Архитектура и интерфейсы GPRS

Стандартом ETSI [80] предусмотрена эталонная архитектура сети GPRS, представленная на рис. 10.8.

Рис. 10.8. Эталонная архитектура GPRS-сети

 

На рис. 10.9 приведена типовая структурная схема сети GSM с поддержкой радиослужбы GPRS. Основу такой сети составляют следующие компоненты, основные из которых кратко описаны в предыдущем разделе.

BG (Border Gateway) – пограничный шлюз;

CG (Charging Gateway) – шлюз связи с системой тарификации;

BSS (Base Station Subsystem) – подсистема базовой станции;

BTS (Base Transceiver Station) – базовая приемопередающая станция;

TRAU (Transceiver and Rate Adaption Unit) – транскодер и адаптер согласования скоростей;

EIR (Equipment Identification Register) – регистр идентификации оборудования;

GMSC (Gateway MSC) – шлюзовый мобильный центр коммутации;

HLR (Home Location Register) – домашний регистр положения;

Рис. 10.9. Структурная схема сети сотовой связи GSM с поддержкой радиослужбы GPRS

 

IWMSC (Inter-working MSC) – MSC для обеспечения межсетевого обмена;

MSC/VLR (Mobile Switching Center/Visitor Location Register) – мобильный центр коммутации, терри- ториально совмещенный с визитным регистром положения;

SM-SC (Short Message Switching Center) – центр коммутации коротких сообщений;

ТЕ (Terminal Equipment) – оконечное оборудование;

МТ (Mobile Terminal) – мобильный терминал;

PCU (Packet Controller Unit) – контроллер пакетов;

SGSN (Serving GPRS Support Node) – сервисный узел поддержки GPRS;

GGSN (Gateway GPRS Support Node) – шлюзовый узел поддержки GPRS;

Представленная на рис. 10.9 сеть GPRS сопрягается со следующими внешними сетями:

PDN (Public Data Network) – сеть передачи данных общего пользования;

PLMN (Public Land Mobile Network) – сеть сухопутной подвижной связи общего пользования;

PSTN (Public Switched Telephone Network) – коммутируемая телефонная сеть общего пользования.

Сервисный узел SGSN является новым сетевым элементом, который находится на том же иерархическом уровне, что и MSC/VLR, и имеет интерфейсы с подсистемой BSS, соседними SGSN и шлюзовым узлом GGSN. Во время процесса управления доступом к сети узел SGSN принимает участие в процедурах аутентификации абонентов, шифрации сообщений, закрытии абонентов временными номерами при работе в пакетной сети (P-TMSI), санкционирования доступа, ведет базу данных обслуживаемых пакетной сетью абонентов, хранит информацию о текущем положении абонентов, обеспечивая их локализацию (процедуры Mobility Management) и требуемый QoS.

Управление мобильностью для абонентов, находящихся в зоне его обслуживания, реализуется на основе тех же принципов, что и в MSC/VLR. Узел SGSN можно рассматривать как «MSC с коммутацией пакетов». Он передает пакеты данных на мобильный терминал в своей зоне обслуживания и посылает запросы основным регистрам местоположения, регистрирует новых абонентов и отслеживает их перемещения в зоне действия. SGSN обеспечивает взаимодействие с MSC/VLR и HLR сети подвижной связи с коммутируемыми каналами, предоставляет информацию об оказанных услугах для биллинга абонентов.

SGSN отвечает за коммутацию входящего трафика к подсистеме BSS и исходящего к сетевым элементам, которые устанавливают связь с внешними сетями PDN, конвертирование протоколов IP-сети в протоколы BSS (преобразование кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP сети Интернет). Узел SGSN обеспечивает передачу/прием трафика в виде IP-пакетов к/от мобильному абоненту.

Таким образом, узел SGSN выполняет также задачи маршрутизации и доставки пакетов от MS до удаленной сети PDN и обратно, сбор данных о трафике абонентов. SGSN призван разгрузить GSM-коммутатор, обеспечивая обработку пакетной информации, оставляя обычному коммутатору лишь голосовой трафик.

Узел SGSN позволяет обслуживать всех абонентов, работающих в режиме GPRS в пределах своей зоны обслуживания. Под обслуживанием понимается выполнение следующих основных процедур: аутентификация мобильного абонента, проверка терминала, шифрование данных, регистрация состояния мобильного абонента при переходе в режим GPRS и выходе из него, активизация и деактивация режима передачи/приема данных (режим Ready), переход в режим ожидания (Standby), регистрация и учет местоположения в регистре VLR всех абонентов, находящихся в зоне обслуживания данного SGSN. В результате функции регистра VLR распределены между MSC и SGSN.

Таким образом, SGSN находится на одном уровне с коммутатором и выполняет, в принципе, аналогичные задачи: отслеживает местоположение мобильных терминалов и осуществляет взаимодействие с ними. За счет такой структуры в GPRS сети может быть существенно повышена стабильность всей сети GSM в целом. Дело в том, что пейджинг терминалов (поиск конкретного абонента) и прием/передача SMS могут осуществляться по GPRS кана- лам, не загружая обычные контрольные каналы, которые не отличаются большой пропускной способностью. Разумеется, степень разгрузки сети зависит от конкретной реализация GPRS подсистемы и количества терминалов с поддержкой GPRS.

В SGSN имеется регистр местоположения (Location Register), в котором для всех абонентов, зарегистрированных на данном SGSN, хранится информация, связанная с положением абонента (текущая сота, данные из VLR) и информация, относящаяся к абоненту (номер IMSI, адреса, используемые в PDN).

SGSN соединен с подсистемой базовой станции, а именно подключен к блоку управления пакетами PCU с использованием интерфейса Gb на основе Frame Relay. Фактически на узле SGSN также имеется регистр учета абонентов (их состояния, местоположения и пр.), который дополняет данные, хранящиеся в MSC/VLR.

Выход узла SGSN во внешние сети PDN осуществляется подключением его к узлу – шлюзу GGSN, который, в свою очередь, непосредственно соединен с сетью PDN или провайдером ISP. Взаимодействие между SGSN и GGSN происходит посредством Gn-интерфейса по сети TCP/IP с использованием IP-адресов. Следовательно, обмен данными между этими узлами может происходить как по локальной IP-сети оператора, так и по сетям обще- го пользования.

В сети GSM может быть от одного до нескольких узлов SGSN в зависимости от нагрузки и общего количества пользователей услуг GPRS.

Пакеты направляются в сторону абонента через BSC (Gb-интерфейс) к BTS (Abis-интерфейс) и далее по радиоинтерфейсу Um к MS. В BSC происходит сложение нагрузки от MSC и нагрузки от SGSN и далее информация (голос и пакетные данные) через трансиверы BTS доставляется различным или одному абоненту, работающему в режиме GSM-GPRS.

Шлюзовый узел GGSN является новым сетевым элементом, служащим для взаимодействия между внешними сетями передачи данных PDN, поддерживающих протоколы IP, Х.25 и подсистемой коммутации пакетов сети GSM (опорной сетью GPRS). GGSN преобразует пакеты, поступающие от SGSN в формат, определяемый протоколом IP или Х.25 и отсылается в соответствующую сеть. При передаче сообщений из внешней сети IP-адреса преобразуются, например, в GSM-адреса получателей, и пакет пересылается в соответствующий узел SGSN.

GGSN расположен на том же иерархическом уровне, что и шлюзовый центр коммутации GMSC в сети GSM. Узел GGSN отвечает за маршрутизацию поступающих из внешней сети пакетов данных, при поступлении которых он передает запрос в домашний регистр местонахождения HLR, чтобы определить узел SGSN, который в данное время обслуживает абонента. Организует создание туннелей между абонентами и соответствующими опорными шлюзами GGSN. Узел хранит маршрутную информацию, необходимую для туннелиро-вания протокольных блоков данных обслуживающим узлам SGSN. В оборудовании GGSN реализованы функции обеспечения безопасности, обработки счетов абонентов, динамического выделения IP-адресов, хранение маршрутизирующей базы данных, базы данных с адресами и фильтрующей базы данных.

С точки зрения внешней сети узел GGSN выглядит как некая «диспетчерская станция», владеющая адресами всех IP-абонентов, обслуживаемых системой GPRS.

В случае внешней IP-сети, GGSN выглядит как обычный маршрутизатор IP, обслуживающий все IP-адреса подвижных станций, обслуживаемых системой GPRS. Этот узел может включать в себя механизмы фильтрования пакетов и firewall (защитного экрана).

Узлы SGSN и GGSN могут взаимодействовать друг с другом, используя IР-маршрутизаторы. Обмен пакетами данных между ними осуществляется по магистральной линии с использованием туннельного протокола GTP (GPRS Tunnel Protocol), который обеспечивает инкапсулирование пакетов в прозрачном режиме. Вновь введенные узлы GPRS предназначены для наращивания сетевой инфраструктуры на базе IP-протокола. Что же касается их конкретного расположения в сети, то оно может быть различным: они могут быть физически объединены в одном узле сетевой структуры (GSN) или распределены по сети. Такой подход к построению совмещенной сети GSM/GPRS позволяет оператору начать предоставление услуг на небольших сегментах сети с малым числом узлов SGSN и GGSN при минимальных первоначальных затратах.

Когда SGSN и GGSN расположены в одном узле GSN (GPRS Support Node), то они В взаимодействуют через интерфейс Gn. В случае их расположения в разных сетях PLMN связь между ними осуществляется через интерфейс Gp (см. рис. 10.9). Отличие интерфейса Gp от Gn в том, что Gp не только выполняет все функции интерфейса Gn, но и дополнительно обеспечивает повышенные меры безопасности, которые необходимы при установлении межсетевых соединений между разными PLMN. Характеристики интерфейсов приведены ниже. Опорный узел GSN обеспечивает сжатие данных с обнаружением и исправлением ошибок. Кроме того, для GPRS поддерживаются многие функции безопасности GSM и протоколы криптозащиты. Опорные узлы GSN могут также осуществлять транспорт коротких сообщений SMS по интерфейсу Gj между сервисным узлом SGSN и центром коротких сообщений. Координирование трафика GPRS и GSM осуществляется по интерфейсу Gs между сервисным узлом SGSN и MSC/VLR.

Каждый абонент в совмещенной сети GSM/GPRS «закрепляется» за одним или несколькими обслуживающими узлами SGSN с помощью домашнего регистра местоположения HLR. Узел SGSN может запрашивать сведения об абонентах, взаимодействуя с регистром HLR через интерфейс Gr.

Сведения об абонентах может также запрашивать шлюзовой узел GGSN, взаимодействуя с основным регистром положения HLR через интерфейс Gc. Связь между внешней сетью PDN и сетью GSM/PLMN поддерживается с помощью GGSN через интерфейс Gi.

GPRS может быть использована для более эффективной доставки коротких сообщений (SMS). С этой целью организуют Gd интерфейс между SGSN и шлюзовым MSC, выполняющим функции межсетевого взаимодействия сети GSM и сервис-центра коротких сообщений (Short Message Service Center SM-SC) при передаче входящих (SMS-GMSC) и исходящих (SMS-IWMSC) сообщений.

Блок управления пакетами PCU является модернизацией подсистемы BSS и отвечает за функцию предоставления радиоресурсов. Контроллер базовой станции (BSC) при этом управляет радиоресурсами, назначенными для использования в режиме коммутации каналов, a PCU управляет радиоресурсами для трафика GPRS. В функции PCU входят управление доступом к каналам, их связывание, а также сегментация и восстановление пакетов.

Блок кодека каналов CCU также является модернизацией подсистемы BSS и реализует новые схемы кодирования, управление мощностью и процедуры синхронизации. Первоначально большинство операторов вводят кодеки CS1 и CS2, так как при этом требуется лишь модернизация программного обеспечения BTS, в то время как кодеки CS3 и CS4 требуют модификации самой BTS.

Расширение функций HLR требуется для хранения новых абонентских данных, связанных с услугой GPRS. Расширение HLR обычно представляет собой новую версию программного обеспечения. Как и в сети GSM, регистр HLR принимает участие в процедурах регистрации, аутентификации, авторизации, шифрования и управления мобильностью.

Узел, сконфигурированный в качестве шлюза GGSN, может соединяться с сервисными узлами SGSN по интерфейсу Gn через магистральную сеть IP/ATM. Узел GGSN реализует функции шлюза и взаимодействия с внешними пакетными сетями по интерфейсу Gi. Учитывая прогнозируемое использование Интернет в качестве основного источника приложений и доминирующее положение сетей IPv4 и IPv6, оборудование GPRS должно обеспечивать поддержку IP на всех транспортных уровнях, включая ATM и Frame Relay.

Для поддержки функций GPRS специфицировано 9 новых интерфейсов: интерфейсы передачи данных и сигнализации Gb, Gn, Gi, Gp, Gd и интерфейсы сигнализации Ga, Gs, Gf, Gc. Эталонная модель GPRS, изображенная на рис. 10.2, показывает основные сетевые элементы GSM и GPRS, а также интерфейсы между ними.

Интерфейс Ga – интерфейс сбора тарифицируемых данных между блоком, передающим CDR и принимающим CDR (т.е. между SGSN или GGSN и CG).

Интерфейс Gi – является эталонной точкой между внешними сетями PDN и сетью GSM/GPRS. Операторы GPRS и PDN должны согласовать технологию передачи на нижних уровнях модели, используемую для соединений своих сетей. Действующими стандартами GPRS специфицировано взаимодействие по протоколам Х.25, IPv4, IPv6.

Интерфейс Gn служит для передачи полученного из внешней сети пакета данных от GGSN к SGSN, в зоне обслуживания которого в данное время находится абонент. Данные пользователя передаются прозрачно между внешней сетью PDN и станцией мобильной связи GPRS. Для этого на интерфейсе Gn применяются специальные методы, известные как формирование пакетов и туннелирование. Gn – интерфейс между двумя узлами GSN в пределах той же самой PLMN.

Интерфейс Gb служит для соединения SGSN с BSS (PCU) и управления логической связью с мобильной станцией GPRS. Блок PCU принимает инструкции с указанием качества обслуживания, которое должно предоставляться пакету данных пользователя при передаче через радиоинтерфейс.

Интерфейсы Gp и Gd являются опциональными и используются между SGSN разных сетей и между SGSN и шлюзом SMS (SMS-GMSC/SMS-IWMSC) соответственно. Gp – интерфейс между двумя узлами GSN, находящихся в различных PLMN. Gd – интерфейс между узлами SMS-GMSC и SGSN и между узлами SMS-IWMSC и SGSN.

В дополнение к уже упомянутым интерфейсам, которые используются для передачи пользовательских данных и сигнализации, определены четыре чисто сигнальных интерфейса.

Интерфейс Gr между узлом SGSN и регистром HLR – единственно обязательный интерфейс из этих четырех. Если абонент оказывается в области обслуживания SGSN, то SGSN может запросить информацию об абоненте из HLR через интерфейс Gr.

Интерфейс Gc между узлом GGSN и регистром HLR служит для запроса текущего местоположения абонента при поступлении первого пакета данных в GGSN. При отсутствии интерфейса Gc, запрос может быть передан через интерфейс Gn на SGSN, который затем переправляет запрос в HLR через интерфейс Сr. После этого HLR доставляет информацию маршрутизации в SGSN, который пропускает ее в GGSN.

Интерфейс Gf между узлом SGSN и регистром EIR – необязательный, поскольку регистр EIR является опциональным элементом в любых сетях GSM.

Интерфейс Gs связывает MSC/VLR и SGSN и может использоваться для общих процедур, например для обновления местоположения. Если интерфейс Gs не существует, то процедуры обновления выполняются через радиоинтерфейс. Использование интерфейса Gs сберегает ресурсы радиоинтерфейса.

R – контрольная точка доступа между нe-ISDN-совместимым оборудованием и мобильным терминалом. Как правило, эта точка поддерживает стандартный последовательный интерфейс.

Um – Интерфейс между мобильной станцией MS и фиксированной частью сети GPRS. Um – интерфейс сети GPRS для обеспечения услуг передачи пакетов данных по радиоканалу к MS. Мобильный терминал (часть MS) используется для доступа к услугам GPRS через этот интерфейс.

Общая логическая архитектура GPRS иллюстрируется на рис. 10.10 [91].

 

Рис. 10.10. Логическая архитектура GPRS