Обобщенная структура системы GPRS

Поскольку служба передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM, то не требуется кардинальной модернизации существующей сетевой инфраструктуры. Что же касается новых функциональных возможностей и изменения принципа сопряжения с внешними сетями, то по сути они являются расширением существующей сети GSM. Кратко охарактеризуем обобщенную структуру и функциональное назначение базовых элементов сети GPRS.

На структурном уровне систему GPRS можно разделить на 2 части (рис. 10.5): подсистему базовых станций и опорную сеть GPRS (GPRS Core Network). В подсистему базовых станций входят все контроллеры и базовые станции системы GSM, которые поддерживают пакетную передачу данных на программном и аппаратном уровне. Ядро сети GPRS включает в себя совершенно новые сетевые элементы, предназначенные для обработки пакетов данных и обеспечения связи с сетями передачи данных, в первую очередь, с сетью Интернет.

Рис. 10.5. Обобщенная структура системы GPRS

Основным сетевым элементом является пакетный коммутатор SGSN (Serving GPRS Support Node) – сервисный узел поддержки GPRS. Данный сетевой элемент берет на себя все функции обработки пакетной информации и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP глобальной сети Internet.

Вторым важным сетевым элементом GPRS является шлюзовой узел поддержки GPRS -GGSN (Gateway GPRS Support Node). Он обеспечивает связь системы GPRS с пакетными сетями передачи данных: Internet, Intranet, X.25 и др. GGSN содержит всю необходимую информацию о сетях, куда абоненты GPRS могут получать доступ, а также параметры соединения.

Кроме упомянутых элементов, в GPRS Core входят другие элементы: DNS (сервер доменных имен), Charging Gateway (шлюз для связи с системой тарификации), Border Gatewaj (пограничный шлюз) и другие вспомогательные элементы.

Обмен информацией между SGSN и GGSN происходит на основе IP протоколов. С SGSN связан сервер имен доменов DNS (Domain Name System), обеспечивающий замен) символических адресов пакетных сетей (Интернет, Интранет) на соответствующие им числовые адреса.

Как уже упоминалось ранее, при создании сети GPRS усложняются функции BSC \ BTS. BSC содержит дополнительный блок PCU (Packet Control Unit), а в состав BTS входит новое кодирующее устройство CCU (Channel Codec Unit). При этом BSC:

- предоставляет каналы абонентам пакетной сети в соответствии с требуемым QoS;

- обеспечивает фрагментацию и сборку кадров для их передачи по радиоканалам;

- обеспечивает контроль качества передачи по радиоканалам.

Контроллер пакетов PCU обеспечивает распределение поступающих пакетов на BTS PCU стыкуется с контроллером базовых станций BSC и отвечает за направление трафика данных непосредственно от BSC к SGSN. HLR содержит дополнительные данные об абонентах, которым предоставляют услуги GPRS (базисный PDP-контекст).

Таким образом, GPRS – технология, позволяющая работать сети GSM в режиме пакетной коммутации PS (Packet Switching), которая определяет надстройку PS-сети передачи с IP-адресацией и взаимодействие с существующими элементами сети с коммутацией каналов CS (Channel Switching). На рис. 10.5 представлена обобщенная структура системы GPRS, иллюстрирующая одновременную передачу голосового и трафика данных.

В GPRS-систему заложена хорошая масштабируемость – при появлении новых абонентов оператор может увеличивать число SGSN, а при росте суммарного трафика – добавлять в систему новые GGSN. Внутри опорной сети GPRS (между SGSN и GGSN) данные прозрачно передаются с помощью специального так называемого туннельного протокола у GTP (GPRS Tunneling Protocol). Протокол туннелирования GTP работает над стандартным IP-протоколом в прозрачном режиме, т.е. пользователи и прикладные задачи «не знают» о существовании данного протокола.

В перспективе (при ориентации системы на мобильный Интернет) возможно добавление специального узла поддержки Интернет – IGSN (Internet GPRS Support Node).

Технология GPRS, накладываемая поверх сети GSM, позволяет динамически и индивидуально распределять радиоресурсы GSM по мере необходимости. Если к соте GSM одновременно подключается сразу много пользователей GPRS, и она не способна поддерживать такой объем трафика, базовая станция GPRS воспользуется радиоресурсами соседних сот GSM. Таким образом, пользователи GPRS обслуживаются многими сотами GSM одновременно, когда в этом возникает необходимость.

За управление и контроль GPRS-системы отвечает OMC-R/G (Operation and Maintenance Center – Radio/GSN – центр управления и обслуживания радио/узла GPRS, на рис. 10.5 не показан), который является интерфейсом между системой и обслуживающим ее персоналом.

Обслуживание абонентов в сети GPRS требует ввода новых дополнительных процедур. При подключении абонента к сети GPRS происходит его регистрация в SGSN, активизация программного обеспечения GPRS в MS и в базах данных по обслуживанию абонента в SGSN и GGSN (активизация PDP-контекста). При этом абонент либо получает временный адрес в соответствующей пакетной сети, либо активизируют его постоянный адрес. Процедура активизации PDP-контекста будет рассмотрена более подробно после описания процедуры подключения пользователя к сети GPRS.

Прежде чем приступить к работе с GPRS, мобильная станция, так же как и в обычном случае передачи голоса, должна зарегистрироваться в системе, получить адрес, используемый в сети PDN т.н. PDP-адрес (таковым может служить IP-адрес) и создать PDP-контекст. Контекст создается для каждой сессии работы с PDN и описывает характеристики этой сессии (PDP-тип, PDP-адрес, уровень QoS, адрес SGSN, через который будет организован доступ к сети PDN. Естественно, что два адреса – IP адрес и IMSI должны быть поставлены в соответствие, что позволяет узлу GGSN пересылать данные между сетью PDN и MS [90].

Как уже было сказано, регистрацией, а точнее, «прикреплением» к сети (attach GPRS) пользователей занимается узел SGSN. Когда пользователь GPRS делает звонок, мобильная станция посылает запрос (Attach Request) на получение доступа к сети, который содержит ряд параметров. Этот запрос посылается на узел SGSN, взаимодействующий с другими узлами SGSN или узлами GGSN, если необходимо получить доступ к внешней сети другого рода (IP или Х.25).

В случае успешного прохождения всех процедур (проверки доступности запрашиваемой услуги и копирования необходимых данных о пользователе из HLR в SGSN) абоненту выдается P-TMSI (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity – временный номер мобильного абонента для пакетной передачи данных), аналогичный TMSI, который назначается мобильному телефону для передачи голоса (если абонентский терминал относится к классу К, то ему при регистрации выделяется как TMSI, так и P-TMSI). Для пользователя GPRS coединение получается «бесшовным», так как нет процедуры «установления звонка» и после «набора номера» сразу происходит «проверка имени пользователя и пароля». При этом абонент может пользоваться несколькими PDP-контекстами, активными в данный момент времени. Пакеты из внешней сети вместе с контекстом пересылаются на узел GGSN, который перенаправляет их на текущий узел SGSN абонента.

Для быстрой маршрутизации информации к мобильному абоненту GPRS-система нуждается в данных о его месторасположении относительно сети, причем с большей точностью, нежели в случае передачи голосового трафика (HLR и VLR хранят номер Location Area (LA), в которой находится абонент). Учитывая неизбежное возрастание служебного трафика в сотовой сети, если телефон будет информировать систему каждый раз при переходе от одной соты к другой, найден разумный компромисс между объемом сигнального трафика в сети GPRS и необходимостью информирования с высокой точностью о местонахождении абонента.

В процессе сеанса связи MS может находиться в разных состояниях. Относящиеся к GPRS данные абонента сохраняются в HLR, SGSN, GGSN, MSC/VLR, а также в MS (час тично в SIM карте). Все данные, относящиеся к абоненту, можно разделить на две группы данных: связанные с мобильностью абонента; определяющие возможности передачи пакетированной информации.

Первую группу данных принято называть контекстом управления мобильностью (Mobile Management (MM-Context)). ММ-контекст хранится в MS и SGSN и, как будет показано ниже, может находиться в одном из трех состояний: IDLE, STANDBY, или READY [3,26,78,80,97,100].

Вторая группа данных называется контекстом протоколов пакетной передачи данных или PDP-контекстом (PDP-context). В разд. 10.4 в рамках профиля сессии рассматривалось содержимое PDP-контекста. Как будет показано ниже, каждый PDP-контекст абонента может находиться в одном из двух состояний: INACTIVE или ACTIVE.

Абонент может иметь несколько различных подписок на услуги GPRS и соответственно данные об этом будут сохраняться в нескольких PDP-контекстах. PDP имеют тот же иерархический уровень, что и основные услуги (Basic Services – BS) при коммутации каналов. Дополнительные услуги (Supplementary services – SS) могут быть активизированы как на уровне основных услуг (SS1), так и на уровне PDP подписки (SS2).

IDLE – неработающий, свободный режим. В состоянии IDLE абонент не подключен к GPRS и ММ-процедуры выполнены быть не могут. Сеть не имеет достоверной информации о местоположении MS и не может обеспечить доставку пакетов. С точки зрения сети MS недоступна. Какой-либо ММ-контекст данного абонента в SGSN отсутствует. Единственная информация об абоненте, которой располагает сеть, – это данные о подписке в HLR. Пейджинг MS, а также обмен данными с MS невозможны.

В IDLE состоянии MS контролирует вещательный канал РВССН (или ВССН, если РВССН отсутствует) для получения системной информации, выполняет селекции сети и GPRS соты, но о своих действиях сеть не информирует.

Для того чтобы установить ММ-контексты в MS и в SGSN, MS должна выполнить процедуру GPRS Attach. При успешном выполнении этой процедуры происходит переход в состояние READY на сторонах MS и SGSN.

STANDBY—режим ожидания. Аппарат зарегистрирован (прикреплен) в GPRS-системе, но уже долгое время (определяемое специальным таймером) не работает с передачей данных. Местоположение STANDBY-абонентов известно с точностью до RA (Routing Area – область маршрутизации). RA мельче, чем LA в GSM (каждая LA разбивается на несколько RA, но, тем не менее, RA крупнее, чем типовая сота, и состоит из нескольких элементарных сотовых ячеек). Область RA необходима для поиска абонента в сети системой GPRS, причем поиск осуществляет SGSN. В состоянии STANDBY абонент подключен к GPRS. В MS и SGSN установлены ММ-контексты, что по своей сути сопоставимо с установлением соединения в сетях с коммутацией каналов.

MS принимает вещательный канал РВССН (или ВССН) для получения системной информации, а также канал пейджинга РРСН (или РСН). Пейджинг для передачи данных или сигнальной информации может быть принят. Возможен также прием пейджинга для услуг с коммутацией каналов через SGSN. Однако прием и передача пакетов данных в состоянии STANDBY невозможны.

MS контролирует RA, проводит селекцию и реселекцию GPRS сот. При входе в новую RA MS выполняет ММ процедуру RA Update для информирования SGSN об изменении местоположения. О смене соты в пределах одной и той же RA мобильная станция SGSN не информирует. Поэтому в состоянии STANDBY информация о местоположении MS в ММ- контексте SGSN состоит только из RAI. SGSN сохраняет эту информацию и использует ее для пейджинга MS.

MS в состоянии STANDBY имеет возможность активизировать или деактивировать PDP-контекст. PDP-контекст должен быть активизирован перед передачей или приемом этого PDP-контекста.

Если SGSN имеет данные или сигнальную информацию для MS, находящейся в состоянии STANDBY, то он посылает пейджинг (Paging Request) в ту RA, где MS находится. При ответе MS на пейджинг, ММ- состояние в MS изменяется на READY, а в SGSN – после получения этого ответа. При отсутствии данных о местоположении MS пейджинговый запрос не посылается. Кроме того, ММ состояние в MS изменяется на READY и в том случае, когда MS посылает данные или сигнальную информацию. Соответственно состояние в SGSN изменяется на READY, когда эти данные будут приняты SGSN.

Для перехода в состояние IDLE MS инициирует процедуру GPRS Detach. Co своей стороны SGSN может выполнить процедуру неявного (implicit) GPRS detach по срабатыванию таймера доступности абонента (Mobile Reachable Timer), когда в течение установленного таймером времени нет пакетов и вызовов, передаваемых в обоих направлениях. При этом ММ-контекст переводится в состояние IDLE, а затем удаляется (см. Приложение 1).

При пересечении абонентом границы RA производится процедура обновления данных о его местоположении (Routing Area Updating) в регистре VLR, аналогичная процедуре Locating Updating в обычной сети GSM. Если новая и старая RA контролируется одним SGSN, то смена RA приводит лишь к корректировке записи в SGSN. Если же абонент переходит в зону действия нового SGSN, то новый SGSN запрашивает у старого (old-SGSN) информацию о пользователе, a MSC, VLR, HLR и вовлеченные в работу GGSN ставятся в известность о смене SGSN. Когда телефон, работающий с GPRS-системой, перемещается в другую LA, то SGSN отправляет соответствующему VLR сообщение о необходимости смены записи о местонахождении абонента. Более подробно указанные процедуры приведены в Приложении 1.

READY – режим готовности. Абонентский терминал зарегистрирован в системе, ему выделен канальный ресурс и он и находится в активной работе.

Когда абонент находится в режиме READY, узел SGSN знает о его положении с точностью до соты. При этом поиск абонента производится в конкретной соте, а не в области маршрутизации RA.

Рассмотрим процедуру подключения мобильной станции к сети GPRS. На рис. 10.6 и рис. 10.7 представлены иллюстрации процедур GPRS-attach и GPRS-detach [101].

Рис. 10.6. Процедура перехода в режим подключения GPRS

Рис. 10.7. Процедура перехода в режим открепления GPRS

1. Получив запрос на соединение, SGSN запрашивает информацию о профиле пользователя из узла HLR и проверяет в своей базе наличие аутентифицирующей данного абонента информации. В случае отсутствия этой информации SGSN посылает запрос в регистр HLR, который возвращает ответ, содержащий:

- случайное число (authentication RAND) длиной 128 бит, используемое в алгоритмах A3 и А8 для выработки ключа шифрования и аутентификации абонента;

- 32-разрядный ключ аутентификации абонента, который вырабатывается на основе индивидуального ключа, хранящегося как на мобильной станции, так и в HLR;

– ключ шифрования данных, получаемый также на базе индивидуального ключа абонента.

2. Полученное случайное число передается на мобильную станцию, которая на его основе вырабатывает ключ шифрования и ключ аутентификации. Так как индивидуальные ключи, хранящиеся в HLR и на мобильной станции совпадают, то и ключи шифрования и аутентификации также должны совпадать, что и является фактом правомочности запроса данным абонентом оплаченных GPRS-услуг.

3. После идентификации абонента осуществляется идентификация оборудования, которое посылает на SGSN идентификатор IMEI. Узел SGSN проводит проверку данного оборудования по реестру EIR.

4. После аутентификации абонента и оборудования происходит процедура определения местоположения абонента в RA/LA (с использованием регистров HLR и VLR), после чего происходит завершение процедуры подключения мобильной станции к сети GPRS.

Если мобильная станция не смогла пройти аутентификацию, то SGSN посылает на нее сообщение Attach Reject («прикрепление отклонено»).

5. SGSN использует информацию о профиле (включая имя точки доступа (Access Poim Number – APN), которое идентифицирует сеть и оператора) для определения, к которому узлу GGSN производить маршрутизацию. Выбранный узел GGSN может предоставлять сервис удаленной аутентификации пользователя RADIUS (Remote Authentication Dial-In Usei Server) и назначать динамический IP-адрес пользователю перед настройкой соединений во внешние сети. Этот процесс называется «контекстная активация пакетного профиля данных», который рассмотрим ниже. Установки профиля могут варьироваться от оператора к оператору. Возможно использование таких дополнительных функции, как менеджментк QoS и виртуальных частных сетей VPN (Virtual Private Network).

Когда мобильное устройство выключено или находится вне зоны покрытия GPRS, erо контекст дезактивируется и устройство отсоединяется от сети.

6. Когда мобильный пользователь посылает данные (при условии успешной аутентификации), узел SGSN направляет пакеты на соответствующий узел GGSN. GGSN затем направляет данные в соответствии с текущим «контекстом», устанавливаемым для данной сессии. В обратном направлении, пакеты, предназначенные для пользователя, направляются в GGSN, ассоциированного с IP адресом пользователя. Узел GGSN проверяет полученные пакеты в соответствии с текущим контекстом, идентифицирует SGSN, обслуживающий данного пользователя и направляет движение пакетов в соответствующем направлении, Узел SGSN затем пересылает пакеты на базовую станцию, где находится пользователь, используя протокол второго, канального уровня Frame Relay.

Таким образом, подписываясь на услуги GPRS, абонент может получить выход на разные пакетные сети, каждой из которых соответствует свой PDP адрес. Для каждого PDP адреса в MS, HLR, SGSN и GGSN существует индивидуальная база данных, называемая PDP-контекстом, независимая от других PDP-контекстов. Она может находиться в одном из двух состояний:

- INACTIVE state (неактивное состояние).

- ACTIVE state (активное состояние).

PDP состояние указывает – активен ли PDP адрес для передачи пакетных данных или нет.

В состоянии INACTIVE обмен данными MS с сетью по соответствующему PDP адресу невозможен. PDP-контекст не содержит информации для маршрутизации пакетов данного PDP адреса.

При поступлении входящих пакетов при нахождении PDP-контекста в состоянии INACTIVE, GGSN инициирует процедуру активизации PDP-контекста для данного PDP адреса (активация PDP-контекста сетью). Другая возможность состоит в выполнении узлом GGSN процедур обработки ошибок адреса в соответствии с внешними сетевыми протоколами, например, IP. Пакеты, поступившие в GPRS из внешней сети, при этом признают негодным или отправляют обратно.

Переход в состояние ACTIVE возможен только в том случае, если в MS и SGSN контекстсты ММ находятся в состоянии STANDBY или READY. MS инициирует переход из состояния INACTIVE в ACTIVE путем процедуры активации PDP-контекста. В состоянии АО TIVE PDP-контекст для данного PDP адреса активизирован в MS, SGSN и GGSN. PDP-контекст содержит информацию маршрутизации для передачи пакетов конкретного PDP адреса между MS и GGSN. Таким образом, MS может принять или передать пакеты данных.

Чтобы иметь возможность передавать и принимать данные, мобильный телефон должев активировать IP-адрес, а точнее говоря, пользовательский контекст. Контекст включает такую информацию, как тип пакетных данных, адрес, параметры QoS и т. д. В результате активизации контекста GGSN будет знать о существовании и местонахождении абонента и таким образом, сможет обеспечить его взаимодействие с внешними сетями.

Процедура активизации PDP-контекста выглядит следующим образом [79, 80, 91,101].

1. Мобильный терминал формирует запрос на активизацию PDP-контекста к SGSN.

2. Узел SGSN проверяет право MS на активизацию данного контекста (на основании информации о подписке абонента, полученной из HLR в процессе процедуры GPRS-attach) и при необходимости вставляет отсутствующие необязательные параметры (к ним относятся адрес и параметры QoS. При недостатке ресурсов запрошенные параметры QoS могут быть изменены в меньшую сторону.

3. Имя точки доступа (APN) передается к серверу доменных имен (DNS) в SGSN для нахождения IP адреса релевантного GGSN.

4. SGSN выбирает адрес и посылает сообщение на создание PDP-контекста с выбранным для работы узлом GGSN (включая идентификатор туннеля).

5. GGSN формирует ответ на создание PDP-контекста.

6. Между узлами SGSN и GGSN создается виртуальное соединение (GTP-туннель).

7. GGSN назначает IP адрес мобильному терминалу.

8. SGSN посылает к мобильному терминалу ответное сообщение «PDP-контекст активизирован» (включая IP адрес).

9. Активизация контекста завершается подтверждением MS со стороны сети. После активизации контекста MS может обмениваться сообщениями с соответствующей сетью.

В зависимости от того, кто является адресатом, передача данных в GPRS делится на три типа: инициированная MS, получаемая MS и инициированная и получаемая MS. В случае, если передача инициируется MS, SGSN инкапсулирует поступающие от MS пакеты и передает их с помощью протокола GTP на шлюз GGSN, а тот уже направляет их в соответствующую сеть передачи данных. В случае, если передача предназначена MS, шлюз находит контекст, относящийся к данному адресу, и определяет из него адрес SGSN. После этого шлюз инкапсулирует пакеты и передает их соответствующему SGSN, а тот уже доставляет их MS.

Переход из состояния ACTIVE в состояние INACTIVE может произойти в двух случаях. В первом случае это происходит, когда MS деактивирует соответствующий PDP-контекст, Второй случай имеет место при выполнении процедуры GPRS detach или по истечении таймера состояния STANDBY. При этом в состояние INACTIVE переходят все активные PDP-контексты.

В случае роуминга GPRS-абонента выполняется следующая процедура, связанная с маршрутизацией данных. При этом возможны два сценария. SGSN в обоих случаях используется гостевой (VSGSN – Visited SGSN), a GGSN может исполиользоваться либо гостевой (VGGSN - Visited GGSN), либо домашний (HGGSN – Home GGSN). В последнем случае между домашним и гостевым операторами должна существовать GPRS-магистраль (InterPLMN GPRS BackBone – GPRS-линия между разными мобильными сетями) для передачи трафика между HGGSN и мобильным абонентом. Кроме того, появляется необходимость в BG (Border Gateway – граничный шлюз) с обеих сторон с целью обеспечения защиты сетей от атак извне.