Сайт о телевидении

В этой статье мы продолжаем наше знакомство со структурой и основными функциональными элементами пакетной сети оператора мобильной связи, которые мы начали в предыдущих двух статьях - GPRS изнутри. Часть 1 и GPRS изнутри. Часть 2 . В нашей сегодняшней заметке речь пойдет об основных интерфейсах сетевых элементов PS Core Network, а также стеках проколов, используемых на этих интерфейсах.

Intro

Стандартная схема подключения ключевых GSN элементов пакетной сети, которая обычно изображена во многих учебниках и курсах по PS Core Network выглядит примерно так:

Стек протоколов Iu-PS интерфейса изображен на схеме ниже:

Gr interface

Интерфейс между SGSN"ом и HLR "ом, который является очень нужным для пакетной сети оператора, т.к. именно через него проходят процедуры аутентификации и авторизации абонента при проведении процедур GPRS Attach, либо Combined IMSI&GPRS Attach, а т.к. этот интерфейс является «чисто» сигнальным, т.е. предназначен лишь для передачи служебной информации, то он базируется на модели SS7, в качестве основного протокола верхнего уровня используется MAP (см. схему справа), а если быть точным то специальная версия - MAP-H.

Gd interface

Это интерфейс между SGSN"ом и SMS-GMSC, т.е. центром отправки коротких сообщений, он является опциональным и не обязательным, но вносит в пакетную сеть дополнительную функциональность по отправке коротких сообщений через пакетные каналы. Стек протоколов для этого интерфейса ничем не отличается от стека на интерфейсе Gr (между SGSN"ом и HLR"ом), т.к. используются все те же процедуры SS7 MAP протокола (см. схему стека протоколов к Gr интерфейсу).

Более подробно услуга по отправке SMS через пакетную сеть (SMS over GPRS) рассмотрена в статье - Запасной путь для SMS . От себя могу добавить, что операторы очень не охотно идут на реализацию этого интерфейса и самой услуги по отправке сообщений через пакетную сеть.

Gf interface

Еще один опциональный интерфейс, между SGSN"ом и EIR "ом, позволяющий совершать проверку легитимности использования мобильного терминала абонента по его IMEI коду, выполняя запросы к базам данных IMEI кодов (Grey, Black, White Lists) оператора, находящиеся в базах данных сетевого элемента EIR. Стек протоколов аналогичен Gr, Gd интерфейсов - используется MAP (см. схему к Gr интерфейсу) протокол, а если быть точным - версия MAP-E.

Эффективность использования проверки IMEI кодов существенно повышается в случае использования центральной международной базы данных, либо же в стране должна существовать своя внутренняя база IMEI кодов, к которой будут подключены все мобильные операторы, что не всегда реализуется на практике. Поэтому многие операторы используют платформы EIR (к которым осуществляются запросы на проверку IMEI кодов) элементов в качестве платформ сопоставления пары значений IMSI /MSISDN и IMEI, т.е. в случае когда абонент меняет SIM карту или вставляет ее в другой аппарат - ему автоматически приходят «заботливые» и не разу не надоедливые настройки MMS/Internet/WAP/etc.

Gs interface

Еще один опциональный интерфейс между SGSN"ом и коммутатором MSC, который вносит функциональность по приему и возможности совершения CS (Circuit Services) сервисов во время активной GPRS/EDGE сессии. Это довольно нужный интерфейс, т.к. позволяет абоненту чувствовать себя более комфортно, не заморачиваясь по поводу своей доступности во время активной GPRS/EDGE сессии. По своему опыту могу сказать, что к сожалению, если сеть оператора построена на оборудовании разных вендоров, то порой не всегда удается совместить интерфейс с обоих сторон коммутатора (MSC) и SGSN"а, поэтому даже в одной сети оператора, возможно существование зон, где можно реализовать Gs интерфейс, а также тех зон где это невозможно.

За дополнительной информацией по возможности совершать и принимать звонки во время активной GPRS/EDGE сессии, я отправляю читателей к статье GPRS не помеха для звонков .

Ge interface

Интерфейс с помощью которого осуществляется передача биллинговых данных для проведения расчетных операций с абонентами, он реализуется между SGSN"ом и биллинг платформой - SCP. В качестве основного протокола используется приложение CAP модели SS7 (см. схему к Gr интерфейсу).

Здесь я бы хотел сделать небольшое отступление и рассказать как происходит процесс взаиморасчетов абонента с оператором по использованию пакетных услуг. Для начала вспомним, что существуют два типа абонентов:

• Pre-paid - абоненты предоплаченного сервиса
• Post-paid - контрактные абоненты

Для pre-paid абонентов биллинг осуществляется в режиме реального времени, т.е. при поднятии (а также перед активацией) PDP Context’ов от SGSN’a через Ge интерфейс происходит запрос по CAP протоколу на IN платформы (SCP) – платформы биллинга, о текущем остатке на балансе абонента, а затем (в случае наличия необходимого остатка на счету) через определенные интервалы времени (таймеры, которые устанавливает оператор) производятся повторные запросы на возможное продолжение активной PDP сессии абонента предоплаченного сервиса.

Для post-paid абонентов, т.е. контрактных абонентов, сбор биллинг данных в основном осуществляется на самом SGSN’е (хотя есть системы биллинга, осуществляющие сбор данных и на GGSN’е), т.е. на SGSN по каждому абоненту генерируются т.н. CDR файлы, которые затем по tftp/ftp протоколу передаются на системы биллинга и по которым происходит расчет счетов абонентов, хотя для post-paid абонентов также существуют системы online биллинга, но они не получили особого распространения у операторов, по крайней мере такова информация для большинства операторов на Украине.

Таким образом, главное отличие этих двух типов абонентов в том, что для pre-paid производится т.н. online биллинг, а для post-paid – offline биллинг.

Ga interface

Фактически интерфейс в его полной реализации сейчас является опциональным, т.к. многие операторы используют Ge интерфейс для pre-paid абонентов, а CDR файлы для контрактных абонентов генерируются на самом SGSN"е, но тем не менее с помощью Ga интерфейса возможно реализовать биллинговые расчеты на GGSN"е. В его истинной реализации, этот интерфейс связывает SGSN, либо GGSN с СG и в большинстве реализаций является пакетным интерфейсом (TCP/IP), использующим в качестве верхнего уровня GTP` протокол (см. схему ниже).

К слову, если сеть строиться на оборудовании одного вендора, т.е. SGSN/GGSN и CG поставляются одним вендором, то Ga интерфейс может быть использовать «на полную», при этом он будет основываться на собственных проприетарных разработках вендора, т.е. будет закрытым для самого оператора.

Gn, Gp interfaces

Два довольно похожих интерфейса, которые необходимы для реализации связности SGSN"а и GGSN"а. При чем Gn используется, если эти два сетевых элемента находятся в одной и той же PLMN (en), а Gp - если элементы находятся в различных PLMN, т.е. абонент пользуется услугами GPRS/EDGE в роуминге.

На интерфейсах используются две разновидности GTP протокола:

• GTP-U - для передачи пользовательских данных
• GTP-C - для передачи служебной информации*

* - например, при активировании PDP Context"а, SGSN передает запрос PDP Context Activation к GGSN"у с помощью как раз GTP-C протокола.

Gi interface

Один из самых простых, но в тоже время и самых важных интерфейсов для пакетной сети, т.к. именно через него у оператора есть выход на внешние сети Internet/Intranet. В основном интерфейс является полностью пакетным (IP) и часто представляет из себя гигабитные линки на роутеры мобильного оператора.

Вот такой вот список основных интерфейсов GSN элементов PS Core Network мобильного оператора.

Небольшой помощник:

ATM - Asynchronous Transfer Mode
BSC - Base Station Controller
BSS - Base Station Subsystem
EIR - Equipment Identity Register
GGSN - Gateway GPRS Support Node
GPRS - General Packet Radio Service
GTP - GPRS Tunnelling Protocol
HLR - Home Location Register
IMEI - International Mobile Equipment Identity
IMSI - International Mobile Subscriber Identity
MS - Mobile Station
MSC - Mobile Switching Center
MSISDN - Mobile Subscriber Integrated Services Digital Network Number
MT - Mobile Terminal
PCM - Pulse-Code modulation
PDN - Packet Data Network
PDP - Packet Data Protocol
PDU - Packet Data Unit
PLMN - Public Land Mobile Network
PS - Packet Switched
RNC - Radio Network Controller
SGSN - Serving GPRS Support Node
UMTS - Universal Mobile Telecommunications System
VLR - Visitor Location Register

Основным стыком, используемым для взаимного подключения блоков и систем ЦСП, является интерфейс по рекомендации G.703 МСЭ-Т.

Формально данный стандарт основан на следующих рекомендациях МСЭ-Т: G.702 "Скорости передачи цифровой иерархии" (ПЦИ); G.704 "Структура синхронных кадров, основанных на первичном (1544 кбит/с) и вторичном (2048 кбит/с) уровнях"; I.430 "Основной интерфейс ISDN сети пользователя - первый уровень спецификации (протокол сигнализации D-канала)".

Интерфейс G.703 предназначен для обслуживания сетей с обеими цифровыми иерархиями - ПЦИ и СЦИ. Рассмотрим основные физические и электрические характеристики интерфейса, регламентируемые рекомендацией G.703:

1.Схема взаимодействия аппаратуры . Предусмотрены три схемы взаимодействия аппаратуры:

· Сонаправленный интерфейс (СНИ) (codirectional interface). Информационный и синхросигнал передаются от одного терминала к другому, причем терминалы равноправны и симметричны (Рис. 6.54);

· Разнонаправленный интерфейс (РНИ) (contradirectional interface). Терминалы неравноправны. Синхросигнал предается от управляющего к управляемому. Информационные сигналы симметричны (Рис. 6.55).

Рис. 6.55. Разнонаправленный интерфейс

· Интерфейс с центральным тактовым генератором (ЦГИ) (centralized clock interface). Синхросигналы поступают от центрального тактового генератора, информационные сигналы симметричны (Рис. 6.56).

Рис. 6.56. Интерфейс с центральным тактовым генератором

2.Скорость передачи и частота синхронизирующего сигнала . Данные параметры в основном соответствуют ПЦИ. Синхросигнал может поступать от отдельного источника или формируется из информационного сигнала. Частота синхросигнала может совпадать со скоростью передачи или может быть в два, четыре или восемь раз меньше. Например, для скорости 64 кбит/с номинальной является тактовая частота 64 кГц, но может применяться и частота 8 кГц.

3.Тип кода и алгоритм его формирования . Зависит от скорости передачи и схемы взаимодействия. Виды используемых кодов:

· AMI (Alternate Mark Inversion code) - двоичный код с изменением полярности сигнала на каждой единице, нуль соответствует отсутствию сигнала.

· B3ZS (Bipolar with 3 Zero Substitution code) - биполярный код с подстановкой альтернативных блоков вместо блоков из трех нулей. Аналог кода HDB2.

· B8ZS (Bipolar with 8 Zero Substitution code) - биполярный код с подстановкой альтернативных блоков вместо блоков из восьми нулей.

 CMI (Coded Mark Inversion code) - двухуровневый двоичный код без возвращению к нулю с изменением полярности на полный интервал на каждой единице и в середине каждого интервала "0".

 HDB2 / HDB3 (High-Density Bipolar code of order 2/3) - двухполярный код высокой плотности единиц порядка 2 или 3.

Следует отметить, что указанные типы кодов относятся только к интерфейсу , а не к линии в целом. Если применяются кабели с металлическими проводниками, то коды могут совпадать. Для ВОЛС тип кода заменяют двухуровневым.

4. Форма (маска) импульса и соответствующие поля допуска. Специфицируются для каждой скорости передачи и схемы взаимодействия.

5. Тип используемой кабельной пары для каждого направления передачи. Обычно применяются КК, СК или их сочетание.

6. Волновое сопротивление .

7. Максимальное напряжение импульса, уровень сигнала в паузе, длительность импульса .

В Табл. 6.8 приведены основные параметры интерфейса для различных скоростей передачи.

Обычно производители цифровых систем передачи ограничиваются частичной реализацией интерфейса G.703, например, только скорости 2048 кбит/с в случае канала СЦИ со скоростью 2 Мбит/с. Для скорости 64 кбит/с часто указывается схема взаимодействия аппаратуры. Для сигналов со скоростями ряда n64 кбит/с, характерного для ISDN, передаваемых через оборудование европейской ПЦИ при n=2..31, интерфейс G.703 должен иметь те же физические и электрические характеристики, что и интерфейс для скорости 2048 кбит/с.

Аппаратура может не иметь интерфейса G.703. Для этих случаев используются конверторы с наиболее популярных типов интерфейсов V.24/RS232, V.35, V.36/V.11, X.21/V.11, RS-530.

В GPRS для пакетной передачи данных и сигнализации разработаны Gn, Gb, Gp и Gi интерфейсы, в которых на уровне соединений использована технология пакетной передачи (например, Frame Relay или АТМ). Интерфейсы Gs, Gr и Gc – чисто сигнальные и реализованы на базе ОКС 7 (рис. 1).

Рис. 1. Логическая структура сети GSM/GPRS

Gn интерфейс – это туннель (рис. 2). Подуровни IP, UDP/TCP и GTP относятся ко второму уровню (соединений). При туннельной передаче между SGSN и GGSN (в общем случае между двумя GSN) дейтаграммы (пакеты) помещают в контейнеры (инкапсулируют) и передают без каких-либо изменений. При этом дейтаграмма, сохраняя внутреннюю адресацию на сетевом уровне (по протоколам IP или X.25), которая обеспечивает доступ к абоненту, имеет внешние адреса по IP протоколу для обозначения конечных узлов GSN туннеля. Для каждого абонента образуют индивидуальный туннель, помечая его идентификатором IMSI или соответствующим кодом.

Рис. 2. Структура туннельного протокола

Между BSS и SGSN организован Gb интерфейс. В настоящее время в сетях GSM/UMTS функционирует интерфейс Iu(PS), который также является туннельным соединением.

Для передачи по радиоканалу (Um-интерфейсу) дейтаграммы разбивают на блоки, обрабатывая на RLC/MAC уровнях, где их фрагментируют и подвергают необходимой обработке. Эти два протокольных уровня действуют на соединении BSS - MS (рис. 3).

Рис. 3. Интерфейс Um в GPRS

RLC/MAC (Radio Link Control / Medium Access Control) . RLC и МАС связаны между собой и необходимы для обеспечения высоконадежной передачи данных на радиоинтерфейсе. RLC уровень при передаче фрагментирует LLC-фреймы на RLC/MAC блоки, поступающие затем на MAC уровень. При приеме RLC воспроизводит LLC-фреймы из RLC/MAC блоков. RLC также выполняет функции мультиплексирования для того, чтобы более одной MS могли использовать один физический канал, а одна MS могла занять до 8 TS. При передаче с подтверждением RLC уровень осуществляет повторную передачу RLC/MAC блоков. MAC уровень управляет сигнальными процедурами через Um интерфейс, необходимыми для получения доступа к сети на радиоинтерфейсе (запрос и выделение радиоканала), включая постановку пакетов в очередь в соответствии с их приоритетом.

RCL/MAC уровень может работать как в режиме с подтверждением (Acknowledged operation), так и без подтверждения (Unacknowledged operation).

Для реализации однонаправленной передачи LLC-фреймов на PDCH организуют физическое соединение, называемое временным потоком блоков (Temporary Block Flow - TBF). Для TBF выделяют радиоресурс на одном или нескольких PDTCH. TBF создают только на время передачи данных.

Каждый RLC/MAC блок имеет информацию о том TBF, к которому он принадлежит. С этой целью TBF нумеруют: присваивают им идентификатор TFI (Temporary Flow Identifier). Возможны значения TFI от 0 до 31. TFI выделяет BSC и передает его MS в сообщении о выделении ресурса, предшествующем передаче информации. Этот идентификатор указывает на принадлежность RLC/MAC блока определенной MS.

Структуры RLC/MAC блоков для передачи каналов трафика (PDTCH) и каналов сигнализации (PACCH, PBCCH, PPCH, PAGCH, PNCH, PTCCH/D) различны. Различны также форматы RLC/МАС блоков для направлений вниз и вверх. RLC/MAC блоки для каналов трафика состоят из блока RLC данных (RLC data block) и так называемого MAC заголовка (MAC header) (рис.4). Блок RLC данных, в свою очередь, содержит RLC заголовок (RLC header) и RLC данные (RLC data unit). RLC/MAC блок для каналов сигнализации состоит из MAC заголовка и RLC/MAC сигнального блока (RLC/MAC control block). Последний, в свою очередь, при передаче информации вниз содержит сигнальный заголовок (Control header).

Рис. 4. Возможные структуры RLC / MAC блоков

MAC заголовок состоит из 8 бит и содержит несколько полей, различных для направлений вверх и вниз. В любом случае одно из полей указывает вид данного RLC/MAC блока. На линии вниз первые 3 бита MAC заголовка определяют флаг состояния канала вверх (Uplink State Flag - USF). Как было отмечено, USF указывает MS, может ли она использовать следующий блок мультикадра данного физического канала для передачи информации в направлении вверх.

RLC заголовок также содержит поля, различные для направлений вверх и вниз. Из информации, содержащейся в RLC заголовке, отметим идентификатор TFI и порядковый номер RLC/MAC блока (Block Sequence Number - BSN) в TBF. Для того, чтобы можно было запросить повторную передачу блоков, принятых с ошибками, используют нумерацию блоков.

Размер информационной части RLC/MAC блока может составлять 184, 271, 315 и 431 бит и зависит от используемой на физическом уровне одной из 4 схем канального кодирования. При передаче каналов сигнализации RLC/MAC блок имеет фиксированную длину - 184 бита. RLC/MAC блоки передают на физический уровень.

Об этапах развития мобильной связи и новых технологиях читайте в новой книге "Мобильная связь на пути к 6G ".