Arhitectura stratificata functionala GSM

1. Arhitectura canonica a sistemului GSM

		Subsistemul BSS		Subsistemul NSS

     Notatii:

PLMN (Public Land Mobile Network) - retea publica mobila;

PSTN (Public Switched Telephone Network) - retea publica telefonica comutata (analogica);

ISDN (Integrated Services Digital Network) - retea numerica cu integrarea serviciilor;

MS (Mobile Station) - statie mobila;

SIM (Subscriber Identity Module) - modul de identitate al utilizatorului;

BTS (Base Transceiver Station) - statie de baza de emisie/receptie;

BSC (Base Station Controller) - controller de grup de statii de baza;

BSS (Base Station Subsystem) - subsistemul statiei de baza;

NSS (Network Subsystem) - subsistemul  retea;

MSC (Mobile Services Switching Center) - centru de comutatie al serviciilor mobile;

VLR (Visitor Location Register) - baza de date temporala sau baza de date locala;

HLR (Home Location Register) - baza de date permanenta sau baza de date generala;

EIR (Equipment Identitz Register) - baza de date de gestiune a identitatii echipamentelor mobile;

AuC (Authentification Center) - centru de autentificare al abonatilor;

U_m, A_bis, A, B, C, D, F, G - interfete pentru comunicatia intre diverse elemente componente ale arhitecturii GSM;

2. Nivele arhitecturale functionale GSM. Prezentare generala

Arhitectura stratificata functionala a sistemului GSM a fost proiectata pentru a satisface doua mari categorii de cerinte (functiuni):

- cerinte legate de reteaua mobila propriu-zisa (de exemplu alocarea resurselor, gestionarea mecanismelor de transfer etc.);

- cerinte legate de interconectarea retelei mobile cu retelele fixe existente (PSTN, ISDN etc.).

Fiecare element al arhitecturii canonice va avea o arhitectura stratificata functionala, adaptata atat rolului acesteia in sistem, cat si interconectarii cu celelalte elemente sau/si reteaua fixa. Mai mult, subsistemul statiei de baza (BSS) nu interactioneaza direct cu reteaua fixa, dar indeplineste o mare parte din functiile specifice retelei mobile. De aceea, prezentarea arhitecturii canonice a sistemului GSM se va realiza separand clar subsistemul retea (NSS) de celelalte doua subsisteme (subsistemul statiei de baza si subsistemul statiei mobile - BSS + MS). Ultimele doua subsisteme vor fi numite subsistem BSS+MS. Aceasta concatenare, aparent artificiala, are insa o justificare consistenta din punct de vedere al rolului functional jucat de MS, BTS si BSC in arhitectura canonica GSM: acestea sunt module cu functii strict specifice retelei mobile (alocare de canale, transmisia informatiei pe mediul fizic etc.)         

2.1 Arhitectura functionala a subsistemului BSS+MS

Arhitectura functionala a subsistemului BSS+MS este prezentata in figura 2.

Fig. 2. Arhitectura stratificata functionala a subsistemului BSS+MS.

Nivelul fizic asigura organizarea informatiei pe mediul fizic. Acesta realizeaza:

-    organizarea si structurarea informatiei transmise pe mediul radio;

-    implementarea salturilor de frecventa;

-    transmisia/receptia in mod discontinuu;

-    modularea semnalului la transmisia pe mediul radio.

Aceste functii specifice vor fi detaliate in paragraful corespunzator acestui nivel functional. Nivelul fizic are functii diferite (deoarece intre BTS si BSC comunicatia se face pe legaturi terestre). In BTS, nivelul fizic este impartit in doua nivele, asociate interfetelor U_m si A_bis: nivelul fizic GSM asociat interfetei U_m (pentru comunicatia MS <-> BTS) si nivelul fizic ISDN asociat interfetei A_bis (pentru comunicatia BTS <-> BSC).

Nivelul legatura de date

Functiile acestui nivel sunt asigurate de protocoalele de nivel 2: LAPDm, LAPD, MTP2 (partea de semnalizare).

Dintre functiile specifice acestui nivel amintim:

· structurarea informatiei - consta in divizarea informatiei sosite de la nivelele functionale superioare in unitati ce pot fi transmise pe nivelul fizic (adica in unitati de lungime corespunzatoare). Altfel spus, aceasta functie permite segmentarea (la emisie) respectiv reasamblarea (la receptie) a blocurilor de informatie de lungimi mari. Algoritmii de segmentare / reasamblare sunt identici cu cei utilizati de HDLC;

·  detectia si corectia erorilor - prin aceasta functie se urmareste asigurarea calitatii transmisiei. Astfel, atat LAPD cat si MTP2 utilizeaza un mecanism asemanator HDLC de detectie a erorilor printr-un camp de 16 biti (CRC) calculat cu un polinom identic (x¹⁶ + x¹² + x⁵ +l), in functie de informatia din cadru. Pe mediul radio acest mecanism nu este necesar, deoarece detectia de erori este asigurata de mecanismul de codare a canalului in toate cazurile, transferul informatiei de nivel 2 poate decurge dupa doua proceduri de baza: fara retransmisii (cadrele se transmit o singura data) sau cu retransmisii. In acest ultim caz, un receptor care detecteaza (la nivel 2) un cadru eronat va cere retransmisia sa;

·  multiplexarea - consta in asigurarea transmisiei, pe aceeasi legatura fizica, a informatiei provenind de la utilizatori diferiti. Aceasta este o functie esentiala pentru retelele in care trebuie asigurate conexiuni de tip punct-multipunct (de exemplu ISDN, unde la aceeasi legatura fizica pot fi conectati mai multi utilizatori). In cazul GSM, aceasta functie este necesara mai ales pentru comunicatia intre BSC si BTS, care este in general de tip punct-multipunct (informatia transmisa de catre BSC spre BTS poate fi destinata mai multor echipamente mobile). Pentru a distinge fluxurile multiplexate se foloseste (in retelele fixe) un asa numit camp de identificare al punctului de acces la serviciu (SAPI - Service Access Point Identifier). Aceeasi denumire, desi improprie, a fost preluata in GSM.

Nivelul 3

Aceasta are o structura diferita pentru echipamentul mobil si pentru elementele fixe din reteaua mobila. Vom prezenta mai intai structura si functiunile acestui nivel pentru echipamentul mobil.

Nivelul 3 in statia mobila - este compus din urmatoarele subnivele:

- RR (Radio Resource Management) este un subnivel de gestionare a resurselor radio. El asigura functii aferente stabilirii legaturii mobil -> MSC, mecanismelor de transfer, alocarii resurselor radio (canalele) etc.;

- MM (Mobility Management) este subnivelul ce gestioneaza mobilitatea. Acest subnivel va gestiona aspectele legate de localizare, autentificare, asocierea unui TMSI unui mobil (independent de aspectele radio ale comunicatiei), functii legate de securitate;

- CM (Communication Management) este subnivelul care gestioneaza controlul apelurilor (CC - Call Control), dar si serviciile de mesagerie scurta si respectiv serviciile suplimentare. O functie esentiala a acestui subnivel este cea de rutare a apelurilor in sistem. Este la randul sau impartit in 3 subnivele:

- subnivelul CC - subnivel al controlului apelurilor. Functia sa principala este de a stabili ruta fizica pe care se va desfasura ulterior convorbirea;

- subnivelul SS (Supl

ementary Services) - subnivel de tratare a mesajelor aferente serviciilor suplimentare;

- subnivelul SMS (Short Message Services) - subnivel de tratare a mesajelor scurte.

MTP (Message Transfer Part) este protocol de transport specific SS7. El este conceput sa asigure atat functii de transport pentru o retea SS7 (gestiunea traficului, a canalelor, a rutelor) dar si functii de rutare a mesajelor in interiorul unei retele SS7. Primul grup de functii este asigurat de subnivelele 1 si 2 (MTP1 respectiv MTP2), iar cel de-al doilea grup de MTP3. in cazul GSM, MTP3 permite gestionarea concatenarii legaturilor de semnalizare a legaturilor. In realitate este vorba despre asigurarea unei redundante: mai multe mesaje de semnalizare sunt trimise pe o aceeasi legatura fizica (concatenare), dar exista si link-uri de rezerva, utilizate in cazul intreruperii uneia din legaturile active.

SCCP (Signal Connection Control Part) este subsistemul de comanda al conexiunilor de tip SS7 si are rolul de a gestiona transferul informatiilor de semnalizare. Una din functiunile principale ale SCCP este de a permite transferul semnalizarilor, independent de transferul informatiei propriu-zise.

Acest subsistem este foarte important in comunicatiile mobile, deoarece, de exemplu, modificarea pozitiei unui mobil se face independent de angajarea mobilului intr-un apel. Transferul informatiilor legate de pozitia mobilului spre echipamentele centrale (BTS, BSC, MSC) se face pe canale de semnalizare, independent de un apel propriu-zis.

In plus, SCCP ofera o functie de dirijare a mesajelor catre un punct SS7, bazata, de exemplu, pe numarul terminalului (conversie numar abonat -> cod specific unui punct de semnalizare). Deci SCCP ofera mijloacele pentru realizarea unei semnalizari nelegate de apel sau circuit prin:

- realizarea conversiei numar abonat -> cod SP (Signalling Point);

- o extensie a modului de adresare pentru a permite conexiuni fara stabilire prealabila de circuit;

- posibilitatea de stabilire de conexiuni logice pentru a oferi serviciile specifice nivelului retea din structura OSI.

In varful ierarhiei BSC se afla:

- DTAP (Data Transaction Application Part) gestioneaza comunicatiile MS <-> BSC. Ele trebuie sa se refere la o conexiune radio. Pentru a putea fi separate, ele contin o referinta (identificare) a conexiunii radio. Mesajele transferate sunt cele provenite de la subnivelele CC, respectiv MM, din MS. Ca atare, acest protocol are rolul de releu de mesaje intre MS si MSC;

- BSSMAP (Base Station Subsystem Management Application Part) asigura schimbul de mesaje specifice aferente mecanismelor de transfer si alocarii de resurse (intre BSC si MSC). In fapt, mesajele generate de BSSMAP se pot clasifica in doua mari categorii:

a) mesaje aferente zonei acoperite de BSC (sau mesaje globale);

b) mesaje aferente unui canal radio dedicat.

Din prima categorie putem aminti:

- mesaje de eliberare a legaturilor de voce intre MSC si BSC;

- apelul in mod difuzat (in difuzare) spre un mobil aflat intr-o zona de localizare data;

- mesaje de reinitializare pentru MSC sau BSC etc.

Din a doua categorie putem aminti:

- mesaje de alocare/eliberare a unui canal de trafic unei statii mobile;

- mesaje de gestiune a executiei mecanismelor de transfer;

- mesaje de trecere in mod criptat etc.

2.2. Arhitectura functionala a subsistemului NSS

Aceasta structura functionala este prezentata in figura 3:

Fig. 3.   Arhitectura functionala stratificata a subsistemului NSS.

In acest paragraf vor fi detaliate partial numai subnivelele despre care nu s-a discutat in sectiunea precedenta.

- ISUP (ISDN User Part) este un protocol ce asigura functii de semnalizare necesare asigurarii serviciilor ISDN;

- MAP (Mobile Application Part) are functiuni multiple, legate in special de gestionarea mecanismelor de transfer care conduc la modificarea MSC (din cauza mobilitatii este necesara modificarea MSC). Dintre acestea amintim: transferul informatiilor de securitate (autentificare si criptare), transferul informatiilor de taxare etc.

- TCAP (Transaction Capabilities Application Part) ofera serviciul de transmitere a informatiei prin retea independent de aplicatie si de procedura de stabilire a circuitului.

2.3. Interfete GSM

Interfetele GSM sunt in general bazate pe SS7 cu exceptia interfetelor U_m (radio) si A_bis (BTS-BSC). O parte din aceste interfete sunt folosite ca in standardele GSM, altele sunt specifice proiectantului de echipament. Tabelul 1 prezinta sintetic aceste interfete, rolul lor precum si folosirea lor conform standardelor (optiunilor proiectantului).

Tabelul 1. Lista interfetelor sistemului GSM

N = interfata specifica constructorului

D= alegerea constructorului conform standardelor