Как работи GSM клетъчната мрежа
Автор: anjolio Източник: habrahabr
Как са подредени съвременните клетъчни мрежи?
Горната снимка показва общата структура на клетъчните мрежи. Първоначално мрежата е разделена на 2 големи подмрежи - мрежата за радио достъп (RAN - Radio Access Network) и комутационната мрежа или основната мрежа (CN - Core Network).
Искам да подчертая, че ще опиша точно съществуващите клетъчни мрежи за ОНД, тъй като в Европа, Америка и Азия мрежите са по-развити и тяхната структура е малко по-различна от нашите мрежи, ще пиша за това по-късно, ако има интерес.
Първо, бих искал да говоря общо за мрежата, а след това ще ви разкажа по-подробно за функциите на всеки от мрежовите елементи.
мрежа за радио достъп
Съществуващите мрежи за радиодостъп на нашите оператори са продукт на дълга еволюция, поради което се състоят от мрежа за радиодостъп до GSM (GERAN - GSM EDGE Radio Access Network) и мрежа за радиодостъп до UMTS (UTRAN - UMTS Terrestrial Radio Access Network). Горе вляво на снимката виждате GERAN, долу вляво съответно UTRAN. Най-големите промени при прехода от GSM към UMTS настъпват точно в мрежата за радиодостъп - операторът трябва да изгради втора мрежа и да покрие отново съществуващите територии.
Мрежата за радиодостъп е мрежата, която покрива обширни райони на градове и открити площи, поради което именно огромното покритие осигуряват клетъчните мрежи.
Референтна мрежа
Основната мрежа е ядрото на клетъчните мрежи. Името поддръжка е мой свободен превод, в GSM тази част от мрежата се нарича комутационна мрежа, в UMTS - Core Network, което всъщност може да се преведе като ядрото на мрежата. Към това ядро, като периферни устройства към системния модул,могат да бъдат свързани различни мрежи за радио достъп. Опорната мрежа се развива слабо поради еволюцията от GSM към UMTS, тази силна еволюция настъпва малко по-късно - западните и азиатските оператори вече я подминаха, но у нас тепърва започва.
Основната мрежа на снимката по-горе е разделена на 2 части - горната дясна част отговаря за гласови връзки или CS връзки (Circuit Switch), долната дясна част отговаря за пакетни връзки или PS връзки (Packet Switch).
Опорната мрежа е съсредоточена в една или повече сгради, собственост на мобилен оператор, в големи компютърни зали - с други думи, огромна сървърна зала, където има голям брой шкафове за оборудване, понякога ги наричат и хладилници, защото изглеждат много подобни :)
HLR - Home Location Register, Home Location Register По същество това е голяма база данни, която съхранява всичко за даден абонат на дадена мрежа. В големите мрежи, като тези на Big Three операторите, има няколко такива възела - те са разпръснати по региони. Техният брой се измерва в единици парчета. За да разберете правилата - има един такъв възел в Санкт Петербург, друг в Москва, друг в Урал, още един в Кавказ, в Сибир - 3-4 неща ... На практика това може да бъде разпределена база данни, защото капацитетът на един HLR може да не е достатъчен, за да съхранява данни за всички абонати. След това операторът закупува друго HLR (физическо устройство) и организира разпределена база данни.
Каква информация се съхранява там? В по-голямата си част това е информация за услугите, свързани с абоната: — може ли абонатът да извършва изходящи повиквания — може ли абонатът да изпраща/получава SMS —разрешена ли е услугата за конферентен разговор — добре, и всички други възможни услуги Тук се съхранява също важна информация, като напр.идентификатор на MSC, в който в момента се намира абонатът. По-късно ще видим за какво може да е това.
MSC - Mobile Switching Center, комутационен център за мобилни абонати; VLR - Visitor Location Register, регистър на гост абонати. Логично, това са 2 отделни възела, но на практика това се реализира в едно и също устройство. VLR съхранява копие на данните, които се записват в HLR с единствената разлика, че вече няма информация за MSC, в който се намира абонатът. Тук се съхранява информация за това на коя BSC се намира дадения абонат в зоната на покритие. Е, тук, разбира се, се съхраняват данни само за тези абонати, които сега са в зоната на покритие на MSC, към която е свързан този VLR.
MSC е класически превключвател (разбира се, не класическият, който може да се види в музеите, където бабите са седели и са включвали кабели). Основните му функции са за изходящо повикване - да определи къде да превключи повикването, за входяща връзка - да определи към кой BSC да изпрати повикването. За да изпълни тези функции, той се обръща към VLR за съхраняваната там информация. Тук си струва да се отбележи, че това е плюс на разнообразието на HLR и VLR - MSC няма да чука на HLR всеки път, когато абонатът има нужда от нещо, но ще направи всичко сам. MSC също събира данни за фактуриране, след което тези данни се подават към съответните системи.
AUC - AUthentication Center, център за удостоверяване на абонати. Този възел е отговорен за гарантирането, че нападател не може да получи достъп до мрежата от ваше име. Този възел също генерира ключове за криптиране, които криптират връзката ви към мрежата на най-уязвимото място - на въздушния интерфейс.
GMSC - Gateway MSC, ключ за шлюз. Този хост се използвасамо за входящи повиквания. Операторите имат определен номерационен капацитет, шлюзовете на комуникационните мрежи (клетъчни, фиксирани) се сравняват с този номерационен капацитет. Когато наберете номер на приятел, вашето обаждане достига до комутатора (MSC) във вашата мрежа и той определя къде да изпрати това обаждане след това въз основа на съпоставянията, които има между номерата и мрежовите шлюзове. Обаждането се изпраща до GMSC на клетъчния оператор, който вашият приятел използва. След това GMSC отправя заявка към HLR и открива на кой MSC повикваният абонат в момента е в зоната на покритие. Там по-нататък обаждането се пренасочва.
SGSN - Обслужващ възел за поддръжка на GPRS, обслужващ възел за поддръжка на GPRS. Този възел е отговорен за определянето как да се предоставят услуги въз основа на заявения APN (Име на точка за достъп, точки за достъп, например mms.beeline.ru). Също така на този възел се извършва изчисляването на трафика.
GGSN - Gateway GPRS Support Node, GPRS поддържащ шлюзов възел. Е, това е шлюзът, отговорен за правилното доставяне на пакети до потребителя.
BSC - Base Station Controller, контролер на базова станция. Възелът, към който са свързани базовите станции, след това той управлява базовите станции - определя на кой абонат къде колко ресурси да разпредели, определя как да се извършват хендовери. Когато от MSC постъпи сигнал за входяща връзка за абонат, контролерът извършва процедурата за пейджинг - чрез всичките си подчинени базови станции изпраща повикване до този абонат, който трябва да се обади обратно през една от базовите станции.
BTS - Base Transceiver Station, базова приемо-предавателна станция. Това е нещо, което е непосредствено близо до самия потребител. Именно базовите станции формират самата мрежа, която клетъчните оператори покриват, тя е от технитеразмерът на завистта е територията, на която се предоставят услуги от мобилните оператори. Всъщност това е доста глупаво устройство, то предоставя на потребителите отделни комуникационни канали, преобразува сигнала във високочестотен сигнал, който ще бъде излъчен, и, добре, извежда този много високочестотен сигнал към антените. Но можем да наблюдаваме антените всеки ден.
Искам да отбележа, че антените не са базова станция :) Базовата станция прилича на хладилник - шкаф с модули, който стои на специално място. Това е специално място - например сини ремаркета, които са поставени под червено-белите кули някъде в предградията.
RNC - Radio Network Controller, мрежов контролер за радио достъп. Всъщност той играе същата роля като BSC в GERAN.
NodeB, базова станция в UMTS. Аналог на BTS в GSM.
Като цяло тук са описани всички жизненоважни елементи на една GSM/UMTS мрежа. Тук не съм споменал още някои възли, като SMS-C (SMS-център), MMS-C (MMS-център), WAP-GW (WAP-шлюз).