Об эволюции сетей мобильной связи
Немного о том, как эволюционировали сети мобильной связи и об основных элементах их архитектуры.
Напомню, что все технологии мобильных сетей базируются на открытых стандартах. В Европе основным органом такой стандартизации является Европейский институт стандартизации электросвязи (http://etsi.org), а также, созданный при нем, партнерский проект 3GPP (http://3gpp.org). Различные стандарты формировались в «пакеты» (которые назывались «фазы», а позднее - «релизы»), произаодители выпускали оборудование, строились сети, разработка стандартов продолжалась, выходил новый релиз и так далее.
Итак, архитектура классической GSM сети (по релизам GSM Фаза 1 (1992 год), Фаза 2 (1995 год) и Release 96) состояла из таких элементов:
HLR (Home Location Register) - база данных, в которой хранится постоянная информация абонента (информация о номере, IMSI, сервисах и т.д.), также функция HLR состоит в контроле процесса перемещения мобильных абонентов.
AuC (Authentication Centre) - предназначен для аутентификации каждой SIM карты которая пытается присоединиться к GSM-сети. Также в нем генерируется шифровальный ключ, который периодически используется для шифрования беспроводного соединения между мобильным телефоном и сетью.
MSC (Mobile Switching Center) - собственно коммутатор сети (такая себе АТС), который отвечает за коммутацию и маршрутизацию вызовов, формированием записей для биллинга, синхронизацией сети и т.д.
GMSC (Gate MSC) - шлюзовой MSC, коммутатор, который обрабатывает вызовы, приходящие из/на внешних сетей (PSTN или ТФоП). Его функции может выполнять как абонентский MSC, так и отдельное устройство.
VLR (Visitors Location Register) - временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия определённого MSC. Каждая базовая станция в сети приписана к определённому VLR, так что абонент не может присутствовать в нескольких VLR одновременно. Основной задачей является контроль перемещения абонентов в сети.
Также в сетях могли применяться:
SMSC (Short Message Service Centre) - сервисный центр для обработки SMS и сервисов на их основе.
EIR (Equipment Identity Register) - реестр идентификации оборудования, который позволяет заблокировать доступ в сеть ворованным/контрабандным телефонам по IMEI. Реестр, который так долго и безуспешно пытаются внедрить в Украине.
Все перечисленные элементы формируют т.н. CS-domain (домен коммутации каналов) и составляют «ядро» сети.
Подсистема базовых станций (BSS-subsystem) состоит из:
BSC (Base Station Controller) - контроллер базовых станций, управляет работой базовых станций, контролирует процесс передачи данных от одной БС до другой (handover), руководит процессом назначения радиоканалов.
BTS (base transceiver station) - собственно базовая станция - приемники, передатчики, усилители, антенны - обеспечивает радиопокрытие определенного участка сети.
Идем далее, в Release 97 появляется поддержка GPRS, на сетях появляются новые элементы:
SGSN (Serving GPRS Support Node) - узел обслуживания абонентов GPRS, основной компонент GPRS-системы по реализации всех функций обработки пакетной информации. SGSN выступает точкой соединения между системой базовых станций (BSS) сети радиодоступа (RAN) и базовой сетью (CN). SGSN можно назвать аналогом коммутатора MSC сети GSM.
GGSN (GPRS Gateway Service Node) - шлюз для выхода в интернет и соединениями с другими пакетными сетями.
На BSC добавляется PCU (Packet Control Unit) - блок управления пакетами, его функции схожи с функциями BSC, но для сети передачи данных.
В Release 98 появляется поддержка EDGE, основные элементы сети остаются теми же, операторам нужно поменять или добавить приемопередатчики с поддержкой модуляций EDGE, расширить транспорт и обновить ПО.
В Release 99 появляется поддержка UMTS, при этом основным требованием является минимальные изменения существующих сетей. Появляются такие элементы:
RNC (Radio Network Controller) - контроллер базовых станций в UMTS
NodeB - так стали называть базовые станции стандарта UMTC
В 2001 году выходит новый релиз под названием Release 4, в нем основные изменения коснулись core-части
Связка MSC/VLR заменялась на MSC-server, который управляет вызовами (сигнализация, мобильность и т.д.) и MGW (Mediag Gateway), который непосредственно осуществляет коммутацию вызовов. Таким образом, соre-часть стала распределенной.
В Release 5 изменения коснулись как сети доступа, так и соre-части:
Был заложен переход всего транспорта на IP (но TDM также поддерживается, операторы сами принимают решение о необходимости перехода на IP)
Для предоставления мультимедийных услуг в реальном времени, вводится еще один домен - IMS (IP Multimedia Subsystem), для предоставления услуг используется SIP-протокол (например, таким образом VoIP звонок может быть смаршрутизирован на обычную фиксированную сеть).
Кроме того, HLR и AuC заменяются на единый HSS (Home Subscriber Sever), который может взаимодействовать с IMS и обеспечивать подписку на мультимедиа услуги.
На этом этапе сервисы и использование сети становятся важнее, чем используемые технологии.
Дальнейшие релизы (Release 6, 7) описывали новые услуги, кодеки, диапазоны частот, увеличенные скорости вверх/вниз, но основные элементы архитектуры не менялись.
В Release 8 были впервые описаны сети LTE, но т.к. в Украине не существует принципа технологической нейтральности, и когда у нас появится LTE неизвестно, то пока рассматривать эти релизы рано, хотя в 3GPP уже работают над Release 14.
Напомню, что все технологии мобильных сетей базируются на открытых стандартах. В Европе основным органом такой стандартизации является Европейский институт стандартизации электросвязи (http://etsi.org), а также, созданный при нем, партнерский проект 3GPP (http://3gpp.org). Различные стандарты формировались в «пакеты» (которые назывались «фазы», а позднее - «релизы»), произаодители выпускали оборудование, строились сети, разработка стандартов продолжалась, выходил новый релиз и так далее.
Итак, архитектура классической GSM сети (по релизам GSM Фаза 1 (1992 год), Фаза 2 (1995 год) и Release 96) состояла из таких элементов:
HLR (Home Location Register) - база данных, в которой хранится постоянная информация абонента (информация о номере, IMSI, сервисах и т.д.), также функция HLR состоит в контроле процесса перемещения мобильных абонентов.
AuC (Authentication Centre) - предназначен для аутентификации каждой SIM карты которая пытается присоединиться к GSM-сети. Также в нем генерируется шифровальный ключ, который периодически используется для шифрования беспроводного соединения между мобильным телефоном и сетью.
MSC (Mobile Switching Center) - собственно коммутатор сети (такая себе АТС), который отвечает за коммутацию и маршрутизацию вызовов, формированием записей для биллинга, синхронизацией сети и т.д.
GMSC (Gate MSC) - шлюзовой MSC, коммутатор, который обрабатывает вызовы, приходящие из/на внешних сетей (PSTN или ТФоП). Его функции может выполнять как абонентский MSC, так и отдельное устройство.
VLR (Visitors Location Register) - временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия определённого MSC. Каждая базовая станция в сети приписана к определённому VLR, так что абонент не может присутствовать в нескольких VLR одновременно. Основной задачей является контроль перемещения абонентов в сети.
Также в сетях могли применяться:
SMSC (Short Message Service Centre) - сервисный центр для обработки SMS и сервисов на их основе.
EIR (Equipment Identity Register) - реестр идентификации оборудования, который позволяет заблокировать доступ в сеть ворованным/контрабандным телефонам по IMEI. Реестр, который так долго и безуспешно пытаются внедрить в Украине.
Все перечисленные элементы формируют т.н. CS-domain (домен коммутации каналов) и составляют «ядро» сети.
Подсистема базовых станций (BSS-subsystem) состоит из:
BSC (Base Station Controller) - контроллер базовых станций, управляет работой базовых станций, контролирует процесс передачи данных от одной БС до другой (handover), руководит процессом назначения радиоканалов.
BTS (base transceiver station) - собственно базовая станция - приемники, передатчики, усилители, антенны - обеспечивает радиопокрытие определенного участка сети.
Идем далее, в Release 97 появляется поддержка GPRS, на сетях появляются новые элементы:
SGSN (Serving GPRS Support Node) - узел обслуживания абонентов GPRS, основной компонент GPRS-системы по реализации всех функций обработки пакетной информации. SGSN выступает точкой соединения между системой базовых станций (BSS) сети радиодоступа (RAN) и базовой сетью (CN). SGSN можно назвать аналогом коммутатора MSC сети GSM.
GGSN (GPRS Gateway Service Node) - шлюз для выхода в интернет и соединениями с другими пакетными сетями.
На BSC добавляется PCU (Packet Control Unit) - блок управления пакетами, его функции схожи с функциями BSC, но для сети передачи данных.
В Release 98 появляется поддержка EDGE, основные элементы сети остаются теми же, операторам нужно поменять или добавить приемопередатчики с поддержкой модуляций EDGE, расширить транспорт и обновить ПО.
В Release 99 появляется поддержка UMTS, при этом основным требованием является минимальные изменения существующих сетей. Появляются такие элементы:
RNC (Radio Network Controller) - контроллер базовых станций в UMTS
NodeB - так стали называть базовые станции стандарта UMTC
В 2001 году выходит новый релиз под названием Release 4, в нем основные изменения коснулись core-части
Связка MSC/VLR заменялась на MSC-server, который управляет вызовами (сигнализация, мобильность и т.д.) и MGW (Mediag Gateway), который непосредственно осуществляет коммутацию вызовов. Таким образом, соre-часть стала распределенной.
В Release 5 изменения коснулись как сети доступа, так и соre-части:
Был заложен переход всего транспорта на IP (но TDM также поддерживается, операторы сами принимают решение о необходимости перехода на IP)
Для предоставления мультимедийных услуг в реальном времени, вводится еще один домен - IMS (IP Multimedia Subsystem), для предоставления услуг используется SIP-протокол (например, таким образом VoIP звонок может быть смаршрутизирован на обычную фиксированную сеть).
Кроме того, HLR и AuC заменяются на единый HSS (Home Subscriber Sever), который может взаимодействовать с IMS и обеспечивать подписку на мультимедиа услуги.
На этом этапе сервисы и использование сети становятся важнее, чем используемые технологии.
Дальнейшие релизы (Release 6, 7) описывали новые услуги, кодеки, диапазоны частот, увеличенные скорости вверх/вниз, но основные элементы архитектуры не менялись.
В Release 8 были впервые описаны сети LTE, но т.к. в Украине не существует принципа технологической нейтральности, и когда у нас появится LTE неизвестно, то пока рассматривать эти релизы рано, хотя в 3GPP уже работают над Release 14.