Глава 5 - Система комутації

Введення

Система комутації рухомого радіозв'язку наведена на рис. 5.1

Центр комутації рухомого зв'язку/візитний регістр (MSC/VLR)

Функції MSC

MSC - це основний вузол в системі GSM. Цей вузол керує всіма функціями з обслуговування вхідних та вихідних дзвінків між MS. Основними функціями даного вузла є:

• Комутація і маршрутизація викликів. MSC управляє всіма функціями встановлення з'єднань: прийомом виклику на обслуговування, пошуком маршруту для встановлення з'єднання з абонентом, моніторингом встановленого з'єднання та звільненням з'єднань після відбою абонента (ів). При цьому MSC взаємодіє з іншими мережевими вузлами для успішного обслуговування викликів, наприклад, для маршрутизації викликів від MS до інших мереж, таким як PSTN.
• Облік вартості. Функції MSC включають в себе облік вартості розмов абонентів мережі. Протягом всього часу з'єднання MSC записує дані про розмову, необхідні для виставлення рахунку абоненту, і зберігає її після роз'єднання з'єднання для того, щоб потім передати в білінговий центр.
• Призначення додаткових послуг. MSC відповідає на призначення абонентам та реалізацію додаткових послуг. Управління передачею коротких повідомлень (SMS) також здійснюється з MSC.
• Обмін інформацією з HLR. Основною подією, пов'язаних з установленням зв'язку між MSC і HLR є момент встановлення з'єднання з MS. У цей момент HLR запрошувати певну інформацію про маршрутизації з MSC. Зв'язок з VLR. Даний зв'язок встановлюється в момент встановлення з'єднання або його розриву . У цей момент запитується інформація про передплату абонента.
• Зв'язок з іншими MSC. Даний зв'язок здійснюється протягом встановлення з'єднання або виконання хендовера між сотами, що належать різним MSC.
• Управління підключеними BSC. Так як підсистема BSS є сполучною ланкою між MS і SS, то управління основним вузлом BSS - контролером базових станцій BSC, здійснюється з MSC. Кожен MSC в залежності від інтенсивності трафіку в зоні обслуговування конкретного MSC може управляти деяким числом BSC. MSC обмінюється інформацією з BSC під час різних етапів обслуговування викликів, наприклад, протягом встановлення з'єднання або виконання хендовера між двома BSC.
• Прямий доступ до послуг Інтернет. Традиційно MSC здійснює доступ до вузлів провайдерів Інтернет (ISP - Internet Service Provider) через існуючі мережі, такі як PSTN. Останнє дає можливість MSC безпосередньо зв'язуватися з вузлами Інтернет, тим самим скорочуючи час встановлення з'єднання з вузлом Інтернет. Прямий доступ може бути забезпечений за допомогою використання сервера доступу, такого, наприклад, як TIGRIS виробництва Ericsson. Даний сервер може бути як інтегрованим в MSC, так і окремим зовнішнім обладнанням.

Візитний регістр (VLR)

Роль VLR в мережі GSM полягає в тимчасовому зберіганні інформації про місцезнаходження абонентів, що знаходяться в конкретній зоні обслуговування MSC. Таким чином, в кожній зоні обслуговування MSC існує один VLR. Це означає, що MSC не потрібно звертатися до HLR (який може знаходитися в іншій країні) щоразу, коли абонент користується послугами мобільного зв'язку або коли змінюється його статус.

При переході MS в нову зону обслуговування відбувається наступне:

1. VLR перевіряє свою базу даних (БД) для того, щоб визначити, чи існує в ній запис для даної MS (перевірка здійснюється по IMSI).
2. У разі, якщо VLR не знаходить записи про MS, він здійснює запит до HLR даного абонента для отримання копії абонентських даних.
3. HLR передає інформацію в VLR і оновлює інформацію про місцезнаходження MS в своїй БД. HLR передає інструкцію про видалення абонентських даних в той VLR, у якому ці дані зберігалися раніше.
4. VLR зберігає абонентські дані, включаючи дані про останній місцезнаходження MS і його стані (IDLE).

VLR протягом перебування MS в зоні обслуговування MSC зберігає повну копію даних про MS, включаючи наступну інформацію:

• Ідентифікаційний номер абонента.
• Інформацію про додаткові послуги (наприклад , чи активована переадресація при зайнятості абонента чи ні)
• Стан MS (IDLE)
• Поточну зону місцезнаходження MS (LA)

Шлюзовий центр комутації (GMSC)

Функції GMSC

Шлюзовий MSC (GMSC) володіє такими ж функціями, як і MSC. Ці функції дозволяють MSC запитувати у HLR інформацію для маршрутизації вхідного дзвінка до MS. Ця функція не використовується при обслуговуванні вихідних дзвінків від MS до яких-небудь крайовим пристроїв, які не є MS. Наприклад, якщо абонент мережі фіксованого зв'язку (PSTN), хоче встановити з'єднання з абонентом мережі GSM, то станція мережі PSTN буде здійснювати доступ до мережі GSM мережі через шлюз GMSC. GMSC, в свою чергу, буде здійснювати запит на отримання з HLR інформації про те, до якого MSC/VLR необхідно направити виклик для встановлення з'єднання з потрібним абонентом. Точно такі ж дії здійснюються у разі виклику з MS на MS.

Реалізація GMSC

Будь MSC в мережі мобільного зв'язку може функціонувати як шлюз, що досягається шляхом інтеграції відповідного програмного забезпечення та внесення до HLR інформації, необхідної для обслуговування певних запитів. Зазвичай апаратно MSC і GMSC складають один блок, єдине доповнення - інтерфейс ланки сигналізації з HLR. Функції GMSC:

1. Пошук і звернення до HLR для отримання роумінгових номерів.
2. Маршрутизація викликів відповідно до отриманої у відповіді інформацією.

Опорний регістр місця розташування (HLR)

Функції HLR

HLR - це централізована база даних (БД), в якій зберігаються всі абонентські дані. HLR належать також функції адміністрування даних абонента мобільного зв'язку, що належить певного оператора. Інформація про абонента постійно зберігається в HLR доти, поки її не анулюють. Інформація, що зберігається в HLR, включає в себе:

• Ідентифікатор абонента (тобто IMSI, MSISDN);
• Інформацію про додаткові послуги абонента;
• Інформацію про місцезнаходження абонента (наприклад, зону обслуговування MSC - SA);
• Аутентифікаційних інформацію абонента.

До основних функцій HLR відносяться:

• Управління базою даних, що містить всю інформацію про абонування абонентів. Оскільки HLR є базою даних, він повинен розташовувати здатністю у відповідь на запит на надання даних обробляти дані з великою швидкістю, а також оновлювати запити від інших мережевих вузлів. З цієї причини HLR діє як система управління базою даних. Кожна абонентська запис містить велику кількість важливих параметрів.
• Зв'язок з MSC. HLR повинен бути здатним при встановленні з'єднання з MS зв'язуватися з MSC, який обслуговує цю MS, для отримання необхідної інформації про маршрутизації виклику. MSC шляхом аналізу MSISDN дізнається про те, з яким саме HLR, що знаходяться в будь-якій точці глобальної мережі GSM, необхідно зв'язатися для отримання інформації про абонента.
• Зв'язок з GMSC. GMSC в процесі встановлення з'єднання з MS запрошувати з HLR інформацію про місцезнаходження MS, HLR надає цю інформацію у формі інформації для маршрутизації виклику. Якщо MS знаходиться у відключеному стані (DETACHED), HLR проінформує GMSC про те , що немає необхідності здійснювати подальшу маршрутизацію виклику. За допомогою аналізу IMSI, GMSC знає, який HLR з усієї світової мережі, контролює дану MS.
• Зв'язок з AUC. HLR до того, як буде почато яку дію з використання абонентської інформації або щодо внесення до неї змін, повинен отримати нові аутентифікаційні параметри з AUC.
• Зв'язок з VLR/ILR. Коли MS входить в зону обслуговування нового MSC, що відповідає за цю зону обслуговування VLR здійснює запит інформації про MS з HLR, в якому зберігаються дані абонента, що використовує цю MS. HLR забезпечує VLR копією інформації про абонента, оновлює у себе інформацію про місцезнаходження абонента і інструктує VLR, в якому раніше зберігалася інформація про абонента, про необхідність видалення інформації про це абонента.

HLR може бути реалізований в тому ж мережевому вузлі, що і MSC/VLR, а може бути реалізований в якості окремого апаратного вузла. Конкретна реалізація залежить від ємності мережі.

Міжмережевий регістр ILR

Функції ILR

Вузол ILR виконання ERICSSON, дає можливість здійснення роумінгу між різними стандартами стільникового зв'язку. ILR - це особливість системи CMS40 (1800) і дає можливість абонентам мереж AMPS бути в роумінгу в мережах GSM 1900 (PCS, Америка). ILR складається з HLR мережі стандарту AMPS і VLR мережі стандарту GSM і виконує функції інтерфейсу взаємозв'язку.

При роумінгу абонентів мереж AMPS, - AMPS-івська інформація копіюється в HLR дані регістра ILR. Коли ці абоненти входять в мережу GSM 1900, HLR копіює інформацію в VLR дані регістра ILR, як і для звичайних абонентів, які перебувають у роумінгу.

Центр аутентифікації AUC і регістр ідентифікації устаткування EIR

Мобільним системам, на відміну від інших систем телекомунікації необхідна висока ступінь захищеності. У зв'язку з цим, для того щоб захистити GSM системи, необхідно щоб були визначені наступні захисні функції:

• Абонентська аутентифікація. Аутентифікація увазі перевірку справжності абонента при доступі в систему.
• Шифрування інформації, що передається по радіоканалу. Вся інформація, обмін якою здійснюється між мережею і MS, завжди кодується. MS декодує тільки ту інформацію, яка стосується даної MS.
• Ідентифікація обладнання MS. Оскільки абонент та обладнання окрем від GSM, необхідно розділяти аутентифікацію обладнання MS. Це означає, що MS, яка була вкрадена, більше не буде працювати в мережі.
• Конфіденційність ідентифікації абонентів. Бажано, щоб у процесі обміну інформацією між MS і мережею по радіотракту ідентифікаційний код MS (IMSI) передавався як можна менше число разів, наприклад, тільки при включенні абонента. Для виключення визначення (ідентифікації) абонента шляхом перехоплення повідомлень, переданих по радіоканалу, кожному абоненту системи зв'язку привласнюється "тимчасове посвідчення особи" - тимчасовий міжнародний ідентифікаційний номер користувача (TMSI), який дійсний тільки в межах зони розташування (LA). В іншій зоні розташування йому присвоюється новий TMSI. Якщо абоненту ще не присвоєно тимчасовий номер ( наприклад , при першому включенні рухомий станції), ідентифікація проводиться через міжнародний ідентифікаційний номер (IMSI). Після закінчення процедури аутентифікації і почала режиму шифрування тимчасовий ідентифікаційний номер TMSI передається на рухливу станцію тільки в зашифрованому вигляді. Цей TMSI використовуватиметься при всіх наступних доступах до системи. Якщо рухлива станція переходить у нову область розташування, то її TMSI повинен передаватися разом з ідентифікаційним номером зони (LAI), в якій TMSI був привласнений абоненту.

Функції AUC

Первинною функцією AUC є надання інформації, яка використовуватиметься MSC/VLR для виконання аутентифікації абонента та виконання процедур кодування інформації, переданої по радіоканалу між мережею і MS.

Інформація, яку надає AUC, називається кодоном і складається з наступних елементів:

1. Випадковий номер - Random Number - (RAND);
2. Підтверджений код -відгук - Signed Response - (SRES);
3. Ключ шифрування - Ciphering Key - (Кс).

Триплети

Під час підключення до мережі (укладення контракту на обслуговування оператором) кожному абоненту призначається ключ аутентифікації (Ki). Цей ключ зберігається в AUC разом з належним абоненту ідентифікатором IMSI. Обидва ці елементи використовуються в процесі генерації триплетів. Обидва ці елементи зберігаються також в SIM. Для генерації одного триплета в AUC виконуються наступні кроки:

1. Генерується випадковий номер RAND;
2. RAND і Ki використовуються для розрахунку SRES і Kc шляхом використання двох різних алгоритмів - A3 і A8 відповідно.
3. RAND, SRES і Kс доставляються в HLR у вигляді триплетів.

Процедура шифрування

Забезпечення конфіденційності означає, що інформація про абонента і сигнальна інформація, передана між BТS і MS, закрита для неавторизованих користувачів.

Послідовність кодування забезпечується створюється шляхом використання Кс і номера кадру TDMA, які є вхідними впливами на алгоритм шифрування А5. Основна мета даного шифрування полягає в тому, щоб виключити можливість неавторизованого доступу до промови, даними, сигнальної інформації і т.д.

Для перевірки процедури шифрування використовується певна вибіркова інформація. Для цієї мети використовується команда режиму фактичного шифрування (М).

1. «M» і Kc передаються з MSC/VLR в BTS.
2. «M» перенаправляється в MS.
3. «М» кодується, використовуючи Кс (обчислений раніше, разом з SRES вл час виконання процедури аутентифікації) і номер кадру TDMA, які проходять через алгоритм кодування А5.
4. Закодоване повідомлення передається в BТS.
5. Закодоване «М» декодируется в BТS з використанням Кс, номера кадру TDMA і алгоритму декодування А5.
6. Якщо декодування «М» пройшло успішно, повідомлення про завершення режиму шифрування передається в MSC. Вся інформація, передана через радіоефір кодується з даного моменту, після декодування «М».

У таблиці 5.2 показано розподіл секретної інформації в апаратних засобах системи зв'язку GSM.

Функції EIR

Процедура ідентифікації встаткування MS увазі використання коду IMEI. Структура даного коду наступна:

• TAC Type Approval Code. Код затвердженого типового зразка.
• FAC Final Assembly Code. Код остаточно зібраного вироби, ідентифікує виробник.
• SNR Serial Number. Індивідуальний серійний номер. Ідентифікує повністю все обладнання з урахуванням кодів TAC і FAC
• spare Вільні цифри. Зарезервовані для "бедующего" використання. Коли даний код передається MS, то значення даного коду повинно бути завжди «0».

Процедура ідентифікації IMEI

1. MSC/VLR запитує IMEI у MS.
2. MS передає IMEI MSC.
3. MSC/VLR передає IMEI EIR.
4. У міру прийому IMEI, EIR перевіряє три списки:
   • Білий список. У білому списку розташовуються всі існуючі серії ідентифікаційних номерів устаткування, що належать різним країнам і операторам
   • Чорний список. Даний список містить всі номери IMEI, яким встановлено заборону доступу в систему GSM.
   • Сірий список. (На рівні оператора) Список містить IMEI телефонів, які під підозрою.
5. Результат перевірки IMEI передається MSC/VLR, який вирішує, дозволяти чи не дозволяти доступ до системи даного обладнання.

Інтерфейс передачі даних

Функції DTI

Інтерфейс DTI виконує функції взаємодії для мережі GSM (Inter-Working Function-IWF). Він виконує функції обробки даних, таких як перетворення швидкості передачі даних і забезпечує функції, що дозволяють забезпечувати взаємодію мереж GSM різних операторів. Дані функції включають в себе:

• Передачу даних до/від PSTN. Включає підтримку модемних і факсимільних викликів. При передачі даних DTI активує модемне з'єднання і перетворює швидкість передачі даних в вимагається для даного модемного з'єднання.
• Передачу даних до/від ISDN. Всі види послуг з передачі даних в напрямку ISDN є доступними, так як MSC/DTI дозволяє мережам ISDN і GSM вільно взаємодіяти між собою.
• Передачу даних до/від PDN. DTI обробляє дані, обмін якими здійснюється між такими мереж передачі даних загального користування (PDN - Public Data Networks), як, наприклад, мережа передачі даних з комутацією пакетів (Packet Switched PDN - PSPDN).
• Передачу даних між мобільними станціями. Обмін даними всередині PLMN повинен проходити через DTI для здійснення обробки протоколу, що використовується для адаптації швидкості передачі даних в радіотракт.
• HSCSD. Режим високошвидкісної передачі даних з комутацією каналів (HSCSD) дозволяє використовувати декілька (2, 3, 4) тимчасових інтервалів для передачі даних (1 TS - 9.6 кбіт/сек).

Центр обробки повідомлень (MC)

Функції центру обробки повідомлень MC

Мобільна станція, крім передачі мовних сигналів і даних, може отримувати і відправляти повідомлення, використовуючи функції MC, який надає наступні послуги:

• голосова пошту;
• факсимільного пошти;
• передачу коротких текстових повідомлень (Short Message Service - SMS);
• трансляцію передачу коротких текстових повідомлень (SMS Cell Broadcast - SMSCB)

Голосова пошта

Послуга «Голосова пошта» дозволяє записувати мовну інформацію в абонентський поштову скриньку і зчитувати з нього інформацію. Ця послуга дозволяє доставити до абонента, що викликається мовну інформацію навіть в тому випадку, якщо він не відповідає на виклик. Зухвалий абонент може записати голосове повідомлення, абонент може прослухати залишене для нього повідомлення. Абонент може використовувати свою MS для вибору режиму роботи з цією послугою, наприклад, переадресації всіх вхідних викликів на голосову поштову скриньку у випадку зайнятості, недоступність і т.д. Абонент у разі надходження повідомлення в його голосовий ящик оповіщається або текстовим повідомленням, або дзвінком. У разі, якщо абонент вимкнув трубку, він буде сповіщений про наявність повідомлення при першому включенні (входження в мережу).

Факсимільна пошта

Факсимільна пошта працює так само, як і голосова пошта. Абонент, якому дозволено використання послуги факсимільного пошти, може переадресувати дзвінки або факсимільні повідомлення на факсимільний ящик.

Абонент після входу в мережу може здійснити прийом факсимільного повідомлення на факсимільний апарат.

Передача коротких повідомлень (SMS)

Коротке повідомлення складається з 160 буквено-цифрових символів і може передаватися як з самого телефону (MS), так і з комп'ютера. Обмін вихідними і вхідними повідомленнями SMS може здійснюватися тільки в межах мережі GSM. Відправник повідомлення повідомляється мережею про те, відправлене чи ні - на екрані дисплея MS виводиться конкретне повідомлення.

Сервер, який обробляє SMS повідомлення, називається центром SMS. Якщо на центр SMS приходить повідомлення, система повинна визначити, де знаходиться абонент. Точно також як і у випадку вихідного дзвінка, шлюз здійснює запит на інформацію про маршрутизації виклику. Шлюз називається SMS GMSC.

Час зберігання повідомлення також враховується сервером. Час зберігання повідомлення на сервері задається MS.

SMS Cell Broadcast (SMSCB)

Послуги SMSCB пропонують трансляцію передачу коротких повідомлень довжиною 93 символів всім активним MS, що знаходяться в одній соте. Така послуга може бути корисна для інформування абонентів, що знаходяться в сотах, обслуговуючих місця загального користування (ринки, лікарні тощо) про номери будь-яких довідкових служб або передавати на MS рекламну інформацію.