Reteaua celulara

Reteaua celulara

1.1 Caracteristici ale retelei celulare

Una dintre cele mai importante caracteristici   ale retelei celulare mobile este abilitatea de a trata cu terminale mobile. Cum miscarea presupune schimbarea portului de acces, este necesar ca functiile de control ale retelei sa fie unice pentru acest tip de comunicatii. In general, reteaua administreaza mobilitatea terminalului, sarcina care este numita managementul mobilitatii (mobility management). O alta forma de mobilitate este mobilitatea personala (personal mobility) prin care utilizatorul poate utiliza serviciile indiferent de modul de legare la retea sau de tipul terminalului. Un terminal sau o statie mobila se poate deplasa pe durata angajarii sale in contextul unei comunicatii (o conexiune sau o sesiune de date) sau in timpul starii de "idle". Serviciul de mobilitate (service mobility) este necesar pentru integrarea si administrarea serviciilor multimedia (de exemplu: voce, mesagerie vocala, e-mail, date, fax, video) ce vor fi folosite de utilizatori. Din moment ce nevoile fiecarui utilizator sunt unice, reteaua trebuie sa stocheze, sa mentina si sa actualizeze profilurile clientului ce descriu serviciile preferate, caracteristici, si modalitati de livrare de-a lungul unei zile sau de-a lungul unei saptamani.

Transferul (handover), procesul prin care statia mobila schimba portul de acces curent sau statia de baza in timpul unei conexiuni, este probabil ce-a mai evidenta si mai explorata procedura de management al mobilitatii. Pentru a asigura continuitatea unei conexiuni deja initiate, statia mobila este "pasata" intre porturile de acces implicate. Insa, cand o statie mobila nu este ocupata in contextul comunicatiei, reteaua trebuie sa poata determina celula in care se afla pentru a seta si ruta corect initierea unei conexiuni. Managementul locatiei (location management) se ocupa cu problemele de urmarire si localizare a statiilor mobile pentru a permite roaming-ul in aria de acoperire a retelei. Pe interfata radio dintre statiile de baza si terminalele mobile, putem distinge doua operatii de baza: paginare (paging) si actualizarea locatiei (location updating). Paginarea se refera la o procedura in care reteaua cauta porturile de acces prin care terminalul mobil informeaza reteaua despre locatia sa curenta printr-un mecanism de declansare, evitand o cautare completa prin toate statiile de baza posibile. Ambele operatiuni consuma resurse, din moment ce necesita semnalizare (radio).

Ambele tipuri de mobilitate creeaza multe probleme noi pentru retelele de telecomunicatii din moment ce nu mai este cunoscuta pozitia (potentialilor) utilizatori. Dezvoltarea realista bazata pe masuratori si posibil pe dependenta de spatiu si timp a modelelor de mobilitate ale utilizatorilor (atat individual cat si pentru mase) ar facilita proiectarea unor retele eficiente din punct de vedere al costurilor si care sa indeplineasca cererile consumatorilor.

Arhitectura retelelor celulare

Aratata in figura 1, arhitectura retelei celulare cuprinde urmatoarele subsisteme:

MS

MS

BSS

BSS

Fig. 1.1: Arhitectura retelei Celulare

Notatii: MS- statie mobila

BTS- statia de baza

BSC- controlerul statiilor de baza

MSC- centrul de comutatie pentru reteaua mobila

VLR- registru de pozitii curente al statilor mobile

HLR- registru de adrese al statiilor mobile

EIR- registru pentru identificarea echipamentelor

AUC- centru de autentificare

PSTN-retea telefonica publica comutata

ISDN- retea digitala cu integrarea serviciilor

PSPDN- retea publica de transmisiuni de date

1.2.1 Subsitemele statiilor de baza

Un subsistem de statii de baza (BSS) este o combinatie de echipamente numerice si de radiofrecventa realizat cu scopul de a asigura conectarea canalelor radio (interfata radio) si liniilor terestre (interfata terestra). Prin BSS se intelege ansamblul format dintr-un controlor al statiilor de baza (BSC) si echipamentele de emisie/receptie (BTS) controlate de acesta. Componentele acestui sistem pot fi amplasate sau nu in acelasi loc. Legatura dintre centrala si subsistemul statiilor de baza se face prin linii PCM de 2Mb/s (interfata A) folosind sistemul de semnalizare SS7. Comunicatia prin interfata radio, la nivel fizic, se face folosind modulatia numerica GMSK si o metoda de acces multiplu cu diviziune in timp (TDMA).

Echipamentul de emisie-receptie al statiei de baza (BTS) are drept scop asigurarea legaturilor radio cu statiile mobile, transmiterea semnalelor obtinute catre si de la controlerul statiilor de baza.

BTS contine cate o unitate emisie-receptie distincta pentru fiecare canal radio alocat. Capacitatea maxima a unui BTS este de purtatoare. O configuratie uzuala pentru o zona urbana are purtatoare, permitand in jur de de conexiuni simultan. Mai multe BTS se pot conecta in serie folosind o interfata PCM standard de Mbs.

Echipamentul de comanda/control al statiilor de baza (BSC) este echipamentul inteligent din sistemul statiei de baza numit si controlor care raspunde de:

administrarea canalelor radio din subordine,

analizarea rezultatelor masurarilor facute de catre statia de baza si statia mobila pentru a controla puterea lor de emisie si a lua decizia asupra necesitatii procesului de transfer;

transferul mesajelor de control intre statia mobila si centrala prin intermediul statiei de baza.

Canalele de control si de comunicatie sunt totdeauna sub controlul BSC. Cu toate acestea, o serie de mesaje de semnalizare, asociate unei conexiuni stabilite, nu sunt afectate, in mod direct, de BSC. Pentru acestea controlorul este transparent, un simplu releu de transfer.

Nu exista o alocare fixa a canalelor radio utilizate de statia de baza la circuitele telefonice terestre care ajung la controlorul acesteia. Daca selectarea unui canal radio cade in sarcina controlorului, selectarea liniei terestre este realizata de centrala; cele doua circuite sunt conectate in matricea de comutare din controlorul statiei de baza.

GSM este un sistem de telefonie celulara cu inteligenta distribuita in sensul ca nu toate activitatile sunt coordonate de centrala abonatilor mobili. Matricea de comutare proprie controlorului statiilor de baza permite transferul (pe durata convorbirii) intre doua echipamente de emisie/receptie din subordine, fara a implica centrala.

. Mai multe BTS se conecteaza la controlor fie inlantuit fie in stea. Controlorul se poate amplasa in acelasi loc cu unul dintre echipamentele de emisie-receptie (BTS) din subordine. De la caz la caz, amplasamentul unei statii de baza poate avea un singur BTS (configuratie specifica zonelor rurale, folosind o antena omnidirectionala) sau mai multe (configuratie specifica zonelor urbane sau autostrazilor, folosind o antena directiva).

1.2.2 Subsistemul retea

Centrala pentru abonati mobili (MSC) realizeaza interfata dintre reteaua telefonica publica (PSTN) si sistemul statiilor de baza al retelei celulare fiind, in acelasi timp, centrala de comutatie pentru apelurile cu originea si destinatia in reteaua de comunicatii mobile. O retea are de obicei mai multe centrale dintre care, acelea care asigura interfata catre PSTN sau ISDN, realizeaza si functia de poarta de interconectare (GMSC). Aceasta functie o poate avea, in principiu, orice MSC, ea fiind activata la inceputul unui apel din reteaua fixa catre reteaua mobila.

Ca si in cazul retelelor telefonice publice comutate, MSC supravegheaza stabilirea apelurilor si procedurile de rutare. Alte functii de control specifice sunt:

- conversia numerotarii si rutarea apelurilor, alocarea trunchiurilor de iesire, functii legate de taxare, calcularea statisticilor etc. Functii tipice pentru reteaua celulara sunt:

mentinerea unei liste cu abonatii angajati in comunicatie,

asigurarea unor proceduri de protectie contra utilizatorilor neinregistrati folosind functii ca: verificarea identitatii abonatului si secretizarea comunicatiei de date,

initierea si supravegherea procedurilor de localizare si transfer (cu exceptia celor care se incheie la nivelul sistemului statiilor de baza).

Functiile de inregistrare si reactualizare a localizarii (folosind informatiile de localizare transmise de statiile mobile) permit realizarea automata a comunicatiilor care au ca destinatie o statie mobila. Un ansamblu MSC-VLR poate prelua mai multe zeci de mii de abonati mobili in cazul unui trafic mediu pe abonat de 0,025 Erlang.

Centru de verificare a autenticitatii (AUC) este un element de prelucrare al retelei care realizeaza functii distincte in raport cu MSC, fiind responsabil, in primul rand, de procesul de autorizare a accesului unui abonat mobil in retea. In mod firesc, AUC este amplasat in acelasi loc cu HLR, pentru a creste viteza de adresare si reactualizare a inregistrarilor abonatilor. Centrul HLR/AUC se poate gasi sau nu langa centrala pentru abonatii mobili.

Procesul de verificare a autenticitatii are loc de fiecare data cand abonatul cere reconectarea la retea (porneste echipamentul mobil). La prima solicitare a unui canal de comunicatie, in cadrul unei sesiuni de utilizare a retelei, are loc un proces complet de autorizare a abonatului. Comunicatiile ulterioare, efectuate intr-un interval de timp predeterminat sau in cadrul subretelei apartinand aceluiasi operator, ar putea sa nu mai activeze procesul de autorizare, daca datele produse in procesul initial de autorizare si memorate in SIM sunt identice cu cele din HLR/VLR.

Procesul de verificare a autenticitatii consta, pe de o parte, din compararea unor date de siguranta memorate pe SIM cu datele corespunzatoare din HLR. Aceste date sunt introduse in HLR si scrise in SIM in momentul eliberarii abonamentului. Pe langa comparare, mai are loc si un alt proces, prin care o serie de date memorate in AUC sunt prelucrate conform unui algoritm pentru a obtine un mesaj codat care este transmis catre SIM. Mesajul este decodat la statia mobila si un raspuns este returnat catre AUC. In functie de continutul raspunsului, abonatul este sau nu este autorizat in retea. Procesul de autentificare se face printr-un canal de semnalizare, eliminand astfel risipa in folosirea canalelor de trafic. 

In comparatie cu sistemele de telefonie terestra traditionale, GSM utilizeaza, in plus, entitati de prelucrare si memorare cum sunt: HLR, VLR si EIR. Acestea reprezinta pentru retea nu simple baze de date ci noduri de prelucrare specializata a datelor, aici fiind rezolvate problemele administrarii informatiilor de abonat si urmaririi locului in care acesta se afla in retea.

Baza de date primara a abonatilor mobili (HLR) este baza de date de referinta a parametrilor abonatului. Unele informatii sunt fixe, fiind stabilite in momentul introducerii, stergerii sau modificarii profilului de servicii aferente unui abonament. Altele sunt dinamice, modificandu-se in timpul exploatarii. Dintre informatiile fixe fac parte: numere de identificare si adrese, parametrii pentru procesul de autorizare, tipurile de servicii oferite de retea la care are acces fiecare abonat (profilul serviciului) etc. Printre informatiile dinamice se gasesc: adresa VLR la care este inscris la un moment dat abonatul, starea curenta a abonatului, incluzand numarul temporar (TMSI) etc.

O retea poate avea mai multe HLR, fiecare detinand o parte din volumul total de date. Un abonat va apartine unui singur HLR. Informatiile dintr-un HLR pot fi accesate de toate centralele si VLR din retea folosind numarul IMSI sau MSISDN al abonatului.

Informatiile pot fi accesate si de MSC sau VLR din alta retea mobila pentru a permite mobilitatea intre retelele exploatate de diversi operatori sau intre tari. Un abonat care a primit IMSI intr-o retea GSM (fiind inregistrat intr-o baza de date HLR din aceasta) poate fi asignat temporar unei centrale diferite, in calitate de vizitator. Abonatul vizitator se bucura de aceleasi facilitati ca si in reteaua de origine. Mecanismul de decontare a serviciilor oferite se stabileste prin intelegere intre operatorii de retele.

Baza de date dinamica a abonatilor mobili (VLR) contine o copie a principalelor informatii de abonat din HLR. Aceste informatii sunt insa temporare, ele existand atata vreme cat abonatul este activ in aria acoperita de VLR. VLR asigura o baza de date locala pentru un abonat, chiar daca este vorba de abonatii inregistrati la centrala (deci HLR) locala. Se elimina astfel consumul de timp rezultat din necesitatea de a apela foarte des la HLR.

VLR activeaza procesul de acordare a unui numar temporar (TMSI) unui abonat, numar pe care-l trimite si catre HLR. TMSI tine locul IMSI si este memorat pe SIM-ul abonatului astfel incat apelurile catre abonat se fac fara a transmite IMSI, asigurand astfel securitatea abonatului. TMSI va fi folosit pe durate reduse in timpul procesului de autorizare si poate fi modificat periodic, ca o precautie suplimentara pentru securitate. GSM ofera optiunea de a modifica TMSI la fiecare apel sau odata cu procesul de actualizare al localizarii.

Celulele unei retele mobile sunt grupate in arii de localizare, fiecareia asignandu-i-se un numar (LAI - Localization Area Identity). In mod normal, o arie de localizare contine maximum de celule. Fiecare VLR gestioneaza mai multe arii de localizare. Odata cu deplasarea abonatului dintr-o arie de localizare in alta, informatia de localizare curenta este actualizata in HLR printr-un proces initiat de VLR. Daca statia mobila intra in aria de localizare a unei alte VLR atunci acesta, prin intermediul HLR, initiaza o procedura de stergere a datelor din vechea VLR si inregistrare in noua VLR. Numarul ariei de localizare este memorat si actualizat pe SIM-ul abonatului.

Daca abonatul iese din reteaua de origine, VLR asociata zonei in care intra abonatul ii va aloca un numar de statie mobila vizitatoare (MSRN). Numarul este alocat dintr-o lista de numere pastrata la nivelul VLR vizitat. MSRN este folosit pentru a directiona apelurile din retea catre centrala care controleaza statiile de baza din aria in care este localizata statia mobila.

De asemenea, VLR aloca numere de 'transfer' pentru a fi utilizate in cazul transferului intre centrale pentru abonatii mobili. Acest tip de transfer implica directionarea dinamica a procesului de comunicatie intre centrala sursa si centrala destinatie. Functiile numarului de 'transfer' sunt similare cu cele ale MSRN si asigura directionarea in cadrul partii terestre a retelei. MSRN si numerele de 'transfer' sunt temporare in sens propriu, fiind abandonate dupa utilizare; ele pot fi folosite in alte procese de stabilire a legaturii.

Informatiile de abonat din VLR se pot accesa folosind numerele: IMSI, TMSI sau MSRN. In mod normal fiecare MSC foloseste un VLR, dar sunt posibile si alte combinatii.

Registrul de identificare al echipamentelor (EIR) reprezinta o baza de date centralizata pentru controlul validitatii numarului international de identificare a echipamentelor (IMEI). Aceasta baza de date contine numai informatii despre echipamentele de abonat.

EIR este accesat de la distanta de centralele din retea dar poate fi accesat si de centrale din alte retele. Ca si in cazul HLR, o retea poate avea mai multe EIR, fiecare detinand o parte din numerele IMEI. Centrala realizeaza functia de translatie: pentru fiecare IMEI intoarce adresa EIR in care este memorata informatia despre acesta.

1.2.3 Subsitemul de exploatare si intretinere

Subsistemul de exploatare si intretinere al unei retele este format din unul sau mai multe centre de exploatare si intretinere (OMC - Operation and Mdintenance Center), conectate la un centru unic de administrare a retelei (NMC Network Management Center).

Centrul de exploatare si intretinere (OMC)   reprezinta locul de unde se comanda si se supravegheaza celelalte entitati ale retelei GSM urmarindu-se, concomitent, calitatea serviciului (quality of service) oferit de retea, in ansamblul ei. OMC este conectat cu celelalte entitati GSM printr-o retea X.25. Principalele functii realizate de OMC sunt:

Functiile de prelucrare, prin care diversele evenimente sau alarme, generate de entitatile retelei, sunt raportate si/sau memorate. Evenimentele constau in mesaje care contin informatii despre starea echipamentelor si proceselor de retea.

Functiile de gestionare a defectelor permit deconectarea sau repunerea in serviciu, manual sau automat, a diferitelor entitati ale retelei. Se poate cere vizualizarea starii anumitor echipamente din retea si se poate reface activitatea desfasurata de orice abonat mobil.

Functiile de intretinere permit controlul volumului de trafic solicitat retelei. In acest scop, daca este necesar, sistemul statiilor de baza este fortat sa refuze orice solicitare de comunicatie.

Functiile de gestionare a performantelor includ colectarea de statistici de trafic de la echipamentele retelei GSM si arhivarea lor intr-o baza de date sau afisarea acestora pentru analiza. Deoarece exista posibilitatea de a culege un volum de date urias, personalul de intretinere poate selecta statisticile pe care le doreste, avand la dispozitie o gama extrem de larga. Se poate opta pentru generarea unor alarme atunci cand valorile masurate pentru anumite performante ies din limitele stabilite.

Functiile de gestiune a programelor permit urmarirea versiunilor de program incarcate in fiecare echipament al retelei. Programele rulate de diverse echipamente pot fi incarcate de la OMC sau aduse la OMC.

Functia de gestiune a informatiilor de configurare. Prin intermediul acestei functii, de la nivelul OMC, se poate configura sau citi configuratia pentru orice entitate a retelei. Aceste informatii se modifica odata cu dezvoltarea retelei. OMC poate realiza verificari asupra integritatii informatiilor de configurare din diversele echipamente.

Centrul de management al retelei (NMC) este unic, el permitand administrarea unei retele GSM la nivelul ierarhic superior, urmarind exploatarea si intretinerea retelei prin intermediul OMC, care sunt responsabile la nivel regional.

La nivelul NMC, reteaua este tratata ca o multime de moduri si instrumente de interconectare. OMC este utilizat ca filtru al informatiilor care provin de la echipamentele retelei, permitand ca NMC sa se concentreze asupra aspectelor care necesita coordonarea la nivel national. NMC coordoneaza, de asemenea, aspectele legate de conectarea la alte retele.

Functiile oferite de NMC sunt echivalente cu cele oferite de OMC. Cateva dintre functiile mai importante sunt enumerate in continuare.

Gestiunea traficului la nivelul retelei. NMC urmareste traficul pentru a sesiza alarmele de nivel inalt, ca noduri defecte sau supraincarcate. In plus, urmareste starea comenzilor automate aplicate echipamentelor din retea si afiseaza, pentru operatori, starea retelei. Acestia, pe baza informatiilor de sinteza, indruma operatorii OMC asupra strategiei de urmat pentru a corecta problemele regionale.

Supravegherea trunchiurilor si liniilor de semnalizare. Pentru a preveni migrarea conditiilor de congestie a traficului in toata reteaua, NMC urmareste in special trunchiurile si liniile de semnalizare dintre noduri. Cu acelasi scop sunt urmarite si liniile dintre reteaua GSM si reteaua telefonica publica, comutata.

Controlul traficului la nivel local. NMC are capacitatea de a controla traficul la nivelul subsistemului statiilor de baza. In circumstante extreme, operatorii NMC vor activa numai comunicatiile cu acces prioritar, cum ar fi cele ale serviciului de salvare, pompieri etc. Comanda traficului, pe retelele de semnalizare si trafic dintre centrala si statiile de baza, poate fi exploatata pentru a izola o regiune cu congestie de trafic dupa care, OMC este folosit pentru a reconfigura parametrii celulelor si pentru a forta transferuri in vederea descongestionarii.

NMC este un instrument de planificare important deoarece detine elemente de sinteza la nivelul retelei nationale.