и при рассмотрении в лекциях части 1 этапов узкополосных цифровых сетей интегрально­го обслуживания (ISDN), Интеллектуальной сети (IN), широкополос­ных сетей ISDN (B-ISDN) и гибких коммутаторов Softswitch. Естест­венным продолжением этой работы и стала концепция подсистемы мультимедийных услуг на базе IP - IMS (IP Multimedia Subsystem), описывающая новую сетевую архитектуру, основным элементом которой является пакетная транспортная сеть, поддерживающая все возможные технологии доступа и обеспечивающая реализацию практически неограниченного числа новых инфокоммуникационных услуг.

Как уже упоминалось в лекции 16, эта концепция изначально раз­рабатывалась 3GPP применительно к построению сети подвижной связи 3G, полностью базирующейся на протоколе IP и названной All-IP, но, в силу трудоемкости задачи, ее решение была разбито на Rel'4 и Rel'5. Описанный в параграфе 16.5 релиз 4 был закончен без введения концепции IMS, а его основными нововведениями стали эволюция домена коммутации каналов в направлении разде­ления транспорта и управления. Таким образом, уже в Rel'4 сделан первый шаг в декомпозиции монолитного MSC на функции транс­портного шлюза, которые выполняет медиашлюз MGW, и функции управления обслуживанием вызовов с поддержкой мобильности, возложенные на MSC Server. Это обсуждалось в лекции 16 и иллюс­трируется там рис.16.3.

В релизе 5 функции MSC подразделяются на два основных фун­кциональных объекта: Call Session Control Function (CSCF) содержит все функции, относящиеся к управлению состояниями сеансов связи, a Media Gateway Control Functions (MGCF) включает в себя функции, необходимые для управления медиашлюзами. В этом же релизе была впервые представлена концепция IMS. Там была сформулирована основная цель новой концепции - поддержка мультимедийных услуг в мобильных сетях на базе протокола IP -и были специфицированы механизмы взаимодействия мобильных сетей 3G с беспроводными сетями Wi-Fi и WiMAX, базирующиеся на архитектуре IMS.

Архитектура сетей 3G в соответствии с концепцией IMS имеет несколько уровней (плоскостей) с разделением по плоскостям медиашлюзов и доступа, управления и приложений.

Подсистема IMS становится полностью независимой от техно­логий доступа и должна обеспечивать взаимодействие со всеми существующими сетями - мобильными и фиксированными, теле­фонными, компьютерными и т.д. В релизе 5 работа над IMS не была закончена: были лишь проработаны основные моменты и намечены пути развития в направлении к релизу 6. И все же, в Rel'5 была со­здана полностью базирующаяся на IP архитектура IMS, определены ее сетевые элементы и интерфейсы между ними, а также функции начисления платы.

Rel'6 был призван ликвидировать возможные недоработки Rel'5 и добавить несколько новых функций. В документе 3GPP Rel'6 (де­кабрь 2003 г.) ряд положений концепции IMS был уточнен; были до­бавлены вопросы взаимодействия с беспроводными локальными сетями и защиты информации (использование ключей, абонентских сертификатов).

Rel'7 концепции IMS разрабатывается уже совместно с коми­тетом TISPAN (Telecommunications and Internet converged Services and Protocols for Advanced Networking), ETSI, благодаря чему в нем рассматривается взаимодействие мобильных и фиксированных сетей, т.е. сделан первый реальный шаг в направлении конвергенции этих сетей. Проект TISPAN появился в сентябре 2003 года как ре­зультат слияния проекта SPAN (Services and Protocols for Advanced Networking) и упоминавшегося выше проекта TIPHON.

Спецификация Rel'7 добавляет две основные функции, которые являются ключевыми в фиксированных сетях:

•    функция Network Attachment, которая обеспечивает механизм аутентификации   абонентов   и   необходима   в  фиксированных сетях, поскольку в них отсутствуют SIM-карты идентификации пользователя;

•    функция Resource Admission, резервирующая сетевые ресурсы в фиксированных сетях для обеспечения сеансов связи.

 

20.5. Архитектура IMS

 

По существу, IMS возникла, когда область управления муль­тимедийными сеансами на базе протокола SIP была добавлена к архитектуре сетей 3G. Среди основных свойств архитектуры IMS (рис. 20.2) выделим следующие:

•    многоуровневая архитектура сети,  которая разделяет уровни транспорта (медиашлюзов и доступа), управления и приложе­ний;

•    независимость от среды доступа, которая позволяет Операто­рам и сервис-провайдерам осуществлять конвергенцию фикси­рованных и мобильных сетей;

•    поддержка мультимедийного персонального обмена информа­цией в реальном времени (например, речь, видеотелефония} и аналогичного обмена информацией между людьми и компьюте­рами;

•    полная интеграция мультимедийных приложений реального и не реального времени (например, потоковые приложения и чаты);

•    возможность взаимодействия услуг разных видов (например, услуг присутствия Presence или обмена мгновенными сообще­ниями Instant Messaging);

•    возможность организации нескольких услуг в одном сеансе или организации нескольких одновременных синхронизированных сеансов.

Термин «подсистема» (subsystem) в названии концепции IMS (a название концепции переведено здесь как под сие тема IP-ориенти­рованных мультимедийных услуг) можно трактовать как название части сети, элементы которой расположены на плоскости управления между плоскостью медиашлюзов и доступа и плоскостью приложений.

На рис. 20.2 показана сеть, имеющая трехуровневую архитекту­ру, которая включает в себя три плоскости - плоскость медиашлюзов и доступа, плоскость управления и плоскость услуг. Подсистема мультимедийной связи расположена в плоскости управления, кото­рая является основной в архитектуре IMS. На этом рисунке показа­ны также основные элементы платформы IMS, которые определя­ются не как устройства (что характерно для традиционных сетей), а как логические функции.

Для IMS разработана многоуровневая архитектура с разделе­нием транспорта для переноса трафика и сигнальной сети IMS для управления сеансами. Таким образом, 3GPP при разработке IMS фактически продолжил начатый в Rel'4 перенос на мобильные сети основной идеологии Softswitch.

Хотя некоторые функции IMS не всегда легко отнести к той или иной плоскости, но такой подход обеспечивает минимальную зави­симость между плоскостями и, к тому же, облегчает авторам задачу рассмотрения архитектуры IMS в этой книге.

Еще раз подчеркнем, что IMS специфицирует не узлы сети, а функции, соединенные стандартными интерфейсами. Разработ­чики вправе объединить несколько функций в одном физическом объекте или, наоборот, реализовать одну функцию распределенно, однако чаще всего физическую архитектуру ставят в соответствие функциональной и реализуют каждую функцию в отдельном узле.

 

20.6. Плоскость управления IMS

 

Новым ключевым элементом в архитектуре IMS является фун­кция управления сеансами связи (Call Session Control Function, CSCF). Функция CSCF является основной функцией на плоскости управления IMS-платформы. Модуль CSCF, используя протокол SIP, выполняет функции, обеспечивающие доставку множества ус­луг реального времени с использованием транспорта IP. Функция CSCF использует динамическую информацию для эффективного управления сетевыми ресурсами (пограничные устройства, шлюзы и серверы приложений) в зависимости от профиля пользователей и приложений. Модуль CSCF включает в свой состав три основные функции (рис. 20.2):

•    Serving CSCF (S-CSCF)

•    Proxy CSCF (P-CSCF)

•    Interrogating CSCF (I-CSCF)

Функция S-CSCF обеспечивает управление сеансами достав­ки мультимедийных сообщений с использованием транспорта IP, включая регистрацию терминалов, двухстороннее взаимодействие с сервером HSS (получение от него пользовательских данных), ана­лиз сообщения, маршрутизацию, управление сетевыми ресурсами (шлюзами, серверами, пограничными устройствами) в зависимос­ти от приложений и от профиля пользователя.

функция P-CSCF создает первую контактную точку внутри ядра IMS для терминалов IMS данной сети. Функция P-CSCF принима­ет запрос от терминала или к терминалу и маршрутизирует его к элементам ядра IMS. Обслуживаемый терминал пользователя за­крепляется за функцией P-CSCF при регистрации в этой сети на все время регистрации. Модуль P-CSCF реализует функции, связанные с аутентификацией пользователя, формирует учетные записи и пе­редает их в сервер начисления платы.

Одним из элементов модуля P-CSCF является Policy Decision Function (PDF) - функция выбора политики, оперирующая с харак­теристиками трафика, такими как требуемая для его обслуживания пропускная способность, параметры ограничения поступающего трафика и т.д.

Функция I-CSCF создает первую контактную точку внутри ядра IMS для всех внешних соединений с абонентами данной сети или с абонентами из других сетей, временно находящимися в данной сети. Основная задача модуля I-CSCF- идентификация запрашива­емых внешними абонентами услуг, выбор соответствующего серве­ра приложений и обеспечение доступа к этому серверу.

Еще один ключевой элемент архитектуры IMS - сервер HSS (Ноте Subscriber Server). По сути, HSS представляет собой цен­трализованное хранилище информации об абонентах и услугах и является эволюционным развитием HLR и АиС, рассмотренных в предыдущих лекциях этой части. В HSS хранится вся информация, которая может понадобиться при установлении мультимедийного сеанса: информация о местонахождении пользователя, инфор­мация для обеспечения безопасности (аутентификация и автори­зация), информация о пользовательских профилях, об обслужи­вающей пользователя S-CSCF и о триггерных точках обращения к услугам.

Взаимодействие сервера HSS с другими элементами платфор­мы IMS показано на рис. 20.3. Платформа IMS является первой стандартной архитектурой, которая поддерживает открытые интер­фейсы ко всем данным абонента. Наличие открытых интерфейсов позволяет разным серверам приложений совместно использовать информацию об абоненте, например, такую как статус присутствия.

Введение сервера HSS является основным отличием архитекту­ры IMS от более ранних вариантов архитектуры предоставления ус­луг СПС. Именно этот сервер создает возможности развертывания новых услуг на базе архитектуры IMS.

Сеть может содержать более одного HSS в том случае, если ко­личество абонентов слишком велико, чтобы поддерживаться одним HSS. Такая сеть, наряду с несколькими HSS, должна будет иметь в своем составе функцию SLF (Subscriber Location Function), пред­ставляющую собой простую базу данных, которая хранит данные о соответствии информации HSS адресам пользователей.

Узел, передавший к SLF запрос с адресом пользователя, полу­чает от нее сведения о том HSS, который содержит информацию об этом пользователе. Как HSS, так и SLF используют для взаимодейс­твия с прочими элементами IMS протокол Diameter.

Еще два функциональных модуля на плоскости управления обеспечивают управление мультимедийными информационными потоками.

Первый из этих модулей - процессор мультимедийных ресурсов MSFP (Multimedia Resource Function Processor) - выполняет группу функций, необходимых для поддержки мультимедийных сеансов, в том числе конфигурирование ресурсов, смешивание разных медиа-потоков (например, от нескольких абонентов), генерацию мульти­медийных объявлений, обработку мультимедийных потоков.

Второй, связанный с первым, модуль MSFC (Media Resource Function Controller) - контроллер функции мультимедийных ресур­сов - анализирует информацию, приходящую из AS и S-CSCF, и, соответственно, управляет информационными потоками в MSFP

Функция BGCF (Breakout Gateway Control Function) - функция управления шлюзами - управляет пересылкой вызовов между до­меном коммутации каналов (ТфОП или СПС) и сетью IMS.

Этот модуль осуществляет маршрутизацию на основе телефон­ных номеров и выбирает шлюз в домене коммутации каналов (CS), через который сеть IMS (где расположен сервер BGCF) будет взаи­модействовать с сетями ТфОП или GSM. Здесь же производится ге­нерация соответствующих учетных записей для начисления платы абонентам сетей с CS.

Функция MGCF (Media Gateway Control Function) - функция уп­равления шлюзами, обеспечивает преобразование протокола ISUP и протоколов управления соединениями в подсистеме IMS.

Кроме того, этот модуль обеспечивает управление соединения­ми в шлюзах IMS, которые терминируют потоки из доменов CS nPS.

Функция IBCF {Interconnect Border Control Function) обеспечи­вает полную управляемость на границе между сетями разных про­вайдеров. Она выполняет согласование IPv4 и IPv6, может, в случае необходимости, обращаться кфункции IWF, может управлять досту­пом и назначать полосу пропускания в соответствии с собственной политикой, или обращаясь к подсистеме RACS.

Функция IWF (Inter-Working Function) обеспечивает взаимодейс­твие протокола SIP сети IMS с сигнальными протоколами IP-сетей других провайдеров, такими как Н.323 или другие реализации SIP.

Функция I-BGF (Interconnect Border Gateway Function) управляет передачей данных 3 и 4 уровней через границу сетей разных про­вайдеров. Эта функция играет роль межсетевого экрана, защищает ядро сети провайдера, фильтруя пакеты на основании информации плоскости медиашлюзов и доступа. Опциональными возможностя­ми I-BGF являются: маркировка трафика в целях обеспечения QoS, политика управления шириной полосы пропускания и объемом сигнальной информации, измерение нагрузки ресурсов и опреде­ление параметров QoS.

В заключение рассмотрим MRF (Media Resource Function), явля­ющуюся источником медиаинформации в домашней сети и позво­ляющую воспроизводить разные приветствия и объявления, сме­шивать медиапотоки, транскодировать битовые потоки кодеков, получать статистические данные и анализировать медиаинформа-цию. Функция MRF делится на две части:

•    MRFC - Media Resource Function Controller

•    MRFP - Media Resource Function Processor

MRFC взаимодействует с S-CSCF по протоколу SIP. Исполь­зуя полученные инструкции, MRFC управляет по протоколу MEGACO/H.248 процессором MRFP, находящимся на плоскости ме­диашлюзов и доступа, а тот выполняет все манипуляции с медиа-информацией. Сама MRF всегда находится в домашней сети.

 

20.7. Плоскость приложений (услуг)

 

Верхний уровень эталонной архитектуры IMS содержит набор серверов приложений, которые, в принципе, не являются элемен­тами IMS. Эти элементы верхней плоскости включают в свой состав как мультимедийные IP-приложения, базирующиеся на протоколе SIR так и приложения, реализуемые в мобильных сетях на базе вир­туальной домашней среды.

Еще один элемент плоскости приложений - сервис-брокер SCIM (Service Capability Interaction Manager), обеспечивающий управле­ние взаимодействием плоскости приложений и ядра IMS.

Серверы приложений могут быть очень разными, но в IMS приня­то выделять три типа серверов:

•    SIP AS (SIP Application Server) - классический сервер приложе­ний, предоставляющий мультимедийные услуги на базе прото­кола SIP;

•    OSA-SCS {Open Service Access - Service Capability Server) предо­ставляет интерфейс к серверу приложений OSA и функциониру­ет как сервер приложений со стороны S-CSCF и как интерфейс между сервером приложений OSA и OSA API - с другой стороны;

•    IM-SSF (IP Multimedia Service Switching Function) позволяет ис­пользовать в IMS услуги CAMEL, разработанные для сетей GSM, а также позволяет управляющей функции gsmSCF (GSM Service Control Function) управлять IMS-сеансом. Co стороны S-CSCF сервер IM-SSF функционирует как сервер приложений, а с дру­гой стороны - как функция SSF(Service Switching Function), кото­рая взаимодействует с gsmSCF по протоколу CAR упоминавше­муся в лекции 17.

Помимо обязательного для всех серверов приложений SIP-ин-терфейса со стороны IMS, они могут также иметь интерфейсы к HSS, причем SIP AS и OSA-SCS взаимодействуют с HSS по про­токолу Diameter для получения данных о пользователе или для обновления этих данных в HSS, а информационный обмен между IM SSF и HSS ведется по протоколу MAR рассмотренному в лекции 14.

Серверы приложений могут находиться либо в домашней, либо в любой другой сети, с которой у провайдера есть сервисное со­глашение, но в последнем случае прямого интерфейса с HSS не предусматривается.