Центральной системой сети GSM является - NSS - Network and Switching Subsystem - подсистема сети и коммутации

Элемент сети, выполняющий функции "мозга", называется MSC - Mobile services Switching Center - центр коммутации мобильных служб. MSC иногда называют коммутатором.

Центров мобильной коммутации MSC в сети GSM может быть несколько.

MSC занимается маршрутизацией вызовов, формированием данных для биллинга (расчетов), управляет многими процедурами и т.д.

Следующими по важности элементами сети, также входящими вNSS:

- HLR - Home Location Register - регистр собственных абонентов.

- VLR - Visitor Location Register - регистр визитеров (гостей).

Регистр HLR содержит базу данных всех "собственных" абонентов, заключивших с Оператором данной сети сотовой связи договор. В базе данных хранится информация об идентификаторе IMSI пользователей, идентификаторе MS ISDN - Mobile Subscriber ISDN - мобильный телефон цифровой сети с интеграцией услуг, перечень доступных MS услуг и др.

В отличие от регистра HLR, который в системе один, регистров VLR может быть несколько и каждый из них контролирует свою часть сети.

В регистре VLR содержатся данные обо всех мобильных станциях MS, которые находятся на его территории (причем обслуживаются не только свои абоненты, но и зарегистрированные в сети гости, или роумеры).

Как только пользователь покидает зону действия одного VLR, информация о нем копируется в новый регистр VLR, а из старого информация удаляется.

 

Принципиальное отличие регистров HLR от VLR:

- в HLR расположена информация обо всех абонентах сети, независимо от их местоположения,

- в VLR данные только о тех абонентах, которые находятся на подведомственной этому регистру VLR территории. В регистре HLR для каждого абонента постоянно присутствует ссылка на тот регистр VLR, который с этим абонентом сейчас работает. При этом сам регистр VLR может принадлежать сети другого Оператора связи, расположенной, например, на другом конце Земли.

 

Исполнительной частью сотовой сети, является BSS - Base Station Subsystem - подсистема базовых станций. BSS состоит из нескольких BSC - Base Station Controller - контроллер базовых станций, а также нескольких BTS - Base Transceiver Station - базовая трансиверная станция.

Каждый контроллер BSC контролирует целую группу базовых трансиверных станций BTS и отвечает за управление и распределение каналов, уровень мощности базовых станций и т.д. Обычно BSC в сети не один, а целое множество (базовых станций - сотни).

Управляется и координируется работа сети с помощью OMC -Operation and
Meintenance Centre - центр эксплуатации и обслуживания.

 

Регистрация в сети сотовой связи.

При каждом включении мобильной станции MS после выбора сети начинается процедура регистрации.

Наиболее общий случай - регистрация не в "домашней", а в "гостевой", сети и услуга роуминга абоненту разрешена.

Мобильная станция MS передает идентификационный номер IMSI абонента в VLR гостевой сети.
Идентификатор IMSI начинается с кода страны (первые три цифры), далее следуют две или три цифры, определяющие домашнюю сеть, а затем - уникальный номер конкретного абонента. По номеру IMSI регистр VLR гостевой сети определяет домашнюю сеть и связывается с ее регистрами HLR. Из регистра HLR передается информация об абоненте в регистр VLR, который делает запрос, а у себя размещает ссылку на этот регистр VLR, чтобы в случае необходимости знать, "где искать" абонента.

Процесс определения подлинности абонента:

При регистрации центр аутентификации AuC домашней сети генерирует

128-битовое случайное число -RAND - Random number - случайное число, пересылаемое в мобильную станцию MS пользователя. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключ идентификации, который содержится в SIM) и алгоритма идентификации вычисляется 32-битовый ответ - SRES - Signed RESult по формуле:

SRES = Ki · RAND

Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в центре аутентиикации AuC (по выбранному из регистра HLR ключу Ki пользователя).

Если SRES мобильной станции пользователя совпадет со SRES, рассчитанным ценром аутентификации AuC, процесс авторизации считается успешным.

Абоненту присваивается TMSI - Temporary Mobile Subscriber Identity - врéменная идентификация (идентификатор) мобильного абонента (подписчика).

Временная идентификация мобильного абонента TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия абонента с сетью.

TMSI может периодически меняться (в том числе, смена регистра VLR при переходе MS в другую локальную зону местонахождения - LA).

Теоретически, при регистрации должен передаваться и идентификационный номер MS - оборудования мобильной станции - IMEI, но российские Операторы связи практически не обеспечивают отслеживание идентификатора IMEI мобильных станций.
При получении идентификатора IMEI сетью, он направляется в регистр EIR, где сравнивается с так называемыми "списками" номеров:

- "Белый" список содержит номера санкционированных к использованию мобильных телефонов.

- "Черный" список состоит из идентификаторов IMEI, украденных или по какой-либо иной причине не допущенных к эксплуатации мобильных станций MS.

- "Серый" список - "MS с "проблемами", работа которых разрешается системой, но за которыми ведется постоянное наблюдение.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого регистра VLR с домашним регистром HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи.

Обычно период обязательной регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необходима для того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия.

В режиме ожидания мобильная станция MS только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает - процесс передачи начинается только в случае установления соединения, а также при значительных перемещениях относительно сети - в таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при "выходе" MS из сети (например, был отключен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных классовдоступа (с номерами от 0 до 9). Кроме того, существует несколько специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети и др.).

Информация о классе доступа хранится в SIM.

Особый, 10 класс доступа, позволяет совершать экстренные звонки (по номеру "112"), если пользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу, или вообще не имеет идентификатор IMSI (а, следовательно, SIM-карту).

В случае чрезвычайных ситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрыт доступ в сеть.
Территориальное деление сети и handover (переключение каналов).

Сеть состоит из множества BTS - базовых трансиверных станций (одна BTS - одна "сота", ячейка).

Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика BTS объединяют в группы - домены, получившие название LA - Location Area -зона местонахождения.

Каждой зоне мостонахождения LA соответствует свой идентификатор LAI - Location Area Identity - идентификация зоны местонахождения.

Один регистр VLR может контролировать несколько зон местонахождения LA.

Идентификатор зон местонахождения LAI размещается в VLR для задания местоположения мобильной станции MS.

В случае необходимости именно в соответствующей зоне местонахождения LA, а не в отдельной соте, производится поиск мобильной станции MS пользователя.

При перемещении MS из одной соты в другую в пределах одной зоны LA перерегистрация и изменение записей в VLR / HLR не производится, но стоит мобильной станции MS перейти на территорию другой зоны LA, начнется взаимодействие мобильной станции MS с сетью.

Каждому пользователю приходилось слышать периодические помехи в музыкальной системе своего автомобиля от находящегося в режиме ожидания мобильного телефона - часто это является следствием проводимой перерегистрации при пересечении границ зон местонахождения LA. При смене зоны местоположения LA идентификатор прежней зоны стирается из регистра VLR и заменяется новым идентификатором LAI, если же следующий LA контролируется другим регистром VLR, произойдет смена регистра VLR и обновление записи в регистре HLR.

Разбиение сети на зоны местонахождения LA довольно сложная инженерная задача, решаемая при построении каждой сети индивидуально.

Очень малые зоны LA приведут к частым перерегистрациям мобильных станций MS и, как следствие, к возрастанию трафика служебных сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов.

Если сделать зоны местонахождения LA большими, то, в случае необходимости установления соединения с мобильной станцией пользователя, сигнал вызова придется направлять всем базовым трансиверным станциям во все соты, входящие в зону расположения LA, что также ведет к неоправданному росту передачи служебной информации и перегрузке служебных каналов сети.

 

Алгоритм "handover" - переключение используемого канала на канал, находящийся в другой зоне местонахождения LA в процессе соединения.
Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление
MS от базовой станции BTS, многолучевая интерференция, перемещение MS в зону так называемой "тени" и т.п.) мощность (и, следовательно, качество) сигнала может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение соединение на другой канал с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения (ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего handover).

Handoverразделяют на четыре типа:

- смена каналов в пределах одной базовой трансиверной станции BTS;

- смена канала одной базовой станции на канал другой базовой станции, но находящейся под контролем того же контроллера BSC;

- переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными подсистемами базовых станций - BSC, но одним центр коммутации мобильной связи MSC;

- переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC, но и разные MSC.

В общем случае, проведение переключение каналов - handover - задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover, чтобы снизить нагрузку на MSC и служебные линии связи, процессом смены каналов управляет BSC, а MSC лишь информирует о происшедшем. Во время разговора мобильная станция MS постоянно контролирует уровень сигнала от соседних BTS (список каналов - до 16), за которыми необходимо вести наблюдение и измерение мощности излучения.

На основании этих измерений выбираются шесть лучших каналов, данные о которых постоянно (не реже раза в секунду) передаются в контроллер BSC и центр коммутации мобильных связей MSC для организации возможного переключения.

Существуют две основные схемы переключения каналов - handover:
- "Режим наименьших переключений" - Minimum acceptable performance.

В этом случае, при ухудшении качества связи мобильный телефон повышает мощность своего передатчика до тех пор, пока это возможно. Если, несмотря на повышение уровня сигнала, связь не улучшается (или мощность достигла максимума), то происходит переключение каналов - handover.
- "Энергосберегающий режим" - Power budget. При этом мощность передатчика мобильного телефона остается неизменной, а в случае ухудшения качества меняется канал связи ( режим handover).
Инициировать смену каналов может не только мобильная станция MS, но и центр коммцтации мобильных служб MSC, например, для лучшего распределения трафика.