2 Struktura sieci
Rozdział 2 Struktura sieci Temat
Strona
Wstęp ............................................................................................................... 25 Sieć szkieletowa dla usług CS ......................................................................... 29 Sieć szkieletowa dla usług PS .......................................................................... 38 Zawansowana sieć szkieletowa........................................................................ 53 Aktualizacja lokalizacji .................................................................................... 56
23
Telemetria GPRS
Ta strona została celowo pozostawiona pusta.
24
2 Struktura sieci
Wstęp Obecnie w środowisku systemów mobilnych standaryzowanych przez 3GPP istnieją trzy główne typy sieci radiowego dostępu (ang. Radio Access Networks – RANs): GERAN, UTRAN i E-UTRAN. Wszystkie trzy typy sieci radiowego dostępu mogą występować równocześnie w sieci jednego operatora i pozostawać pod kontrolą jednej wspólnej sieci szkieletowej (ang. Core Network – CN).
GERAN
UTRAN
Sieć szkieletowa
E-UTRAN
Rysunek 2-1 Struktura sieci
GERAN Sieć radiowego dostępu do systemu GSM/EDGE (ang. GSM EDGE Radio Access Network - GERAN) składa się ze stacji bazowych (ang. Base Transceiver Station – BTS) wyposażonych w radiowe urządzenia nadawczo-odbiorcze, połączonych z kontrolerami stacji bazowych (ang. Base Station Controller – BSC) kierującymi ich pracą i zapewniającymi łączność z siecią szkieletową (ang. Core Network - CN).
BTS Stacja bazowa (BTS) za pośrednictwem posiadanych urządzeń nadawczoodbiorczych odpowiada za utrzymywanie połączeń radiowych ze wszystkimi terminalami znajdującymi się w obszarze komórki. BTS zajmuje się również przetwarzaniem wysyłanych i odbieranych sygnałów w zakresie modulacji, kodowania nadmiarowego, przeplotu, odbioru zbiorczego i korekcji adaptacyjnej. 25
Telemetria GPRS
GERAN
BTS
CN
BSC BTS
BTS BSC BTS BTS
Rysunek 2-2 GERAN
BSC Kontroler Stacji Bazowych (ang. Base Station Controller - BSC) kontroluje i zarządza zasobami radiowymi stacji bazowych. BSC alokuje kanały fizyczne w trakcie zestawiania połączeń, wyznacza momenty transmisji poszczególnych pakietów GPRS, kontroluje procedury przenoszenia połączeń między komórkami i prowadzi dynamiczną regulację mocy terminali i stacji bazowych.
UTRAN Sieć naziemnego radiowego dostępu do systemu UMTS (ang. UMTS Terrestrial Radio Access Network - UTRAN) złożona jest ze stacji bazowych nazywanych węzłami B (ang. Node B – NB), odpowiedzialnych za funkcje związane z obsług transmisji radiowej i kontrolerów sieci radiowej (ang. Radio Network Controller – RNC) odpowiedzialnych za zarządzanie zasobami interfejsu radiowego. Początkowo struktura UTRAN, na tle starszej struktury GERAN, wyróżniała się jedynie obecnością interfejsu łączącego sąsiednie RNC obsługującego miękkie przeniesienia połączeń między komórkami. Wraz z wprowadzeniem do UTRAN R5 i R6 szybkiego dostępu pakietowego w kierunku w dół (ang. High Speed Downlink Packet Access – HSDPA) i szybkiego dostępu pakietowego w kierunku w górę (ang. High Speed Uplink Packet Access - HSUPA) część tradycyjnych funkcji RNC, związanych z alokacją zasobów i adaptacją łącza radiowego dla usług pakietowych, zostało przeniesionych do węzłów B. Zwiększenie funkcjonalności węzłów B, pozwala na eliminację opóźnienia związanego z raportowaniem wyników pomiarów przez NB do RNC i wysyłaniem rozkazów rekonfiguracji 26
2 Struktura sieci
połączenia w kierunku przeciwnym, a w następstwie zmniejsza czas reakcji systemu na zmiany środowiska radiowego (adaptacja alokacji zasobów, modulacji, kodowania nadmiarowego, MIMO, itp.).
UTRAN
NB
CN
RNC NB
NB RNC NB NB
Rysunek 2-3 UTRAN R99 UTRAN
NB
CN pełna kontrola usług HSDPA/HSUPA przeniesiona do NB RNC
NB NB RNC NB NB
Rysunek 2-4 UTRAN R5/R6
E-UTRAN Rozwinięta (wyewoluowana) sieć naziemnego radiowego dostępu do systemu UMTS (ang. Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network - E-UTRAN) jest siecią radiowego dostępu systemu EPS/LTE. W porównaniu do UTRAN R99, struktura E-UTRAN jest mocno uproszczona i składa się wyłącznie z rozwiniętych (wyewoluowanych) węzłów B (ang. evolved Node B – eNB). 27
Telemetria GPRS
E-UTRAN
CN
eNB eNB eNB eNB eNB
Rysunek 2-5 E-UTRAN Całkowity zanik kontrolera stacji bazowych upraszcza strukturę systemu, poprawia dynamikę adaptacji łącza oraz zmniejsza opóźnienia przesyłu danych użytkownika. W E-UTRAN procedura twardego przeniesienia połączenia pomiędzy komórkami różnych eNB może być kontrolowana bezpośrednim interfejsem łączącym stacje bazowe, bez nadmiernego angażowania w tą procedurę sieci szkieletowej, co znacznie skraca czas wykonania procedury. Interfejs ten ogranicza również straty danych użytkownika w czasie przeniesienia połączeń, umożliwiając przekazanie zbuforowanych (jeszcze nie dostarczonych) danych z eNB obsługującego komórkę źródłową do eNB obsługującego komórkę docelową przeniesienia.
RNC BSC NB BTS
CN NB
RNC BTS
BSC eNB
Rysunek 2-6 Interfejsy i łączność
28
2 Struktura sieci
Interfejsy pokazane na powyższych rysunkach są interfejsami logicznymi, co oznacza że nie muszą one odpowiadać bezpośrednio fizycznej strukturze sieci transmisyjnej. Łączność pomiędzy węzłami sieci może być zapewniona poprzez sieć IP działającą na bazie SDH, operatorskiej sieci Ethernet (ang. Carrier Ethernet), a nawet łączy ADSL. W takim przypadku istnienie interfejsu logicznego oznacza, że współpracujące węzły znają jednie swoje adresy i funkcje, podczas gdy przenoszenie między węzłami danych pozostaje zadaniem elementów sieci transportowej IP1.
Komendy AT [3GPP 27.007] Sprawdzenie i sterowanie możliwościami wielo-systemowego terminala (GERAN / UTRAN / E-UTRAN) może być prowadzone między innymi z wykorzystaniem komend AT przedstawionych na Rys. 2-7.
+WS46
- select wireless network
+CPSB
- current packet switched bearer
+CREG
- network registration
+CGREG - GPRS network registration status +COPS
- PLMN selection
Rysunek 2-7 Komendy AT związane z kontrolą RAT [3GPP 27.007]
Sieć szkieletowa dla usług CS Sieć szkieletowa (ang. Core Network – CN) dla usług opartych o komutację łączy (ang. Circuit Switching) składa się z węzłów kontrolujących świadczenie usług CS, węzłów przetwarzających strumienie danych usług CS i baz danych systemu GSM/UMTS. Rys. 2-8 przedstawia sieć szkieletową CS wraz z dołączonymi do niej sieciami radiowego dostępu GERAN i UTRAN według standardu wersji R99. 1
Łączność IP w ramach GERAN i UTRAN jest stosunkowo nowym, opcjonalnym rozwiązaniem proponowanym przez standard. Starsze rozwiązania bazujące na łączach E1 i sieci ATM są wciąż stosowane w przeważającej większości sieci GERAN i wielu sieciach UTRAN.
29
Telemetria GPRS
GERAN
CS CN EIR
HLR
AUC
BSC A
BTS
IuCS
F
D
MSC
C E
VLR
RNC
GMSC
PSTN ISDN
IuCS NB
RNC UTRAN
Rysunek 2-8 Sieć szkieletowa CS (R99)
MSC Centrala usług łączności ruchomej (ang. Mobile services Switching Center – MSC) zajmuje się zestawianiem i kontrolą połączeń CS (np. połączeń telefonicznych) wraz z komutowaniem kanałów ruchu. MSC kontroluje również połączenia CS zarówno wewnątrz sieci danego operatora jak też i wychodzące do innych sieci CS takich jak np.: publiczna komutowana sieć telefoniczna (ang. Public Switched Telephone Network – PSTN), cyfrowa sieć z integracją usług (ang. Integrated Services Digital Network – ISDN) i innych publicznych sieci komunikacji ruchomej (ang. Public Land Mobile Network – PLMN). MSC posiada również funkcje specyficzne dla central pracujących w sieciach komunikacji ruchomej, takie jak np.: autentykacja abonenta, śledzenie pozycji abonenta w sieci na potrzeby kontroli wywołań (ang. paging) dla usług przychodzących, kontrola przeniesienia połączenia pomiędzy komórkami różnych BSC/RNC/MSC (w tym przeniesienia pomiędzy komórkami różnych typów sieci radiowego dostępu).
GMSC Centrala radiowa dostępu (ang. Gateway Mobile services Switching Center - GMSC) oprócz typowych funkcji centrali telefonicznej ma możliwość wysyłania zapytań do HLR w celu otrzymania danych pozwalających na trasowanie przychodzących połączeń CS w kierunku MSC aktualnie obsługującego danego abonenta. Konieczność stosowania GMSC dla obsługi przychodzących połączeń CS wynika z faktu, że podany przez abonenta inicjującego połączenie (abonenta A) numer telefoniczny abonenta docelowego (abonenta B) nie zawiera w swojej strukturze danych pozwalających na określenie jego pozycji w sieci, a co za tym idzie do przeprowadzenia trasowania połączenia. Numer
30
2 Struktura sieci
abonenta B w sieci klasycznej pozwala jedynie na określenie kraju i sieci macierzystej abonenta2, natomiast abonent może znajdować się w innej sieci, korzystając z usługi roamingu międzynarodowego. MSISDN
IMSI
MSC No
PSTN PLMN
B-no
B-no
HLR
= no DN B IS S M
B-no
IM M
N MS RN SR
MSRN
IMSI
MSC
GMSC
A
SI
B
B-no = MSRN sygnalizacja ruch
MSC
Rysunek 2-9 Trasowanie połączenia przychodzącego z sieci stałej
PLMN PSTN B-no
B-no
B-no
MSC A
B
Rysunek 2-10 Trasowanie połączenia wychodzącego do sieci stałej połączenie wychodzące
B-no
połączenie przychodzące
B-no
MSC
MSISN
IMSI
MSC No
HLR = o IM N n SI MSRN IMSI B- ISD M S N S M RN SR M MSC GMSC
B
B-no = MSRN
A
Rysunek 2-11 Trasowanie połączenia pomiędzy abonentami mobilnymi
VLR Rejestr lokalizacji abonentów przyjezdnych (ang. Visitor Location Register - VLR) zawiera dane na temat wszystkich abonentów obsługiwanych przez 2
W przypadku krajów, w których występuje usługa przenośności numeru (ang. Number Portability - NP), numer telefoniczny pozwala jedynie na identyfikację kraju macierzystego abonenta.
31
Telemetria GPRS
związane z nim MSC. VLR dla każdego z zarejestrowanych w nim abonentów przechowuje kopie danych otrzymanych z HLR wraz z identyfikatorem obszaru lokalizacji abonenta (ang. Location Area Identity - LAI) otrzymanym od terminala w toku procedur rejestracji i aktualizacji lokalizacji. W zdecydowanie przeważającej większości przypadków pojedynczy VLR związany jest tylko z jednym MSC, a ich funkcje realizowane są przez jeden fizyczny węzeł sieci nazywany MSC/VLR.
HLR Rejestr lokalizacji abonentów macierzystych (ang. Home Location Register - HLR) jest centralną bazą danych abonentów danego operatora zawierającą między innymi: •
numery identyfikacyjne abonenta (tj. IMSI i MSISDN),
•
listę dostępnych dla abonenta usług,
•
lokalizację abonenta w sieci CN (tj. adres sygnalizacyjny do obsługującego abonenta MSC/VLR).
HLR IMSI1, MSISDN1, LAI, lista usług IMSI3, MSISDN3, LAI, lista usług
VLR
MSC1
IMSI1, MSISDN1, MSC No1, lista usług IMSI2, MSISDN2, MSC No2, lista usług IMSI3, MSISDN3, MSC No1, lista usług IMSI2, MSISDN2, LAI, lista usług IMSI3, MSISDN3, LAI, lista usług
VLR
MSC2
Rysunek 2-12 Transfer danych abonenta z HLR do VLR
AUC Centrum potwierdzania identyfikacji (ang. AUthentication Center – AUC) jest bazą danych, w której przechowywane są tajne cyfrowe klucze abonentów na podstawie których generowane są wartości parametrów niezbędnych do przeprowadzania procedur bezpieczeństwa (autentykacji, szyfrowania i kontroli integralności wiadomości sygnalizacyjnych).
32
2 Struktura sieci
EIR Rejestr identyfikacji urządzeń (ang. Equipment Identity Register – EIR) zawiera międzynarodowe numery identyfikacyjne terminali (ang. International Mobile Equipment Identity – IMEI) wraz z informacją o ich ewentualnej blokadzie w związku ze zgłoszoną kradzieżą terminala.
Numery identyfikacyjne [3gpp] Sieć szkieletowa stosuje wiele różnego rodzaju parametrów w celu identyfikacji terminali, węzłów sieci i obszarów geograficznych. Większość z tych identyfikatorów jest wykorzystywana dla wewnętrznych procedur sieciowych i nie jest widoczna dla abonenta. Jedynym identyfikatorem będącym bezpośrednim obiektem zainteresowania abonenta, jest jego numer telefoniczny – MSISDN.
MSISDN [e.164][uke] Numer telefoniczny ISDN abonenta ruchomego (ang. Mobile Station international ISDN number - MSISDN) jest uniwersalnym identyfikatorem pozwalającym na adresowanie usług w stronę danego abonenta.
CC
NDC
SN numer krajowy
numer międzynarodowy
Rysunek 2-13 MSISDN CC
(ang. Country Code) – wyróżnik kraju macierzystej sieci abonenta składający się od jednej do trzech cyfr dziesiętnych
NDC (ang. National Destination Code) wyróżnik operatora sieci macierzystej typowo składający się z trzech cyfr dziesiętnych (w wielu krajach operator posiada więcej niż jednen NDC) SN
(ang. Subscriber Number)
33
Telemetria GPRS
W klasycznej sieci seria cyfr CC i NDC pozwala na trasowanie połączeń CS do jednego z GMSC sieci macierzystej, a przypadku wiadomości sygnalizacyjnych do HLR w którym znajdują się dane abonenta.
IMSI [e.212][uke] Międzynarodowy numer identyfikacji abonenta ruchomego (ang. International Mobile Subscriber Identity - IMSI) jest podstawowym numerem identyfikacji abonenta w sieci GSM/UMTS/EPS. Numer IMSI zapisany jest na karcie (U)SIM wraz z przyporządkowanym mu numerem MSISDN i listą dostępnych usług w HLR/HSS sieci macierzystej abonenta. 3 cyfry
2 lub 3 cyfry
MCC
MNC
MSIN
maksymalnie 15 cyfr
Rysunek 2-14 IMSI MCC
(ang. Mobile Country Code) – kod kraju w mobilnym planie numeracyjnym
MNC
(ang. Mobile Network Code) – kod operatora w mobilnym planie numeracyjnym
MSIN
(ang. Mobile Station Identification Number) – identyfikator abonenta mobilnego
Numery MSISDN dla odbioru faksu faksu i transmisji danych Możliwość odbioru terminalem mobilnym połączeń telefonicznych, transmisji danych i faksu pochodzących z publicznej komutowanej sieci telefonicznej (ang. Public Switched Telephone Network – PSTN) wiąże się z koniecznością posiadania oddzielnych numerów MSISDN dla każdej z tych usług. Dzięki zastosowaniu oddzielnych numerów MSISDN, sieć jest wstanie określić typ usługi przed zestawieniem połączenia i dzięki temu zarezerwować odpowiednie zasoby sieci niezbędne do jej realizacji np. układy eliminacji echa i transkoder mowy dla telefonii, modemy i układy adaptacji przepływności dla danych i układy adaptacji dla transmisji faksu.
34
2 Struktura sieci
Pomimo stosowania kilku numerów MSISDN, użytkownik wciąż posiada i jest identyfikowany w sieci poprzez jeden numer IMSI. IMSI = 260 01 9705865831 MSISDN #1 = 48 607 221 954 - telefonia
HLR
MSISDN #2 = 48 607 986 756 - fax MSISDN #3 = 48 607 986 757 - dane
PTSN PTSN
PTSN PTSN
PTSN PTSN
i48 607 221 954
i48 607 986 756
i48 607 986 757
GMSC
GMSC
GMSC
telefonia
MSC
fax
MSC
dane
MSC
Rysunek 2-15 Numery MSISDN dla telefonii, danych i faksu Posiadanie dodatkowych numerów MSISDN związanych z usługami transmisji danych i faxu nie jest konieczne dla realizacji połączeń wychodzących z terminala mobilnego, ponieważ terminal mobilny określa typ żądanej usługi w wiadomościach sygnalizacyjnych wysyłanych do sieci w czasie procedury zestawiania nowego połączenia. Dodatkowe numery MSISDN nie są również wymagane do realizacji usługi połączenia transmisji danych i faksu przychodzących z sieci ISDN, ponieważ terminal ISDN może określić typ żądanej usługi poprzez parametry wiadomości sygnalizacyjnej, nie stosując do tego celu oddzielnej numeracji telefonicznej. Również połączenia przesyłu danych i faksu pomiędzy dwoma terminalami GSM/UMTS nie wymagają dodatkowych numeracji MSISDN, gdyż terminale GSM/UMTS i sieć GSM/UMTS są szczególnymi typami terminali i sieci ISDN, a więc są w stanie określać typ usługi niezależnie od wybranego numeru.
TMSI W celu zachowania poufności IMSI na interfejsie radiowym, MSC/VLR przydziela abonentowi tymczasowy identyfikator abonenta ruchomego (ang. Temporary Mobile Subscriber Identity - TMSI). Związek pomiędzy stałym numerem IMSI, a aktualnie wykorzystywanym TMSI jest zapisany wraz z pozostałymi danymi abonenta w MSC/VLR.
35
Telemetria GPRS
Zastąpienie numeru IMSI, znacznie od niego krótszym numerem TMSI (maksymalna długość 8 cyfr heksadecymalnych) przyczynia się również do poprawy efektywności protokołów sygnalizacyjnych interfejsu radiowego. TMSI/IMSI
IMSI TMSI↔IMSI
VLR BSC
HLR
MSC
GMSC AUC
IMSI
nowy TMSI
IMSI
TMSI
nowy TMSI
Rysunek 2-16 TMSI
MSRN Numer roamingowy abonenta ruchomego (ang. Mobile Station Roaming Number - MSRN) jest wykorzystywany w czasie zestawiania przychodzącego połączenia CS. Połączenia przychodzące są zawsze trasowane od abonenta A, poprzez GMSC do MSC obsługującego abonenta B. Ponieważ połączenie dla ruchu pomiędzy GMSC i MSC jest traktowane przez system jak każde inne połączenie CS, dla jego zestawienia konieczne jest podanie numeru telefonicznego pozwalającego na trasowanie rozmowy. Warunek trasowalności spełnia specjalny numer telefoniczny MSRN, alokowany przez MSC indywidualnie na potrzeby każdego przychodzącego połączenia CS z puli numerów związanych z tym MSC. Na czas trwania procedury zestawienia połączenia numer MSRN poprzez HLR przekazywany jest do GMSC, a po nadejściu połączenia do MSC i przeprowadzonej na jego podstawie identyfikacji abonenta, numer powraca do puli wolnych numerów na potrzeby kolejnych procedur.
CC
NDC MSRN
Rysunek 2-17 MSRN
36
SN
2 Struktura sieci
IMEI [3GPP, 22.016] Międzynarodowy numer identyfikacyjny urządzenia stacji ruchomej (ang. International Mobile Equipment Identity – IMEI) identyfikuje terminal mobilny niezależnie od numeru IMSI/TMSI zapisanego na karcie (U)SIM. 8 cyfr
6 cyfr
1 cyfra
TAC
SNR
spare
Rysunek 2-18 IMEI TAC
(ang. Type Approval Code) – kod producenta i typu urządzenia stacji ruchomej
SNR
(ang. Serial Number) – numer seryjny
spare
- cyfra zapasowa
Komendy AT [3GPP 27.007] Komendy AT umożliwiające dostęp do numerów identyfikacyjnych MT/SIM można przedstawiono na Rys. 2-19.
+CGMI
- request manufacturer identification
+CGMM
- request model identification
+CGMR
- request revision identification
+CGSN
- request product serial number id (IMEI)
+CIMI
- request subscriber identity (IMSI)
+CNUM
- subscriber number (MSISDNs)
Rysunek 2-19 Komendy AT związane z identyfikacją [3GPP 27.007]
37
Telemetria GPRS
Sieć szkieletowa dla usług PS Sieć szkieletowa dla usług PS (ang. PS Core Network – PS CN) odpowiada za wszystkie funkcje niezbędne do transferu pakietów danych użytkownika pomiędzy sieciami dostępu radiowego GERAN/UTRAN i zewnętrzną pakietową siecią wymiany danych (ang. Packet Data Network – PDN). Na funkcje PS CN składają się: •
Kontrola dostępu do sieci (rejestracja, autentykacja, autoryzacja, tworzenie i przechowywanie danych taryfikacyjnych);
•
Transfer pakietów (trasowanie, przekazywanie, kapsułkowanie, tunelowanie, kompresja i szyfrowanie danych, translacja i mapowanie adresów);
•
Zarządzanie mobilnością (procedury aktualizacji lokalizacji i wywoływania terminali).
Wymienione funkcje są realizowane przez dwa dodatkowe elementy systemu GSM/UMTS: węzeł obsługujący GPRS (ang. Serving GPRS Support Node – SGSN) i węzeł dostępu do podsystemu GPRS (ang. Gateway GPRS Support Node – GGSN); połączone ze sobą siecią szkieletową IP (ang. GPRS IP backbone network). Aby wymieniać pakiety danych z zewnętrzną siecią IP, terminal musi nawiązać sesję pakietową (ang. PDP context), będącą wirtualnym połączeniem punkt-punkt pomiędzy terminalem a GGSN. GERAN
CS CN MSC/VLR
PSTN
GMSC
BSC
ISDN
Gb
BTS Gs
RNC NB
RNC UTRAN
IuPS
EIR Gf
IuPS
SGSN
AUC
HLR Gc
Gr Gn
GGSN
PS CN
Rysunek 2-20 Sieć szkieletowa dla usług CS i PS
38
Gi
IP
2 Struktura sieci
SGSN Węzeł obsługujący GPRS (ang. Serving GPRS Support Node – SGSN) odpowiada za logikę przełączania pakietów w PS CN. Funkcje SGSN są „pakietowymi” odpowiednikami funkcji MSC/VLR. SGSN na potrzeby usług PS, podobnie jak MSC dla usług CS, śledzi pozycję abonenta w sieci, kontroluje dostęp do usług i prowadzi procedury bezpieczeństwa na styku użytkownik-sieć. SGSN wykonuje również zadania podobne do tych znanych z VLR, tj. SGSN dla każdego z zarejestrowanych w nim abonentów przechowuje kopie danych otrzymanych z HLR/HSS wraz z identyfikatorem obszaru trasowania (ang. Routing Area Identity – RAI) otrzymanym od terminala w czasie procedur rejestracji i aktualizacji lokalizacji. SGSN kontroluje również jakość usług (ang. Quality of Service - QoS) poprzez stosowanie mechanizmów kolejkowania i planowania transmisji pakietów (ang. packet queuing and scheduling).
GGSN Węzeł dostępu do podsystemu GPRS (ang. Gateway GPRS Support Node - GGSN) kontroluje interfejs pomiędzy PS CN i zewnętrznymi sieciami pakietowymi IP. GGSN współpracuje z serwerami należącymi do zewnętrznej sieci pakietowej w celu zapewnienia bezpieczeństwa. Przykładem takiego serwera może być serwer autentykacji, autoryzacji i rejestracji dostępu do usług (ang. Authentication, Authorisation, Accounting - AAA). Z punktu widzenia zewnętrznej pakietowej sieci IP, GGSN odgrywa rolę trasera (ang. router) do którego kierowane są pakiety adresowane do terminali. W ramach trwającej sesji połączenia pakietowego, GGSN stanowi stały punkt połączenia, sprawiając iż ewentualne zmiany komórek, kontrolerów sieci radiowego dostępu, węzłów SGSN nie są widoczne i nie komplikują działania zewnętrznych sieci (tj. z punktu widzenia zewnętrznej pakietowej sieci IP połączenie do terminala ma charakter stały). GGSN odpowiada również za QoS na kontrolowanych przez siebie inetrefejsach.
Sieć szkieletowa IP Sieć szkieletowa IP dla usług GPRS (ang. GPRS backbone network) łącząca ze sobą węzły PS CN jest należącą do operatora prywatną siecią IP, odizolowaną przez GGSN od innych prywatnych i publicznych sieci IP.
39
Telemetria GPRS
alokacja adresu IP
sieć szkieletowa IP IP
SGSN
GGSN
GTP
IP
IP prywatna
IP prywatna lub publiczna
Rysunek 2-21 Sieć szkieletowa IP Transfer pakietów IP należących do użytkownika (korzystających z adresów IP sieci zewnętrznej) poprzez operatorską sieć IP (korzystającą z niezależnego adresowania) pomiędzy SGSN i GGSN wymaga zastosowania protokołu tunelowania GPRS (ang. GPRS Tunneling Protocol - GTP). Protokół GTP kapsułkuje pakiety IP użytkownika w pakiety IP operatorskiej sieci szkieletowej.
IP
SGSN
IP
IP
GGSN
IP
Rysunek 2-22 Kapsułkowanie pakietów IP użytkownika
APN Nazwa punktu dostępu (ang. Access Point Name – APN) jest identyfikatorem zewnętrznej sieci IP, podawanym przez użytkownika w celu uzyskania do niej dostępu. APN=Internet
APN
GPRS GGSN
APN=Corpo
APN=Services
Rysunek 2-23 Nazwa punktu dostępowego (APN)
40
2 Struktura sieci
Parametr APN jest ciągiem znaków o strukturze zgodnej z zasadami budowy nazw domen Internetowych [RFC 1035]. APN składa się z dwóch części: •
Identyfikator Operatora APN (ang. APN Operator Identifier) wskazuje na sieć operatora, który ma zrealizować połączenie do zewnętrznej sieci IP,
•
Identyfikator sieci APN (ang. APN Network Identifier) – wskazuje na zewnętrzną sieć do której ma zostać nawiązane połączenie.
PL
Sieć GSM/GPRS MCC=260 MNC=01
PL
Internet Internet (publiczna) (publiczna) Example Example (prywatna) (prywatna)
example.mnc001.mcc260.gprs
USA PL Sieć GSM/GPRS
Internet Internet (publiczna) (publiczna)
MCC=310 MNC=630
APN=<external network>.mnc<MNC>.mcc<MCC>.gprs APN network identifier
Corpo Corpo (prywatna) (prywatna)
APN operator identifier
Rysunek 2-24 APN Access Point Name Do poprawnego działania nie jest potrzebne podanie pełnej nazwy APN. W przypadku podania jedynie identyfikatora operatora, typowo SGSN uzupełni brakujące elementy na podstawie parametrów MCC i MCC występujących w IMSI użytkownika. W przypadku całkowitego braku podania APN w czasie procedury nawiązania połączenia pakietowego, typowo SGSN za wartość APN przyjmie nazwę domyślnego APN sieci zapewniającego dostęp do Internetu.
+CGDCONT - define PDP context Rysunek 2-25 Komendy AT związane z definicją APN [3GPP 27.007] Dodatkowym parametrem powiązanym z APN jest CID (ang. PDP Context IDentifier). CID jest parametrem mającym jedynie lokalne znaczenie na interfejsie pomiędzy MT i TE. Aby poprzez komendy AT można było otworzyć połączenie pakietowe, najpierw musi ono wraz z jego pełną parametryzacją zostać zdefiniowane. Grupa parametrów określających charakterystykę połączenia pakietowego, zawiera między innymi parametr
41
Telemetria GPRS
APN, nazywa się kontekstem PDP (ang. PDP Context) i jest identyfikowana parametrem CID. W MT można zdefiniować wiele kontekstów PDP o unikatowych identyfikatorach CID. W przypadku komend AT związanych z aktywacją i dezaktywacją połączeń pakietowych nie podaje się ich pełnej charakterystyki, a jedynie wskazuje się poprzez podanie CID na charakterystykę, wcześniej zdefiniowaną w ramach kontekstu PDP. AT +CGDCONT? +CGDCONT: 1,"IP","","",0,0 OK
CID
AT +CGDCONT=2,"IP","plus.mnc001.mcc260.gprs" OK
APN
AT+CGDCONT? +CGDCONT: 1,"IP","","",0,0 +CGDCONT: 2,"IP","plus.mnc001.mcc260.gprs","",0,0 OK State: deactivate (0), activate (1) AT +CGACT=1,2 OK CID AT +CGACT? +CGACT: 1,0 +CGACT: 2,1 OK
State: deactivated (0), activated (1)
CID
Rysunek 2-26 Zdefiniowanie i aktywacja nowego kontekstu PDP
Aktywacja kontekstu kontekstu PDP Aktywacja kontekstu PDP (ang. PDP context activation) jest niezbędna dla rozpoczęcia świadczenia usługi przenoszenia pakietów IP. Procedura ta sprawia, że terminal zostaje przyporządkowany do jednego z węzłów GGSN, który umożliwia mu komunikację z siecią zewnętrzną PDN. W przypadku stosowania dynamicznej alokacji adresów IP dla terminali, w trakcie tej procedury GGSN samodzielnie, lub w porozumieniu z serwerami zewnętrznej sieci PDN przydziela abonentowi adres IP na cały czas trwania aktywnego kontekstu PDP.
42
2 Struktura sieci
APN=x
PLMN PDN
APN IPGGSN1
DNS
alokacja adresu PDP (IPMS)
IPGGSN1 APN=x
APN=x SGSN adres PDP (IPMS)
GTP
adres PDP (IPMS)
weryfikacja subskrypcji
GGSN1
X
GGSN2
y
Rysunek 2-27 Aktywacja kontekstu PDP (sesji pakietowej) Terminal wysyła do SGSN wiadomość “Activate PDP Context Request”, która zawiera między innymi identyfikator abonenta (IMSI albo P-TMSI) i nazwę APN. SGSN sprawdza, że wybrany przez abonenta APN znajduje się na liście dostępnych dla niego punktów dostępowych APN otrzymanej wcześniej z HLR/HSS. SGSN kontaktuje się z serwerem DNS w operatorskiej sieci IP, który na podstawie podanego APN informuje SGSN o adresie IP węzła GGSN zdolnego do obsługi komunikacji ze wskazaną siecią zewnętrzną. Przekazanie żądania użytkownika przez SGSN do GGSN doprowadza do powstania tunelu GTP w operatorskiej sieci IP. GGSN dynamicznie alokuje adres IP dla terminala, który wraz z potwierdzenia całej procedury zostaje przekazany do terminala.
Wielokrotne sesje pakietowe Istnieje możliwość aktywowania przez pojedynczego abonenta wielu kontekstu PDP w stronę jednej lub wielu różnych zewnętrznych sieci PDN, których dane są multipleksowane w ramach jednego połączenia radiowego. W przypadku wielu jednoczesnych sesji pakietowych zestawianych w stronę tej samej sieci zewnętrznej, zazwyczaj adres IP terminala jest jednakowy dla każdej z istniejących sesji.
QoS1 GGSN
SGSN
QoS2 Rysunek 2-28 Wielokrotne sesje pakietowe
43
Telemetria GPRS
Głównym celem istnienia wielu jednoczesnych sesji dla pojedynczego abonenta jest możliwość stosowania oddzielnej taryfikacji i parametryzacji profilu jakości usług (ang. Quality of Service) dla strumieni ruchu związanych z różnymi usługami IP.
Zmiany w CS CN wynikające z PS CN CN Dodanie do istniejącej sieci usług GPRS wymaga również wprowadzenia pewnych zmian w istniejących wcześniej węzłach CS CN. Do najpoważniejszych zmian dochodzi w MSC/VLR który współpracuje z SGSN w celu koordynacji procedur zarządzania mobilnością w obu sieciach tj. PS i CS CN (wywołania dla usług CS poprzez SGSN, jednoczesna rejestracja lub aktualizacja lokalizacji terminala w MSC/VLR i SGSN), oraz w HLR/HSS w którym lista dostępnych dla abonenta usług zostaje rozszerzona o usługi PS. [3GPP, 23.008] HLR/HSS pełni rolę centralnej bazy danych abonentów danego operatora. Dane abonenta w części istotnej dla usług PS zawierają między innymi: •
numery IMSI i MSISDN;
•
parametr NAM (ang. Network Access Mode) określający czy abonent ma prawo dostępu do usług tylko CS, tylko PS, albo do CS i PS jednocześnie;
•
opcjonalnie parametr ARD (ang. Access Restriction Data) który może zablokować abonentowi możliwość korzystania ze wskazanych typów RAN: GERAN, UTRAN, E-UTRAN, GAN, I-HSPA-Evolution i przeniesień połączeń do systemów spoza 3GPP;
•
numer SGSN – adres SGSN w tradycyjnej sieci sygnalizacyjnej SS7, wykorzystywany w komunikacji z HLR, MSC/VLR, SM-SC i EIR;
•
listę dostępnych kontekstów PDP zawierającą: o identyfikator kontekstu PDP (ang. PDP Context Identifier) - parametr identyfikujący kontekst PDP w sieci, używany jedynie dla optymalizacji sygnalizacji pomiędzy węzłami sieciowymi (parametr ten nie jest w żaden sposób związany z podobnym parametrem stosowanym pomiędzy TE i MT); o APN – parametr ten zawiera identyfikator sieci APN (ang. APN Network Identifier) tj. APN pozbawiony identyfikatora operatora (ang. APN Operator Identifier) albo dziką kartę zezwalającą abonentowi na połączenie z dowolną siecią zewnętrzną;
44
2 Struktura sieci
o typ protokołu stosowanego w ramach kontekstu PDP w komunikacji pomiędzy terminalem i zewnętrzną siecią: IPv4, IPv6, IPv4v6, PPP; o statyczny adres terminala (ang. PDP address), jeśli adres ma zostać przydzielony dynamicznie pole tego parametru w HLR/HSS pozostaje puste; o parametry profilu jakości usług (ang. Quality of Service – QoS). IMSI MSISDN(s) NAM (CS,PS,CS&PS) ARD (GERAN, UTRAN, E-UTRAN, GAN, I-HSPA-Evolution, non-3GPP HO) SGSN number (SS7 address) PDP contexts: CID1, APN, PDP type (IPv4, IPv6, IPv4v6, PPP), PDP address, QoS CID2, APN, PDP type (IPv4, IPv6, IPv4v6, PPP), PDP address, QoS … CIDn
Rysunek 2-29 Wybrane parametry subskrypcji w HLR/HSS
Identyfikacja abonenta Rys. 2-30 przedstawia zbiorczo identyfikatory stosowane zarówno dla usług CS jak i PS. TMSI BSC
IMSI
MSISDN GMSC
MSC/VLR MSISDN
IMSI
TMSI
IMEI
P-TMSI
IMEI
IMSI
EIR
HSS
adres PDP statyczny adres PDP RNC
SGSN P-TMSI
IMSI
GGSN adr. PDP
Rysunek 2-30 Identyfikatory sieci CS/PS
45
Telemetria GPRS
Wprowadzenie do sieci usług GPRS rozszerza istniejący zestaw parametrów identyfikacyjnych o dwa nowe typy identyfikatorów: •
adres PDP (ang. Packet Data Protocol address) będący adresem IPv4 i/lub prefiksem sieci IPv6 terminala mobilnego,
•
P-TMSI (ang. Packet TMSI) – będący odpowiednikiem znanego z sieci CS numeru TMSI.
Komendy AT związane z obsługą parametrów i typem PDP przedstawiono na Rys. 2-31.
+CGDCONT
- define PDP context
+CGPADDR
- show PDP address(es)
+CGPIAF
- printing IP address format
+CGCONTRDP - PDP ctx. read dynamic parameters Rysunek 2-31 Komendy AT związane z adresem i typem PDP [3GPP 27.007]
Adres PDP [3GPP, 23.060] Abonent usług PS identyfikowany wewnętrznie w sieci poprzez IMSI powinien posiadać jeden lub więcej adresów warstwy sieciowej (tj. adresów pakietowego protokołu wymiany danych, ang. Packet Data Protocol – PDP) czasowo lub stale powiązanych z wykorzystywaną usługą warstwy sieciowej. Przykładami adresów PDP są: •
adres IP wersji 4 (IP),
•
prefiks adresu IP wersji 6 (IPv6),
•
adres IP wersji 4 i prefiks adresu IP wersji 6 (IPv4IPv6).
dynam miczny adres PDP Statyczny i dyna Adres PDP może być przydzielany terminalowi na trzy różne sposoby3:
3
•
adres PDP stale przydzielony abonentowi przez operatora macierzystej sieci komórkowej, zdefiniowany w danych abonenta w HLR/HSS (statyczny adres PDP);
•
adres PDP przydzielony czasowo abonentowi przez operatora macierzystej sieci komórkowej w trakcie aktywacji połączenia pakietowego PDP na cały czas jego trwania (dynamiczny adres PDP);
Pominięto sposoby stosowane w przypadku roamingu międzyoperatorskiego.
46
2 Struktura sieci
•
adres PDP stale lub czasowo przydzielony abonentowi przez operatora lub administratora sieci zewnętrznej PDN.
Dla adresów PDP przydzielanych przez operatora PLMN, terminala określa metodę przydziału jako statyczną albo dynamiczną, odpowiednio podając w sygnalizacji statyczny adres PDP albo pozostawiając wartość tego parametru jako niezdefiniowaną4. W przypadku stosowania statycznego adresu PDP, adres jest konfigurowany zarówno w danych abonenta w HLR/HSS jak i w terminalu mobilnym5. W przypadku stosowania dynamicznych adresów PDP alokowanych przez operatora sieci komórkowej, przydział i zwolnienie adresu należy do obowiązków GGSN/P-GW. Static PDP address Adres PDP = IPMS Adres PDP = IPMS*
HSS
SGSN
Dynamic PDP address HSS Adres PDP = – Adres PDP = IPMS
SGSN
IMSI, APN, typ PDP, Adres PDP = IPMS
Adres PDP = IPMS GGSN
IMSI, APN, typ PDP, Adres PDP = –
Adres PDP = –
GGSN
Adres PDP = IPMS APN, typ PDP, pula dostępnych adresów PDP
Rysunek 2-32 Adresy PDP alokowane przez operatora sieci PLMN Przykład procedur konfiguracji kontekstu PDP o adresie PDP przydzielanym przez operatora sieci PLMN przedstawiają Rys. 2-33 i Rys. 2-34.
4
[3GPP 24.008] Od standardu R10+ statyczny adres PDP nie jest podawany przez terminal mobilny w sygnalizacji związanej z aktywacją kontekstu PDP. 5
[3GPP 23.060] Od standardu R8+ statyczny adres PDP nie jest konfigurowany w terminalu mobilnym, a jedynie w HLR/HSS.
47
Telemetria GPRS
AT+CGDCONT=1,"IP","plus" OK AT+CGDCONT=2,"IP","m2m.plusgsm.pl","188.125.35.215" OK statyczny dynamiczny AT+CGDCONT? +CGDCONT: 1,"IP","plus","",0,0 +CGDCONT: 2,"IP","m2m.plusgsm.pl","188.125.35.215",0,0 OK AT +CGPADDR +CGPADDR: 1,"" +CGPADDR: 2,"188.125.35.215" OK AT +CGACT=1,1 OK AT +CGACT=1,2 OK
aktywacja dw贸ch kontekst贸w PDP
Rysunek 2-33 Konteksty PDP o adresie przydzielanym przez PLMN AT +CGPADDR +CGPADDR: 1,"31.1.255.107" +CGPADDR: 2,"188.125.35.215" OK AT +CGACT=0,2 OK AT +CGACT=1,2 OK
dynamiczny statyczny
dezaktywacja i ponowna aktywacja kontekstu PDP o statycznym adresie PDP
AT +CGPADDR +CGPADDR: 1,"31.1.255.107" +CGPADDR: 2,"188.125.35.215" OK AT +CGACT=0,1 OK AT +CGACT=1,1 OK
dezaktywacja i ponowna aktywacja kontekstu PDP o dynamicznym adresie PDP
AT +CGPADDR +CGPADDR: 1,"31.1.15.78" +CGPADDR: 2,"188.125.35.215"
Rysunek 2-34 Konteksty PDP o adresie przydzielanym przez PLMN
48
2 Struktura sieci
W przypadku stosowania adresu PDP alokowanego przez zewnętrzną sieć PDN węzeł GGSN: •
może uzyskać adres PDP od sieci PDN i przekazać go do terminala mobilnego podczas procedury aktywacji kontekstu PDP w ramach prowadzonych procedur sygnalizacyjnych NAS (ang. Non-Access Stratum),
•
albo terminal może bezpośrednio negocjować alokację adresu PDP z zewnętrzną siecią PDP po aktywowaniu kontekstu PDP.
W pierwszym przypadku (tj. adres PDP alokowany przez PDN i przekazywany przez PLMN w ramach sygnalizacji NAS), alokacja / odnawianie / zwalnianie należy do funkcji GGSN i PDN, które komunikują się w tym celu protokołami DHCP albo RADIUS. W trakcie tej komunikacji, GGSN pełni rolę klienta DHCP albo klienta RADIUS. Typ protokołu w komunikacji pomiędzy GGSN i PDN zależy od konfiguracji danego APN w GGSN. W przypadku stosowania protokołu RADIUS, dzięki możliwości umieszczenia numeru MSISDN w wiadomościach wysyłanych w stronę serwera, można utworzyć w serwerze tablicę alokacji, w której dla każdego numeru MSISDN jest na stałe przydzielony adres IP. W ten sposób można uzyskać funkcjonalność zbliżoną do statycznego adresu PDP, tj. adres dla danego użytkownika zawsze będzie ten sam, choć będzie przydzielany metodami przewidzianymi dla alokacji dynamicznej.
IMSI, APN, typ PDP, Adres PDP = –
HSS
MSISDN, Adres PDP = – IPv4AddrAlloc = NAS / –
GGSN
IPMS
RADIUS server
Adres PDP = IPMS Adres PDP = IPMS
Adres PDP = –
MSISDN RADIUS client
APN, typ PDP, metoda alokacji = NAS
ż ie CP wn H ró D e n ie liw t a oż ys m orz k wy
IPv4AddrAlloc = NAS / –
SGSN
MSISDNx↔IPMSx
Adres PDP = – , IPv4AddrAlloc = NAS / –
Rysunek 2-35 Adresy PDP alokowane przez PDN (NAS)
49
Telemetria GPRS
W drugim przypadku (tj. adres PDP alokowany przez PDN i transparentnie przekazywany do terminala mobilnego) sieć tymczasowo ustanawia adres PDP o wartości 0.0.0.0, a do alokacji i zwolnienia właściwego adresu PDP służy protokół DHCP. W trakcie tej komunikacji, GGSN pełni rolę agenta przekazywania DHCP (ang. DHCP Relay Agent)6.
Adres PDP = – , IPv4AddrAlloc = DHCP
IMSI, APN, typ PDP, Adres PDP = – HSS
Adres PDP = –
Adres PDP = –
IPv4AddrAlloc = DHCP
IPv4AddrAlloc = DHCP
Adres PDP = 0.0.0.0
SGSN
Adres PDP = 0.0.0.0
APN, typ PDP, metoda alokacji = DHCP GGSN DHCP relay
DHCP server
DHCP Discover
DHCP Ack (IPMS)
Rysunek 2-36 Adresy PDP alokowane przez operatora sieci PDN (DHCP) Pełną składnię komendy AT+CGDCONT z uwzględnieniem parametrów służących do wyboru metody przydziału adresu PDP przedstawiono na Rys. 2-37. Typ protokołu PDP: IP, IPv6, IPv4IPv6, PPP, -
statyczny adres IP, -
+CGDCONT =[<cid>[,<PDP_type>[,<APN>[,<PDP_addr> [,<d_comp>[,<h_comp>[,<IPv4AddrAlloc> [,<emergency indication> [,<P-CSCF_discovery> [,<IM_CN_Signalling_Flag_Ind> ]]]]]]]]]] metoda alokacji adresu: IPv4: sygnalizacja NAS, DHCP, -
Rysunek 2-37 Wybór metody alokacji adresu PDP komendą AT+CGDCONT Jeśli terminal mobilny nie określa preferowanego typu i metody przydziału adresu PDP sieć postępuje zgodnie zasadami skonfigurowanymi przez operatora PLMN dla danego APN.
6
Standard przewiduje również możliwość wykorzystania do tego celu protokołu MIP.
50
2 Struktura sieci
PDN, interfejs Gi i typ PDP Usługi transmisji danych PS są realizowane przez PLMN pomiędzy terminalem mobilnym (ang. Mobile Termination – MT), a zewnętrzną siecią pakietową (ang. Packet Data Network – PDN). Protokołem wymiany danych pakietowych pomiędzy MT i PDN może IP albo PPP (ang. Point-to-Point Protocol).
PDP type IP W przypadku stosowania protokołu IP, GGSN z punktu widzenia elementów zewnętrznej sieci IP pełni rolę routera, umożliwiając routing pomiędzy wszystkimi MT jakie posiadają aktywny kontekst PDP w danym APN, a elementami zewnętrznej sieci IP, jaką jest PDN. Typowo w przypadku ogólnie dostępnych APN typu IP routing pomiędzy MT w ramach jednego APN jest zablokowany przez operatora PLMN, ze względów bezpieczeństwa. Natomiast bezpośredni routing pomiędzy MT jest typowo odblokowany dla APN wymagających od abonenta świadomej konfiguracji i dodatkowej subskrypcji. Sieć PDN typu IP może stosować zarówno adresowanie IP prywatne jak i publiczne7. Typowo obecnie dla publicznych APN zapewniających dostęp do sieci Internet stosuje się dynamicznie alokowane adresy publicznie. W przeszłości natomiast były stosowane dynamicznie alokowane adresy prywatne, a routing pomiędzy siecią PDN, a Internetem odbywał się za pośrednictwem mechanizmów typu NAT (ang. Network Address Translation).
SGSN
GGSN
prywatna sieć IP
publiczny adres IP
SGSN prywatny adres IP
PLMN
PLMN prywatna sieć IP
PDN Internet publiczna sieć IP
PDN GGSN
prywatna sieć IP należąca do operatora PLMN
NAT
Internet publiczna sieć IP
Rysunek 2-38 Rozwiązania dla PDN publicznych APN (IP) 7
Wcześnie opisane metody statycznego i dynamicznego przydziału adresów IP dla odnoszą się zarówno do adresów prywatnych jak i publicznych.
51
Telemetria GPRS
W przypadku prywatnych APN, uruchamianych np. na potrzeby telemetrii, sieć PDN jest pod kontrolą operatora systemu telemetrycznego najczęściej niezależnego względem operatora sieci PLMN. Typowo telemetria stosuje prywatne, statyczne adresowanie IP. Technologia stosowana w transmisji pomiędzy GGSN operatora PLMN, a siecią PDN operatora systemu telemetrycznego (interfejs Gi), może być zrealizowane dowolną metodą uzgodnioną pomiędzy operatorami PLMN i PDN, w tym również z możliwością wykorzystania sieci transmisyjnych innych operatorów.
PLMN
SGSN
GGSN
łącze lub sieć transmisyjna dolnego typu
PDN prywatna sieć IP niezależna od operatora PLMN
prywatna sieć IP prywatne adresy IP
Rysunek 2-39 Rozwiązania dla PDN prywatnych APN (IP)
PDP type PPP W przypadku stosowania przez zewnętrzną sieć protokołu innego niż IP (np.: X.25, IPX, AppleTalk) łączność pomiędzy MT i GGSN może być prowadzona z wykorzystaniem protokołu PPP. Ponieważ protokół PPP, jako protokół warstwy 2, nie zapewnia możliwości adresowania i routingu, ewentualne adresowanie użytkowników odbywa się zgodnie z zasadami stosowanego protokołu warstwy 3 i jest całkowicie niezależne od operatora sieci PLMN (tj. brak metod przydziału adresu w standardzie 3GPP). Z uwagi na brak adresowania i routingu, GGSN oddzielnie dla każdego aktywnego kontekstu PDP typu PPP prowadzi tunelowanie ramek PPP do/od węzła sieci zewnętrznej (np. switch X.25, po sieci IP. PPP SGSN
L2TP
PLMN prywatna sieć IP
GGSN
IP
PDN prywatna sieć niezależna od operatora PLMN
np.: X.25, IPX
Rysunek 2-40 Rozwiązania dla PDN prywatnych APN (PPP)
52
2 Struktura sieci
Zawansowana sieć szkieletowa Zawansowana pakietowa sieć szkieletowa (ang. Evolved Packet Core - EPC) została wprowadzona do standardu jako element systemu EPS/LTE. EPC jest odpowiedzialny za wszystkie funkcje niezbędne do świadczenia usług przenoszenia pakietów IP pomiędzy sieciami radiowego dostępu GERAN/UTRAN/E-UTRAN i zewnętrznymi pakietowymi sieciami IP.
UTRAN
MSC
GERAN
SGSN
Sv
Sv
MME ~ ”SGSN serwer” S3
MME
HSS
LTE-Uu
P-GW ~ ”GGSN”
S6a
MME S11
E-UTRAN
S4 S13
S1-MME
S1-U
S-GW ~ ”PS-MGW”
S12
SGs
S10
UE
czerwonym kolorem oznaczono węzły specyficzne dla EPC
S6b
S-GW
EIR
S5
PCRF
Rx
Gx
P-GW
Operatorskie usługi IP (np.: IMS)
SGi
Rysunek 2-41 Zaawansowana pakietowa sieć szkieletowa EPC EPC wprowadza do systemu kilka nowych typów węzłów: •
jednostkę zarządzania mobilnością (ang. Mobility Management Entity - MME) o roli podobnej do SGSN ale pozbawionej funkcji związanych z bezpośrednią obsługą ruchu pakietowego,
•
bramkę obsługującą (ang. Serving Gateway - S-GW) służącą do obsługi ruchu na styku z siecią radiowego dostępu E-UTRAN,
•
bramkę do zewnętrznych pakietowych sieci IP (ang. PDP Gateway - P-GW) służącą do obsługi ruchu na styku z sieciami zewnętrznymi.
Numery identyfikacyjne Globalnie unikatowy tymczasowy identyfikator abonenta (ang. Globally Unique Temporary Identifier – GUTI) jest jedynym nowym typem numeru identyfikacyjnego pojawiającym się w związku z wprowadzeniem EPC/EPS. GUTI jest odpowiednikiem znanych z sieci CS/PS CN numerów TMSI/P-TMSI.
53
Telemetria GPRS
P-TMSI
IMSI
IMEI
UTRAN adres PDP
SGSN GERAN
IMSI
statyczny adres PDP
IMEI GUTI
IMEI IMEI
IMSI
IMSI IMSI
GUTI
HSS
P-TMSI
MME EIR
E-UTRAN
IMEI
UE
S-GW IMSI
IMEI
MSISDN
IMEI MSISDN adres PDP
P-GW adres PDP
Rysunek 2-42 Identyfikatory sieci CS/PS CN i EPC
Zestawienie sesji pakietowej W EPS, w odróżnieniu od pozostałych omawianych systemów, rejestracja abonenta w sieci jest nierozerwalnie związana z zestawieniem sesji pakietowej. Ta, szczególnego rodzaju sesja pakietowej, nazywana sesją domyślną (ang. default bearer), trwa przez cały okres rejestracji w sieci, aż do wyłączenia terminala lub jego wyjścia z obszaru pokrycia sygnałem radiowym. Sesja domyślna zapewnia abonentowi stałą łączność z usługami IP zlokalizowanymi w zewnętrznej sieci. Parametry QoS sesji domyślnej są określone w danych abonenta pobranych przez MME z HSS i nigdy nie zawierają parametrów gwarantujących przepływność (ang. Guaranteed Bit Rate – GBR). Dodatkowe sesje pakietowe, których zestawienie nie jest związane z procedurą rejestracji w sieci, nazywają się sesjami dedykowanymi (ang. dedicated bearer). Sesje dedykowane mogą być zestawianie i zwalniane w dowolnym momencie podczas obecności abonenta w sieci. Zestawienie sesji dedykowanej może się odbywać zarówno na wniosek samego abonenta jak i serwera w zewnętrznej sieci, a żądanie zestawienia może, ale nie musi zawierać parametr gwarantujący przepływność.
54
2 Struktura sieci
do ja c ra s t PS e j E re
MME
HSS
zgłoszenie dostępności abonenta (IMSI, MSISDN, IMEISV, IP, RAT)
PCRF S-GW
P-GW
brak gwarancji przepływności, stała łączność
Rysunek 2-43 Domyślna sesja pakietowa MME
HSS PCRF
S-GW
QoS
P-GW
gwarancja przepływności możliwa
Rysunek 2-44 Dedykowana sesja pakietowa W przyszłości, typowo, sesja domyślna ma służyć do wymiany sygnalizacji z zewnętrzną siecią teleusługową IMS (ang. IP Multimedia Subsystem) będącej standardowym środowiskiem świadczenia teleusług (np. telefonia, przesyłanie wiadomości) dla środowiska sieci IP. Sesje dedykowane, mają natomiast służyć do wymiany ruchu IP związanego ze świadczeń teleusług IP (np. telefonia, wideotelefonie, współdzielenie ekranu, naciśnij i mów). sygnalizacja IMS
sesja domyślna S-GW
IMS
P-GW
sesja dedykowana ruch IMS
Rysunek 2-45 Rola sesji domyślnej i dedykowanej Ponieważ sesja domyślna zawsze pozostaje zestawiona, terminal zarejestrowany w sieci EPS jest stale dostępny dla wywołań systemu IMS związanych z realizacją przychodzących teleusług IP. 55
Telemetria GPRS
Aktualizacja lokalizacji Dla wszystkich terminali, zarejestrowanych w sieci ale nie posiadających dedykowanego kanału radiowego, sieć musi posiadać informacje na temat ich lokalizacji w celu realizacji usług przychodzących. Ponieważ dane lokalizacyjne nie muszą być wyjątkowo dokładne (np. dokładność pojedynczej komórki), wprowadzono koncepcję obszarów lokalizacji (ang. Location Area – LA) dla CS CN, obszarów trasowania (ang. Routing Area - RA) dla PS CN i obszarów śledzenia (ang. Tracking Area – TA) dla EPC. Obszary LARATA są definiowane jako grupa sąsiadujących komórek. Identyfikator obszaru LA/RA/TA, do którego należy dana komórka jest częścią informacji pojawiających się na kanałach rozsiewczych komórki. Identyfikator aktualnego obszaru, w którym znajduje się terminal jest sygnalizowany CN w trakcie rejestracji do systemu i po każdej zmianie komórki, z którą związana jest równoczesna zmiana obszaru. Jeśli sieć ma potrzebę nawiązania kontaktu radiowego z terminalem, wiadomość wywoławcza zawierająca identyfikator terminala (IMSI, TMSI, P-TMSI lub GUTI) rozpowszechniana jest w kierunku w dół poprzez kanały wspólne wszystkich komórek należących do obszaru w którym zarejestrowany jest abonent. MSC/SGSN/MME LA/RA/TA #1
LA/RA/TA #2 wywołanie
aktualizacja lokalizacji
Rysunek 2-46 Obszary lokalizacji (LA/RA/TA) Terminal przeprowadza również, w wyznaczonym przez sieć czasie, okresowe aktualizacje lokalizacji, nawet w przypadku gdy nie dochodzi do zmian LA/RA/TA. Okresowe aktualizacje lokalizacji pozwalają sieci wykryć fakt wyjścia terminala z obszaru pokrycia sygnałem radiowym lub odłączenia od sieci spowodowanego rozładowaniem baterii.
56
2 Struktura sieci
Pewnym ulepszeniem mechanizmu aktualizacji lokalizacji, w porównaniu do rozwiązań stosowanych w CS/PS CN, jest rozwiązanie występujące w EPC polegające na możliwości rejestracji abonenta w obszarze składającym się z wielu obszarów TA (tzw. obszar listy TA). W przypadku rejestracji w liście TA, terminal nie prowadzi procedur aktualizacji lokalizacji tak długo jak pozostaje w komórkach należących do któregokolwiek TA należącego do listy TA (z wyjątkiem procedur okresowej aktualizacji lokalizacji). Lista obszarów TA, w których sieć EPS dokonuje rejestracji, jest przesyłana do terminala w odpowiedzi na „zwykłą” procedurę aktualizacji lokalizacji inicjowaną przez terminal.
TA#6 TA#1
TA#8
TA#4 TA#3 TA#2
TA#9
TA#5 TA#7 aktualizacja TA
Rysunek 2-47 Rejestracja w liście TA [3GPP, 23.003] Wymienione wcześniej obszary lokalizacji LA i komórki posiadają swoje standardowe identyfikatory, odpowiednio LAC (ang. Location Area Code) i CGI (ang. Cell Global Identity).
Location Area Identity:
MCC
MNC
LAC
LAC
Cell Global Identity:
MCC
MNC
LAC
CI
CGI
Rysunek 2-48 Identyfikatory obszaru lokalizacji i komórki
57
Telemetria GPRS
Komedy AT umoĹźliwiajÄ&#x2026;ce odczyt aktualnej lokalizacji terminala mobilnego w sieci przedstawiono na Rys. 2-49.
+CREG - network registration +CGREG - GPRS network registration status Rysunek 2-49 Komendy AT - lokalizacja
58