Подсистема базовых станций
Структура GSM
Система GSM состоит из трех основных подсистем:
— подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem),
— подсистема коммутации (NSS – Network Switching Subsystem),
— центр технического обслуживания (OMC – Operation and Maintenance Centre).
— В отдельный класс оборудования GSM выделены терминальные устройства – подвижные станции (MS – Mobile Station), также известные, как мобильные (сотовые) телефоны.
Базовая станция (BTS) обеспечивает прием/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.
Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очередностью соединений, скоростью передачи данных и распределение радиоканалов.
Подсистема коммутации NSS построена из следующих компонентов:
Центр коммутации (MSC – Mobile Switching Centre)
MSC контролирует определенную географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП, другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячейки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает данные по нему и передает их в центр расчетов для формирования счета за предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае ее вызова.
Домашний реестр местоположения (HLR – Home Location Registry)
Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI – International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC). Каждый абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все MSC и VLR в данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга – и MSC других сетей.
Гостевой реестр местоположения (VLR – Visitor Location Registry)
VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM – так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.
Реестр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Registry)
Содержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и черный (MS, запрещенные к применению). У Российских операторов используются только белые списки. [ источник? ]
Центр аутентификации (AUC – Authentification Centre)
Здесь производится аутентификация абонента, а точнее – SIM (Subscriber Identity Module). Доступ к сети разрешается только после прохождения SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC на MS приходит открытый ключ, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование уникального для данной SIM ключа аутентификации при помощи уникального же алгоритма. Затем с MS и AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики» – SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается успешной.
4.2.2 Подсистема базовых станций
Оборудование подсистемы базовых станций BSS включает в себя один контроллер базовых станций BSC (Base Stations Controller) и, собственно, несколько базовых приёмопередающих станций BTS (Base Transceiver Station), управляемых этим контроллером. Каждая BTS размещается приблизительно в центре своей ячейки. Оборудование BSS находится в прямом контакте с мобильной станцией через радио-интерфейс, существующий между MS и BTS. Между BSC и каждой, включённой в него, BTS образован специализированный интерфейс Abis.
Оборудование радио–интерфейса обеспечивает передачу и приём речи и данных по радиоканалу. В то же время контроллеры базовых станций BSC соединены с мобильным центром коммутации MSC (Mobile Switching Centre) сетевой подсистемы NSS посредством интерфейса А (как правило, через волоконно-оптическую линию). Можно сказать, что BSS обеспечивает связь MS с сетевой подсистемой NSS, а значит, осуществляет связь мобильного абонента с пользователями разных сетей.
В состав BTS входят радиопередающие, радиоприёмные устройства и две разнесённые в пространстве антенны. Наличие в BTS нескольких приёмников и такого же количества передатчиков позволяет вести одновременную передачу информации по образованным на разных частотах нескольким каналам. Антенны BTS крепятся к мачте и состоят из рефлекторов с закреплёнными на них вибраторами. Вибраторы непосредственно передают и принимают радиосигналы. Каждый рефлектор направлен в соответствующий сектор своей ячейки (соты). Оборудование BTS размещено в месте расположения антенн.
Контроллер BSC осуществляет управление всеми блоками приёмопередающих базовых станций и контроль за их работоспособностью. В частности, BSC обеспечивает управление радио интерфейсами между MS и BTS, а также обеспечивает управление такой процедурой, как хендовер.
Контроллер BSC может обеспечивать управление несколькими десятками BTS. Количество BTS, включаемых в один BSC зависит от объёмов потоков вызовов (телефонной нагрузки), обслуживаемых каждой BTS.
Имеющееся в составе BTS оборудование транскодирования ТСЕ (Transcoder/Rate Adapter Equipment) осуществляет адаптацию скоростей передачи речевых данных 13 кбит/с и 64 кбит/с.
4.2.3 Сетевая и коммутационная подсистема (NSS) сети стандарта GSM
Обмен сигнальной информацией между компонентами внутри NSS, между подсистемами NSS внутри одной сети GSM или между NSS разных сетей стандарта GSM обеспечивается средствами общеканальной сигнализации №7 (ОКС№7).
В частности, HLR содержит международные идентификаторы мобильных абонентов IMSI, которые используются для выполнения процедуры аутентификации. Помимо IMSI регистр HLR содержит: список доступных абоненту дополнительных услуг связи; специальную информацию о маршрутизации поступающих вызовов.
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
СОДЕРЖАНИЕ
Базовая приемопередающая станция
BTS управляется родительским BSC через «функцию управления базовой станцией» (BCF). BCF реализован как отдельный блок или даже включен в TRX в компактных базовых станциях. BCF обеспечивает подключение по эксплуатации и техническому обслуживанию (O&M) к системе управления сетью (NMS) и управляет рабочими состояниями каждого TRX, а также обработкой программного обеспечения и сбором аварийных сигналов.
Антенные сумматоры реализованы для использования одной и той же антенны для нескольких TRX (несущих), чем больше TRX объединяется, тем больше будут потери в сумматоре. Сумматоры до 8: 1 встречаются только в микро- и пикоячейках.
Скачкообразная перестройка частоты часто используется для повышения общей производительности BTS; это включает быстрое переключение голосового трафика между TRX в секторе. Последовательность переключения сопровождается TRX и телефонными трубками, использующими сектор. Доступно несколько последовательностей переключения, и последовательность, используемая для конкретной соты, постоянно транслируется этой сотой, так что она известна мобильным телефонам.
Секторизация
Контроллер базовой станции
BSC, несомненно, является наиболее надежным элементом в BSS, поскольку он является не только контроллером BTS, но и, для некоторых поставщиков, полным центром коммутации, а также узлом SS7 с подключениями к MSC и обслуживающим узлом поддержки GPRS (SGSN) ( при использовании GPRS ). Он также предоставляет все необходимые данные в подсистему поддержки эксплуатации (OSS), а также в центры измерения производительности.
BSC часто основан на архитектуре распределенных вычислений с избыточностью, применяемой к критически важным функциональным блокам, чтобы гарантировать доступность в случае возникновения неисправностей. Резервирование часто выходит за рамки самого оборудования BSC и обычно используется в источниках питания и в передающем оборудовании, обеспечивающем интерфейс A-ter для PCU.
Транскодер
Хотя функциональность транскодирования (сжатия / распаковки) определяется соответствующими стандартами как функция базовой станции, есть несколько поставщиков, которые реализовали решение за пределами BSC. Некоторые поставщики внедрили его в отдельную стойку с использованием собственного интерфейса. В архитектуре Siemens и Nokia транскодер представляет собой идентифицируемую отдельную подсистему, которая обычно совмещается с MSC. В некоторых системах Эрикссон он интегрирован в MSC, а не в BSC. Причина такой конструкции заключается в том, что если сжатие голосовых каналов выполняется на сайте MSC, количество фиксированных каналов передачи между BSS и MSC может быть уменьшено, что снижает затраты на сетевую инфраструктуру.
Эта подсистема также называется блоком транскодера и адаптации скорости ( TRAU ). Некоторые сети используют ADPCM 32 кбит / с на наземной стороне сети вместо PCM 64 кбит / с, и TRAU выполняет соответствующее преобразование. Когда трафик является не голосом, а данными, такими как факс или электронная почта, TRAU активирует функцию блока адаптации скорости, чтобы обеспечить совместимость между скоростями передачи данных BSS и MSC.
Блок управления пакетами
Блок управления пакетами (PCU) является поздним дополнением к стандарту GSM. Он выполняет некоторые из задач обработки BSC, но для пакетных данных. Распределение каналов между голосом и данными контролируется базовой станцией, но как только канал назначается PCU, PCU берет на себя полный контроль над этим каналом.
PCU может быть встроен в базовую станцию, встроен в BSC или даже, в некоторых предлагаемых архитектурах, он может быть на сайте SGSN. В большинстве случаев PCU является отдельным узлом, активно взаимодействующим с BSC на стороне радиосвязи и SGSN на стороне Gb.
Как устроена сеть сотовой связи GSM/UMTS
В комментариях к постам про сеть WiMAX (1, 2) и про GPRS был выражен интерес к сетям сотовой связи, поэтому решил реализовать свою давнюю задумку и описать хабрасообществу как же устроены современные сети сотовой связи.
На приведённой картинке изображена общая структура сетей сотовой связи. Изначально сеть разделяется на 2 больших подсети — сеть радиодоступа (RAN — Radio Access Network) и сеть коммутации или опорную сеть (CN — Core Network).
Хочу подчеркнуть, что буду описывать именно существующие сети сотовой связи для СНГ, потому что в Европе, Америке и Азии сети более развиты и их структура несколько отличается от наших сетей, про это напишу как-нибудь позже, если будет интерес.
Сперва, хотелось бы рассказать в общих словах про сеть, а потом более подробно расскажу про функции каждого из элементов сети.
Сеть радиодоступа
Существующие сети радиодоступа у наших операторов — продукт долгой эволюции, поэтому они состоят из сети радиодоступа к GSM (GERAN — GSM EDGE Radio Access Network) и сеть радиодоступа к UMTS (UTRAN — UMTS Terrestrial Radio Access Network). Сверху слева на картинке вы видите GERAN, внизу слева, соответственно UTRAN. Наибольшие изменения при переходе от GSM к UMTS происходят как раз в сети радиодоступа — оператору нужно построить вторую сеть и заново покрыть уже имеющиеся территории.
Сеть радиодоступа — эта та паутина, которой охвачены огромные территории городов и открытых местностей, за счёт неё как раз и обеспечивается то огромное погрытие, которое предоставляют сети сотовой связи.
Опорная сеть
Опорная сеть — ядро сетей сотовой связи. Название опорная — мой вольный перевод, в GSM эту часть сети называют сетью коммутации, в UMTS — Core Network, что по сути можно перевести как ядро сети. К этому ядру, как периферийные устройства к системному блоку, могут подключаться различные сети радиодоступа. Опорная сеть мало эволюционирует в связи с эволюцией от GSM к UMTS, эта сильная эволюция происходит немного позже — её уже прошли западные и азиатские операторы, у нас же она только начинается.
Опорная сеть на приведённой выше картинке разделена на 2 части — верхняя правая часть отвечает за голосовые соединения, или CS-соединения (Circuit Switch), нижняя правая часть отвечает за пакетные соединения, или же PS-соединения (Packet Switch).
Опорная сеть сосредоточена в одном или нескольких зданий, принадлежащих оператору сотовой связи, в больших машинных залах — проще говоря огроменнейшая