Описание сетей связи UMTS

Чтобы обеспечить радио покрытие заданный географической зоны, обычно требуется несколько базовых станций; т.е. каждый MSC должен взаимодействовать с несколькими базовыми станциями. Кроме того, для обеспечения покрытия страны может потребоваться несколько MSC.

1.5.5.2 Шлюз среды/сервер центра коммутации подвижной связи (MGW/сервер MSC)

Чтобы обеспечить в версии 4 сетевую архитектуру CS, не зависящую от носителя (а, следовательно, обеспечить универсальные IP-сети), MSC разделяется на шлюз среды (MGW), обеспечивающий передачу пользовательских данных, и сервер MSC для обеспечения сигнализации. Сервер MSC состоит, главным образом, из двух частей: управления соединениями (CC) и управления мобильностью MSC. Разделение на MGW и сервер MSC также приводит к созданию более независимой среды для обслуживания. Новые функциональные возможности CAMEL извлекают выгоду из этой концепции, когда управление обслуживанием становится независимым от устройства коммутации.

MGW является оконечным пунктом транспортной сети PSTN/PLMN и связывает UTRAN с CN через интерфейс Iu. MGW может служить окончанием каналов-носителей (B-каналов) в сети с коммутацией каналов и потоков данных разных форматов в сети с коммутацией пакетов (например, потоки RTP (транспортный протокол реального времени) в IP-сети).

1.5.5.3 Шлюз сигнализации (SGW)

Шлюз сигнализации (SGW) преобразует информацию сигнализации (в обоих направлениях) на транспортном уровне между сигнализацией на базе SS7, используемой в сетях до версии 4, и сигнализацией на базе протоколов IP, которая вероятно будет использоваться в пост-R99 сетях (т.е. между SCTP/IP Sigtran и MTP SS7). SGW не интерпретирует сообщений прикладного уровня (например, MAP, CAP, BICC, ISUP), но может интерпретировать нижележащий уровень SCCP (подсистема управления соединениями сигнализации) или SCTP (протокол передачи управления потоком), чтобы гарантировать правильную маршрутизацию сигнализации. Шлюз SGW будет необходим для обеспечения универсальной

IP-сети UMTS.

Функцию шлюза сигнализации можно реализовать как отдельный элемент или внутри другого элемента.

Рис. 10 Функция шлюза сигнализации

1.5.6 Элементы базовой сети - домен коммутации пакетов

(PS)

Рис. 11 Элементы базовой сети - домен PS

1.5.6.1 Обслуживающий узел поддержки GPRS (SGSN)

SGSN действует как пакетный коммутатор и маршрутизатор в домене PS базовой сети. SGSN управляет доступом мобильной станции к сети и маршрутизирует пакеты в правильный BSC/RNC. Он выполняет функции управления мобильностью (MM), как это делает MSC в домене CS базовой сети, такие как регистрация местоположения, корректировки зоны маршрутизации (RAU) и пейджинг. SGSN также обрабатывает функции обеспечения секретности, такие как аутентификация и шифрование (между MS/UE

и SGSN).

1.5.6.2 Шлюзовой узел поддержки GPRS (GGSN)

GGSN действует как пакетный маршрутизатор в домене PS базовой сети и является шлюзом между маршрутизацией пакетов IP в сети подвижной связи GPRS/UMTS и маршрутизацией пакетов IP в стационарных сетях Интернета. Он выполняет перенос пакетов между сетями IP-мультимедиа и соответствующим SGSN, который в текущий момент обслуживает MS/UE. Если MS меняет SGSN в течение режима готовности, GGSN используется в качестве буфера пакетов данных. GGSN сохраняет данные абонента для активных MS/UE и выполняет функции обеспечения секретности, такие как система защиты доступа и фильтрация.

1.5.7 Элементы базовой сети (CN) - Регистры

1.5.7.1 Домашний регистр (HLR)

Домашний регистр (HLR) является независимым элементом базовой сети до и включая версию 4. В сети версии 5 HLR заменяется HSS (сервер абонентов домашней сети - см. следующий раздел), который является расширенным вариантом HLR. HLR включает в себя всю административную информацию по каждому абоненту, зарегистрированному в определенной сети, информацию о разрешенных услугах и текущем местоположении мобильной станции. Местоположение мобильной станции обычно представляется в форме адреса сигнализации гостевого регистра (VLR), связанного с MS. Логически существует один HLR на сеть, хотя он может быть реализован как распределенная база данных.

HLR обеспечивает следующие функциональные возможности:

Поддержка элементов в домене PS, таких как SGSN и GGSN через интерфейсы Gr и Gc. Это необходимо для того, чтобы обеспечить доступ абонента к услугам области PS

Поддержка элементов в домене CS, таких как MSC/сервер MSC, через интерфейсы C и D. Это необходимо для того, чтобы обеспечить доступ абонента к услугам домена CS и роуминг в традиционных сетях GSM/домене CS сети UMTS.

1.5.7.2 Сервер абонентов домашней сети (HSS)

Рис. 12 HSS - расширенный вариант HLR

В сети UMTS версии 5 HSS заменяет HLR. HSS является расширенным вариантом HLR и включает все функциональные возможности HLR плюс дополнительные функции для поддержки функций IM подсистемы IP-мультимедиа (IMS). Пожалуйста, обращайтесь к разделу 1.5.8.

HSS является общим элементом доменов PS и CS. HSS - это основная база данных для заданного пользователя и содержит информацию, связанную с подпиской, чтобы поддерживать сетевые компоненты, обрабатывающие вызовы/сеансы, например, поддержка серверов управления соединениями для выполнения процедур маршрутизации/роуминга путем решения взаимозависимостей аутентификации, авторизации, разрешение присваивания имен/ адресации и определения местоположения.

Сеть UMTS может включать один или несколько HSS в зависимости от количества абонентов подвижной связи, пропускной способности оборудования и организации сети.

В HSS предусматриваются следующие функциональные возможности:

Функциональные возможности IM для обеспечения поддержки управляющих функций IMS, таких как функция управления состоянием соединения (CSCF). Это необходимо для обеспечения доступа абонента к услугам подсистемы IM CN

Расширенное множество функций HLR, требующееся для домена PS

Расширенное множество функций HLR, требующееся для домена CS, если требуется обеспечить доступ абонента к домену CS или обеспечить роуминг в традиционных сетях GSM/домене CS сети UMTS.

HSS включает следующую информацию, относящуюся к пользователю:

Информация идентификации пользователя, нумерации и адресации

Информация по обеспечению защиты пользователя

o	Информация управления доступом к сети для аутентификации и авторизации

Информация о местоположении пользователя на межсистемном уровне

o HSS обеспечивает регистрацию пользователей и сохраняет информацию о местоположении на межсистемном уровне и др.

Информация о профиле пользователя (т.е. установки параметров для определенных целей)

1.5.7.3 Гостевой регистр (VLR)

Гостевой регистр содержит выборочную административную информацию, полученную от HLR, необходимую для управления соединением и предоставления подписанных услуг каждому абоненту подвижной связи, находящемуся в настоящий момент в зоне местоположения (LA), управляемой VLR. Каждый раз при выполнении MS роуминга в новой LA гостевой регистр, охватывающий эту LA, информирует HLR о новом местоположении абонента. Затем HLR информирует VLR об услугах, доступных данному абоненту. VLR также управляет процессом присваивания TMSI.

Регистры HLR и VLR вместе с MSC обеспечивают возможности маршрутизации вызовов и роуминга в сети. В большинстве реализаций VLR интегрирован с MSC, а в UMTS версии 4 будет являться частью сервера MSC.

1.5.7.4 Центр аутентификации (AuC)

Центр аутентификации - это защищенная база данных, которая включает в себя индивидуальные идентификационные ключи абонентов (которые также включены в SIM) и предоставляет данные абонента в HLR и VLR (через HLR), используемые для аутентификации (проверки подлинности) и шифрования соединений.

1.5.7.5 Регистр идентификации оборудования (EIR)

Регистр EIR - это база данных, которая включает в себя перечень всего оборудования, действующего в сети подвижной связи, и в которой каждая MS идентифицируется с помощью IMEI. Идентификатор IMEI помечается как неправильный, если был представлен отчет о краже мобильной станции или если MS несанкционированного типа.

1.5.8 Подсистема IP-мультимедиа (IMS)

Рис. 13 Подсистема IP-мультимедиа

Подсистема IMS является основным отличием сети UMTS версии 4 от версии 5. IMS включает все элементы CN для обеспечения мультимедийных услуг. Услуги IP-мультимедиа (IM) базируются на возможности управления сеансом, определенной Рабочей группой инженерных проблем Интернета (IETF). Услуги IM вместе с мультимедийными носителями используют домен PS - возможно включая эквивалентный набор услуг в соответствующем подмножестве услуг CS.

Подсистема IMS позволяет операторам PLMN предлагать мультимедийные услуги своим абонентам, базируясь на встроенных приложениях, услугах и протоколах Интернета. 3GPP не стремиться стандартизировать такие услуги в пределах IMS. Цель состоит в том, чтобы эти услуги были развернуты операторами PLMN и независимыми поставщиками (посредниками), включая услуги в пространстве Интернета, использующие механизмы, обеспечиваемые Интернетом и IMS. Подсистема IMS должна обеспечить для пользователей радиосвязи конвергенцию и доступ к различным технологиям: телефония, видео, передача сообщений, передача данных и технологии на базе web, а также объединить развитие Интернета с развитием подвижной связи.

Далее описываются специфические функциональные элементы IMS.

CSCF, который играет три роли:

	Полномочный (Proxy)-CSCF (P-CSCF) - это первая контактная точка для UE в пределах IMS. Функция
управления стратегией (PCF) является логическим элементом P-CSCF
	Опрашивающий CSCF (I-CSCF) - это контактная точка в пределах сети оператора для всех соединений IMS,
предназначенных пользователю этого конкретного сетевого оператора
	Обслуживающий CSCF (S-CSCF) выполняет услуги управления сеансом для UE

Функция управления шлюзом среды (MGCF) выполняет преобразование протоколов между ISUP (подсистема пользователей ISDN) и протоколами управления соединениями IMS (например, преобразование ISUP/SIP (протокол инициирования сеанса))

Функция множества ресурсов (MFR) выполняет функции коллективных соединений и проведения мультимедийных конференций

Шлюз среды IP-мультимедиа (IM-MGW) завершает каналы-носители из сети с коммутацией каналов и потоки мультимедиа из сети с коммутацией пакетов. Шлюз IM-MGW может поддерживать преобразование среды, управление носителем и обработку загрузки (например, кодек, эхо-компенсатор, мост конференц-связи)

Глава вторая: Сетевые интерфейсы и протоколы UMTS

2.1 Обзор

На рисунке ниже приводится упрощенная схема архитектуры UMTS. На ней система UMTS разделена на 3 важные части: оборудование пользователя (UE), сеть доступа (UTRAN) и базовая сеть (CN).

Рис. 14 Упрощенная структура UMTS с представлением трех важных частей. Потоки информации, проходящие через UTRAN, логически делятся на две части:

Слой доступа (access stratum) - информация, необходимая для взаимодействия UE и UTRAN

Слой без доступа (non-access stratum, NAC) - информация, переносимая между CN и UE через UTRAN

Причина такого разделения состоит в необходимости переноса информации между CN и UE независимо от обработки радиосигналов в UTRAN.

2.2 Общая архитектура протоколов интерфейсов UTRAN

Протоколы интерфейсов UTRAN состоят из 3-х параллельных стеков протоколов:

Плоскость управления (control plane), которая среди прочего сопровождает информацию сигнализации, обеспечивающей транспортирование пользовательских данных

Плоскость пользователей (user plane) - это плоскость, в которой фактически осуществляется транспортирование пользовательских данных

Плоскость управления транспортной сетью (TNCP)

o	Транспортные каналы в плоскости	пользователей являются динамичными. Плоскость TNCP позволяет
	организовывать и удалять транспортные каналы на	заданном интерфейсе UTRAN

Рис. 15 Три стека протоколов, осуществляющих связь UE с CN через UTRAN.

2.2.1 Плоскость управления

Плоскость управления используется для организации сигнализации между UE и сетью. Плоскость управления включает в себя прикладной (верхнего уровня) протокол (RANAP/RNSAP/NBAP) и носитель сигнализации (нижнего уровня) для транспортирования сообщений прикладного протокола.

Прикладной протокол используется, например, для настройки носителей (например, носитель для радио доступа (RAB) или звено радиосвязи) на уровне сети радиосвязи, управляющий различными ресурсами передачи и передачей обслуживания. В трехплоскостной структуре параметры носителей в прикладном протоколе непосредственно не связаны с технологией плоскости пользователей; они являются общими параметрами носителей. Протоколы плоскости управления включают в себя механизм прозрачного переноса сообщений NAS.

Более низкий уровень для прикладного протокола - носители сигнализации - является частью плоскости пользователей транспортной сети. К действиям управления, требуемым для настройки носителей сигнализации, относятся действия эксплуатации и технического обслуживания (O&M).

2.2.2 Плоскость пользователей

Плоскость пользователей включает в себя потоки данных и носителей данных для потоков данных. Потоки данных характеризуются одним или более кадровыми протоколами, определенными для данного интерфейса. Протоколы плоскости пользователей реализуют услугу носителя радио доступа, т.е. переносят пользовательские данные в слое доступа.

Более низкий уровень в плоскости пользователей - носители данных - является частью плоскости пользователей транспортной сети. Плоскость управления транспортной сетью непосредственно управляет носителями данных в плоскости пользователей транспортной сети в процессе работы в режиме реального времени.

2.2.3 Плоскость управления транспортной сетью (TNCP)

Многие носители в сети UTRAN создаются динамически по требованию (в форме виртуального канала ATM) и впоследствии закрываются. TNCP осуществляет обработку данного процесса.

Плоскость TNCP не имеет уровня сети радиосвязи. Она включает протоколы ALCAP, необходимые для настройки транспортных носителей (носителя данных) для плоскости пользователей и носителя сигнализации для протоколов ALCAP. Плоскость TNCP позволяет сделать прикладной протокол в плоскости управления сети радиосвязи независимым от технологии носителя данных в плоскости пользователей.

Когда используется TNCP, транзакция сигнализации прикладного протокола плоскости управления запускает протокол ALCAP для настройки носителя данных. Протокол ALCAP является специфическим для используемой технологии плоскости пользователей. Однако ALCAP не используется для всех типов носителей данных. Если нет транзакции сигнализации ALCAP, плоскость TNCP не нужна вовсе. Это имеет место, когда используются предварительно сконфигурированные носители данных.

Носитель сигнализации для ALCAP всегда настраивается подуровнем O&M и может быть или того же типа, что и носитель сигнализации для прикладного протокола, или другого.

2.2.4 Сквозное представление протоколов UTRAN

Рис. 16 Плоскость управления UE - PS базовой сети (3G-SGSN)

Рис. 17 Плоскость управления UE - CS базовой сети (MSC)

В верхней части плоскости управления переносятся управляющие сообщения NAS. Эти сообщения используются для управления мобильностью GPRS/управления сеансом и управления мобильностью/управления соединениями (GMM/SM, соответствующие MM/CC): GMM/SM и MM/CC описываются в 3GPP TS 24.008. На Рисунке 2.5 приведена сводная информация о функциональных возможностях MM/GMM/SM/CC:

Управление мобильностью в режиме коммутации каналов и в режиме коммутации пакетов

	Коммутация каналов		Коммутация пакетов
	Управление мобильностью (MM)		Управление мобильностью GPRS (GMM)
		Регистрация	Прикрепление и открепление
	o	Индикация открепления IMSI	Перераспределение P-TMSI
	o	Обновление местоположения	Аутентификация и шифрование
		Обеспечение защиты
			Запрос идентификации/ответ
	o	Аутентификация
			Обновление зоны маршрутизации
	o	Идентификация
			Состояние/информация GMM
	o	Перераспределение TMSI
			Запрос/Принятие/Отказ	в предоставлении
		Управление соединением
			услуги
	o	Услуга CM
	o	ПрерываниеСмешанный
	o	Информация/статус MM
	Управление соединениями (СС) в режиме коммутации		Управление сеансом GPRS (SM)
	каналов		Активизация контекста	протокола пакетных
		Выполнение соединения	данных (PDP)
	o	Уведомление	Активизация контекста вторичного PDP
	o	Обработка/подтверждение вызова	Запрос активизации контекста PDP
	o	Соединение/подтверждение соединения
			Модификация запроса контекста PDP
	o	Ход выполнения
			Деактивизация контекста PDP
	o	Настройка
			Статус SM
		Информационная фаза соединения
	o	Модификация
	o	Информация пользователя
	o	Очистка соединения
	o	Разъединение
	o	Освобождение/завершение освобождения
		Управление дополнительными услугами
	o	Оборудование
	o	Удержание
	o	Поиск
		Смешанные функции
	o	Управление перегрузкой
	o	Уведомление
	o	Обработка DTMF
	o	Статус

SMS поддерживает службу коротких сообщений (SMS) для передачи исходящих и входящих сообщений подвижной связи, как описано в 3GPP TS 23.040. Информация по уровням протоколов слоя доступа дается в описании протоколов для конкретных интерфейсов.

Рис. 18 Плоскость пользователя UE - PS базовой сети.

Рис. 19 Плоскость пользователя UE - CS базовой сети.

2.3 Интерфейсы UTRAN

Для UTRAN определено четыре интерфейса: два внутренних (Iur и Iub) и два внешних (Iu и Uu). Каждый интерфейс переносит данные пользователя и информацию сигнализации. Данный документ сфокусирован на протоколах (сигнализации) плоскости управления.

2.3.1 Общая архитектура протоколов для интерфейсов UTRAN

Протоколы на каждом из интерфейсов UTRAN имеют общую структуру, как показано ниже.

Рис. 20 Общая структура интерфейсов UTRAN.

Каждый стек протоколов делится на верхний уровень (уровень сети радиосвязи) и нижний уровень (уровень транспортной сети). Верхние уровни используются для приложений и информации, которая выходит за пределы определенного интерфейса, тогда как нижний уровень гарантирует и выполняет транспортирование информации на определенном интерфейсе.

2.3.2 Интерфейс Iu

Интерфейс Iu соединяет UTRAN с CN. Интерфейс Iu разделяется на интерфейсы трех функциональных типов. Интерфейс Iu по направлению к домену CS называется Iu-CS. Интерфейс Iu по направлению к домену PS называется Iu-PS. Последний домен базовой сети - это домен BC, а интерфейс по направлению к домену BC - интерфейс Iu-BC. Интерфейс Iu-BC не рассматривается в этом документе. UTRAN отвечает за все аспекты, связанные с радиопередачей, включая мобильность UE в подключаемом режиме на уровне ячеек.

Рис. 21 Интерфейс Iu подключает UTRAN к CN

Базовая сеть (CN) отвечает за аспекты, относящиеся к обслуживанию оконечного пользователя, включая отслеживание UE в нерабочем режиме на уровне определения местоположения/маршрутизации.

Интерфейс Iu поддерживает общий набор услуг, предлагаемых UTRAN узлам CN, не обращая внимания на их тип.

2.3.3 Стек протоколов Iu-CS

Рис. 22 Стек протоколов плоскости управления Iu-CS.

Стек протоколов плоскости управления Iu-CS состоит из уровня носителя сигнализации, уровня транспортной сети и прикладного протокола на уровне сети радиосвязи.

В качестве носителя сигнализации для прикладного протокола сети радио доступ а (RANAP) используется широкополосная система сигнализации № 7. Это означает, что RANAP использует SCCP. Используются обе процедуры - с установлением соединения и без установления соединения. Подсистема переноса сообщений 3b (MTP3b) используется в SCCP. Протоколами обмена данными (интерфейсными протоколами) между протоколами ATM и SS7 являются SSCF-NNI, SSCOP и AAL5.

2.3.3.1 Уровень прикладного протокола сети радио доступ а

(RANAP)

Протокол RANAP инкапсулирует и переносит информацию сигнализации более высокого уровня, обрабатывает информацию сигнализации между 3G-SGSN и UTRAN, управляет соединениями GTP на интерфейсе Iu.

Протокол RANAP обеспечивает специфическое управление/сигнализацию для UTRAN, включая:

Общее управление RAB, такое как настройка, освобождение и техническое обслуживание

Транспортирование информации NAS между UE и CN, подобной информации MM и ретрансляции (широковещательной передачи)

Запросы пейджинга в UE

Информация о местоположении UE

Обработка ошибок

Обработка перегрузки

Управление соединениями Iu

Протокол RANAP определяется в 3G TS 25.413.

2.3.3.2 Уровень носителя сигнализации

Уровень носителя сигнализации состоит из нескольких уровней протоколов:

SCCP обеспечивает услуги без установления соединения и с установлением соединения для более высоких уровней. Соединения выполняются на базе мобильная станция - мобильная станция. SCCP определяется в рекомендации МСЭ-Т Q.716