Сигнализация в сетях GSM

Сетевыми элементами сотовых сетей являются центры коммутации подвижной связи MSC, базовые станции BTS, контроллеры базовых станций BSC, домашний регистр местоположения HLR, визитный регистр местоположения VLR, мобильные станции MS и т.д. Сигнальные сообщения в сети могут быть разделены на три типа [ 1 ]:

1) сигнальные сообщения между MS и сетью;

2) внутрисетевая сигнализация для предоставления абоненту сетевого сервиса;

3) сигнальные сообщения поддержки и обслуживания сети.

В сетях GSM для обмена информацией в процессе обслуживания вызовов между сетевыми элементами сети, а также для взаимодействия с другими сетями электросвязи приняты две основные системы сигнализации: ОКС № 7 (SS7) и протокол LAP-D. Использование этих двух систем сигнализации обусловлено тем, что для организации межстанционной сигнализации электронных АТС стационарных ТфОП уже значительное время применяется система ОКС № 7, и она же принята для обеспечения сигнализации в цифровых сетях ISDN. Кроме того, в сети GSM необходимо осуществлять сигнализацию в конфигурации «точка-много точек». А протокол LAP-D специально создан для этих целей и широко используется в сети ISDN. Таким образом, использование этих систем сигнализаций делает сеть GSM совместимой с ТфОП и сетью ISDN.

Сигнальные сообщения мобильных станций (MS) принадлежат одному из трех подуровней (см. рис. 6.4), предоставляющих мобильному абоненту доступ ко всем видам сервиса сети [1]. Установление и обслуживание радиоканала обеспечивается подуровнем управления радиоресурсами RR. Подуровень управления мобильностью ММ отвечает за задачи, имеющие аналоги в телефонной сети общего пользования, связанные с аутентификацией абонента, обеспечением конфиденциальности разговоров и т.д., хотя выполняет их, учитывая способность абонента перемещаться по сети.

Подуровень управления соединением СМ включает функции установления соединения, характерные для сетей с коммутируемыми каналами. Принадлежность сигнального сообщения тому или иному подуровню (RR, ММ или СМ) определяется дискриминатором протокола PD (Protocol Discriminator), находящимся в начале передаваемого кадра.

Подуровни управления СМ, ММ и большая часть RR сообщений являются прозрачными для BTS и BSC, и их содержание полностью копируется в информационных полях кадров Abis и А интерфейсов. На Abis для этих целей используется бит прозрачности (Т = 1) в дискриминаторе сообщений MD (Message Discriminator), а на А интерфейсе принадлежность сообщения определяется значением дискриминатора D, содержащимся в поле признака типа сообщения. Протокол RSM (Radio Subsystem Management) содержит процедуры обработки и поддержки непрозрачных RR сообщений на Abis интерфейсе.

Кроме того, RSM включает функции управления BTS устройствами, относящиеся к обслуживанию трафика (активизация и очистка радиоканалов, изменение выходной мощности и т.д.). Сообщения RSM непрозрачны (Т = 0).

Протокол BSSAP на А интерфейсе состоит из протокола сквозной передачи сообщений DTAP (Direct Transfer Application Part) и протокола управления BSSMAP (BSS Management Application Part), поддерживающего все процедуры интерпретации результатов и обработки текущих вызовов и управления ресурсами подсистемы BSS (например, управления хэндове-ром, пейджингом, режимом кодирования на Urn интерфейсе и т.д.). Сообщения DTAP и BSSMAP включаются в формат сообщения протокола SCCP как поле данных.

На участке BSC-BTS используются стандартные цифровые каналы со скоростью передачи 64 кбит/с. Для транспортировки сигнальной информации по цифровому каналу используются канальные возможности протокола LAP-D, применяемого в ISDN. Обмен информацией под управлением протокола LAP-D осуществляется в виде кадров, формат которых аналогичен кадру LAPB.

Протокол LAP-Dm (Link Access Protocol Digital mobile) является адаптацией LAP-D ISDN протокола, которая состоит в исключении восьми битовых флагов и использовании кадров фиксированной длины (23 октета) для всех типов контрольных каналов. Размеры поля, содержащего полезную информацию, задаются в индикаторе длины информационного поля, а неиспользуемые октеты заполняются числами «2В» в направлении к MS и «2В» или «FF» в направлении от MS. Точка доступа к сервису SAPI = 0 (Service Access Point Identifier – SAPI), предоставляемому сетевым уровнем, используется для обмена RR, MM, CM сообщениями с MS, a SAPI = 3 для передачи коротких сообщений (Short Message Service – SMS).

В сеть GSM помимо мобильной станции MS входят две подсистемы, обслуживающие трафик: подсистема коммутации SSS и подсистема базовых станций BSS, функции которых разделены между отдельными устройствами (рис. 6.5). Элементы SSS и BSS взаимодействуют друг с другом в соответствии с системой сигнализации SS7, где необходимые сигнальные процедуры обмена информацией между приложениями реализуются с помощью протокола MAP (Mobile Application Part). Подсистема, обслуживающая трафик пакетной коммутации (подсистема GPRS), и соответствующие протоколы радиослужбы GPRS, представлены в гл. 10.

Рис. 6.5. Структурная схема сети GSM-GPRS

Согласно протоколу LAP-Dm передача информации сетевого уровня осуществляется либо в ненумерованном кадре (логические каналы управления ВССН (канал передачи сигналов управления), AGCH (канал разрешенного доступа), РСН (канал вызова), DCCH (индивидуальные каналы управления)), либо в информационном кадре (DCCH) при установлении асинхронного сбалансированного режима командой SABM (UA – ненумерованное подтверждение, DISC – разъединение, DM – режим разъединения). Для экономии радиоресурсов кадры SABM и UA также содержат информационные поля.

Сигнальные сообщения поддержки и обслуживания О&М (Operation and Maintenance) принадлежат к подсистеме управления сети ОМС (Operation and Maintenence Centre), принципы построения которой разработаны в соответствии с общей концепцией иерархического управления сетями связи TMN (Telecommunications Managemant Network) М.ЗОЮ [1]. В основе концепции лежит представление TMN как сети, состоящей из функциональных блоков операционных систем (OSF), транзитных узлов (MF) и объектов управления (NEF). В зависимости от точки подключения ОМС отдельные элементы сети GSM могут выступать в качестве MF и NEF. Интерфейсами OSF-MF, OSF-NEF являются протоколы SS7, Х.25, ISDN, OSI-LAN, что обеспечивает прямой доступ ко всем узлам сети подвижной связи, за исключением BTS.

Сообщения О&М являются составными частями протоколов внутрисетевого взаимодействия GSM. Для Abis интерфейса таким протоколом является BTSM (BTS Management) протокол. Установление соединения на сетевом уровне базируется на предварительно установленном соединении уровня передачи данных.

Необходимо отметить, что система общеканальной сигнализации ОКС № 7 согласуется с эталонной моделью OSI и функционально имеет уровневую архитектуру, представленную на рис. 6.6. Как известно, система ОКС № 7 обладает рядом преимуществ по отношению к своим предшественникам. Это более высокая производительность (как следствие более высокая скорость соединения), надежность, обеспечиваемая резервированием и введением альтернативных маршрутов, экономичность, связанная с использованием общего канала сигнализации для большого количества соединений, гибкость, обеспечиваемая независимостью от типа обслуживаемого трафика. Модель системы ОКС № 7 реализуется на основе четырех уровней [26].

Рис. 6.6. Структура уровней модели ОКС № 7 и её соответствие с моделью ISO/OSI

Уровень 1 подсистемы МТР определяет физические, электрические и функциональные характеристики звена данных сигнализации.

Уровень 2 подсистемы МТР гарантирует точность сквозной передачи через сигнальное звено. Здесь осуществляется управление потоком, подтверждение правильности последовательности сообщения и проверка ошибок.

Уровень 3 подсистемы МТР обеспечивает маршрутизацию сообщений между пунктами сигнализации в сети ОКС № 7. Здесь происходит переадресация трафика от неисправных звеньев сигнальных пунктов и управление трафиком при перегрузке.

Уровень 4 включает в себя разнообразные подсистемы пользователей (подсистему пользователя сети ISDN-ISUP, подсистему возможностей транзакций – ТСАР и др). На этом уровне определены функции и процедуры сигнализации для подсистем пользователей. Задачей подсистем пользователей является подготовка и обработка сообщений при обмене сигнальной информацией между узлами коммутации.

Таким образом, нижние уровни модели ОКС № 7 (звено передачи данных сигнализации и канал передачи сигнализации) полностью согласуются с физическим и канальным уровнями модели OSI. Функции уровней 1 и 2 образуют звено сигнализации, обеспечивающее надежную передачу сигнальных сообщений между двумя пунктами сети.

Третий уровень ОКС № 7 (сеть сигнализации) определяет функции и процедуры передачи, общие для различных типов звеньев сигнализации:

- обработку сигнальных сообщений с направлением их по звену сигнализации или в подсистему пользователя;

- функции управления сетью сигнализации, которые на основе заранее определенных данных и информации о состоянии сети сигнализации управляют маршрутизацией сообщений и конфигурацией средств сети сигнализации. Однако данный уровень не обеспечивает полностью все функции маршрутизации сетевого уровня модели OSI.

Для выполнения всех функций сетевого уровня в модель ОКС № 7 добавлена подсистема управления соединением сигнализации SCCP, обеспечивающая обращение подсистемы передачи сообщений к сетевой услуге. Высшие уровни ЭМВОС непосредственно связываются с SCCP. Подсистема МТР совместно с SCCP образуют подсистему сетевых услуг NSP [26].

Всего определено пять MAP приложений – MAP-MSC, MAP-VLR, MAP-HLR, МАР-EIR, MAP-AUC для подсистемы коммутации (SS) и BSSAP (BSS Application Part) для контроллера базовых станций (BSC), которые используют общие МТР (Message Transfer Part) протоколы нижних уровней. Каждое устройство является узлом сигнализации SS7 (ОКС № 7), имеющим свой уникальный адрес SSN (Subsystem Number), идентифицирующий SCCP пользователя. Данная подсистема обеспечивает взаимодействие MSC, HLR, VLR, EIR между собой, а также обеспечивает передачу информации роуминга и другой сигнальной информации из одной сотовой сети в другую.

Задачей подсистем пользователей является подготовка и обработка сообщений при обмене сигнальной информацией между узлами коммутации. В общем случае сообщение содержит код типа сообщения и информационные элементы сообщения (поле сигнальной информации — SIF). Например, в процессе проключения пользовательского канала используются сообщения: начальное адресное сообщение, окончание приема номера, ответ вызываемого абонента и пр. [26].

Сформировав сообщение, подсистема пользователей передает его подсистеме передачи сообщения МТР. В функции третьего уровня МТР входит маршрутизация сигнальных единиц в сети ОКС № 7, для чего на третьем уровне добавляются поля LABEL и SIO. Поле SIO (байт служебной информации) является индикатором службы, т.е. пользовательской части ОКС № 7, которой адресована сигнальная информация (рис. 6.7).

Поле LABEL содержит: код пункта назначения DPC, код пункта отправления ОРС, поле селекции звена сигнализации SLS – содержит код пользовательского канала, для управления которым передается сигнальная единица, а также указание выбора сигнального звена, если между узлами коммутации имеется несколько сигнальных каналов.

Второй уровень МТР включает функции и процедуры управления передачей сигнальной единицы на одном звене сигнализации. Эти функции обеспечивают достоверный обмен информацией между двумя сигнальными точками. Каждая сигнальная единица на канальном уровне обрамляется флагами F. Детектирование возможных ошибок при передаче peaлизуется за счет 16 битового контрольного поля СК. Сигнальная единица (и передаваемая и ожидаемая) имеет прямой и обратный порядковый номера FSN и BSN, а также соответствующие бит-индикаторы FIB и BIB. В поле длины LI указывается число байтов, следующих за байтом индикатора длины и предшествующих проверочным битам. При обнаружении ошибки в принятой сигнальной единице производится перезапрос последней правильно принятой единицы.

На физическом уровне определены характеристики звена ОКС, в которое включен канал обмена сигнальными сообщениями в оба направления одновременно. В звено сигнализации может быть включено и цифровое коммутационное поле, если сигнальный канал коммутируется. Характеристиками звена сети ОКС являются скорость передачи, способ синхронизации, линейное кодирование, вероятность ошибки в процессе передачи и пр.

Необходимо отметить, что система ОКС № 7 рассчитана на то, что интеллект по обслуживанию вызовов сконцентрирован в узлах коммутации, и ее протоколы связаны с информационными каналами для передачи пользовательской информации. Поскольку в сети GSM интеллект процесса обслуживания вызовов распределен между функциональными единицами, необходимо наличие соглашений относительно протоколов обмена командами и данными между распределенными и внутрисетевыми ресурсами (прикладными процессами).

Для этого в рамках ОКС № 7 введены возможности транзакции независимо от применений, которые добавляются к службам сетевого уровня модели OSI (в данном случае МТР плюс SCCP). Возможности транзакции составляются на прикладном уровне модели OSI и поддерживающих стандартных протоколов уровней 4—6.

Для поддержки сигнализации в сети GSM между ее функциональными единицами разработаны две разновидности подсистем ОКС № 7: пользователей подвижной связи – MAP и базовых станций – BSSAP. Прикладная часть MAP реализована в MSC, HLR, VLR, EIR. Она обеспечивает их взаимодействие между собой и состоит из ряда функциональных элементов, каждый из которых выполняет одну из задач по обмену сигнальной информацией

(рис. 6.8). Также подсистема MAP используется для передачи информации роуминга и другой сигнальной информации из одной сотовой сети в другую.

Рис. 6.8. Взаимодействие прикладных подсистем ОКС № 7

Подсистема MAP обеспечивает не только передачу информации между сотовыми системами, но и организует активацию тех или иных операций с удаленного конца. К основным процедурам MAP относятся: регистрация местоположения абонента для сохранения возможности осуществления исходящих и приема входящих вызовов в пределах всей сети, что обеспечивает возможность роуминга; перерегистрация и стирание предыдущей информации о местоположении абонента; дополнительные виды обслуживания; изменение абонентских данных в регистрах HLR и VLR; передача информации о тарификации и пр.

Учитывая, с одной стороны, функциональное построение сети GSM, а с другой стороны, особенности процесса обслуживания вызовов при организации взаимодействия MSC, HLR, VLR, EIR между собой наряду с подсистемой сетевых услуг NSP (МТР плюс SCCP) используется подсистема обработки транзакций ТСАР. При этом MAP может осуществлять управление несколькими диалогами одновременно между функциональными единицами сети [26].

Прикладная часть BSSAP обеспечивает взаимодействие MSC и оборудования BSS. При этом BSSAP для транспортировки сообщений использует только услуги NSP. На нее возлагается управление обменом двумя группами сообщений: сквозными сообщениями через BSDS между MSC и мобильной станцией MS и сообщениями между MSC и BSS. Это привело к тому, что подсистема BSSAP разделена на две функциональные части: подсистему сквозной передачи сообщений – DTAP и подсистему управления BSS – BSSMAP.

Сообщения DTAP и BSSMAP включаются в формат SCCP как поле данных, в структуре которого имеется идентификатор канала DLCI, который используется прикладной частью для прозрачной передачи DTAP для определения типа логического канала между BTS и MS, идентификации доступа к услугам SAPI, а также для определения того – являются ли передаваемые данные сообщением сигнализации или данными, адресованными канальному уровню протокола LAP-D.

Заранее отметим, что основной тенденцией в радиослужбе пакетной передачи GPRS (рассмотренной в гл. 10) является привнесение в сети GSM функциональности IP-технологии. Это делает GPRS достаточно гибкой и расширяемой технологией, так как она использует базовые механизмы IP, что обеспечивает потенциальную возможность надстройки над GPRS новых протоколов IETF. Кроме расширения возможностей, основанных на интерфейсах системы сигнализации ОКС № 7, GPRS предусматривает непосредственную поддержку сетевых протоколов IP, X.25 и FR. Это означает, что традиционные приложения IP и Х.25 могут работать в сетях сотовой связи, т.е. сотовую сеть с сервисом GPRS становится возможным рассматривать как беспроводное продолжение пакетных сетей IP или Х.25. При этом GPRS реализует в сети GSM логические каналы, механизмы установления/разъединения виртуальных каналов и протокольных услуг для поддержки транспортных протоколов сетей коммутации пакетов TCP/IP и Х.25.

Как было показано в начале настоящего раздела, стандарт Х.25 (Рекомендация Х.25 МККТТ) обладает следующими свойствами [7]:

- определяет процедуры обмена данными для устройств передачи данных между пользователями и узлами коммутации пакетов;

- организован по трехуровневой архитектуре эталонной модели OSI;

- является стандартом пользовательского интерфейса для сетей коммутации пакетов, предоставляющих пользователям виртуальные каналы для обмена данными.

Таким образом, сетевой протокол Х.25 является спецификацией сопряжения и управляет взаимодействием оконечного оборудования данных пользователя и оборудования передачи данных в сетях коммутации пакетов. Физический интерфейс определен Рекомендацией Х.21 МККТТ.

LAPB – протокол уровня канала. Входит в стек протоколов Х.25 и отрабатывает сбалансированную процедуру доступа к каналу передачи трафика. Является подмножеством протокола HDLC (высокоуровневое управление каналом). Формат кадра, типы блоков данных, функции служебных полей аналогичны HDLC. Пакет Х.25 транспортируется в кадре LAPB в информационном поле.

В качестве примера на рис. 6.9 представлен типовой формат кадра LAPB, транспортирующий сетевые пакеты с информацией пользователя, и его инкапсуляция в формат кадра Frame Relay. Протокол Q.922 отрабатывает процедуру доступа к режиму кадровой передачи (LAPF). При этом происходит размещение адресных, контрольных и информационных полей в формат кадра Q.922. Добавляется новый адрес сетевого соединения DLCI и происходит передача кадра [7].

Рис. 6.9. Инкапсуляция кадра LAPB в формат кадра Frame Relay

Адресное и управляющее поля LAPB содержат идентификаторы формата и типа пакета, номера логических каналов, адреса вызываемых и вызывающих пользовательских терминалов, номера принимающей и посылающей последовательностей, сервисные средства Х.25 и пр. Поле проверки кадра обеспечивает проверку кадра с помощью циклического избыточного кода.

Каждое соединение терминалов устанавливает свой собственный набор номеров логических каналов. При этом требуются три фазы – установления соединения, передачи данных и разрушения соединения, в рамках которых происходит передача управляющих и информационных пакетов.

Frame Relay представляет транспортную среду для сетей коммутации пакетов, основанных на протоколах Х.25. В этом случае протоколы Х.25 и FR должны быть совместимы, чтобы процедуры инкапсуляции и декапсуляции сохраняли информацию пользователя и структуру протокола. Для этого в аппаратуре происходит конвертация протокола Х.25 в протокол FR и наоборот с помощью функции межсетевого взаимодействия IWF (рис. 6.10).

Рис. 6.10. Схема взаимодействия протоколов в сети Х.25 – Frame Relay

Восстановление структуры сообщения в формате Х.25 происходит на удаленном терминале DTE, поддерживающем функцию IWF. PLP – протокол пакетной передачи.

В гл. 8 рассмотрена архитектура эталонной модели GPRS как логическое развитии эталонной модели GSM. При этом в рамках протокольного взаимодействия в сети GPRS (PS-сегмент) процедуры пакетизации, инкапсуляции IP-пакетов в формат кадров Frame Relay, или пакетов Х.25 в кадры LAP-B с последующей транспортировкой в формате LAP-D происходят аналогично описанным выше процедурам.