Управление сетями связи в стандарте GSM

Задачи системы сетевого управления. Принципы построения системы сетевого управления. Распределение функций сетевого управления в GSM. Стандартные интерфейсы в системе сетевого управления GSM
 
Занятие 18

Задачи системы сетевого управления
Системы управления корпоративными сетями существуют не очень давно. Одной из первых систем такого назначения, получившей широкое распространение, был программный продукт SunNet Manager, выпущенный в 1989 г. компанией SunSoft. SunNet Manager был ориентирован на управление коммуникационным оборудованием и контроль трафика сети. Именно эти функции чаще всего имеют в виду, когда говорят о системе управления сетью. Кроме систем управления сетями существуют и системы управления другими элементами корпоративной сети: системы управления ОС, СУБД, корпоративными приложениями. Применяются также системы управления телекоммуникационными сетями: телефонными, а также первичными сетями технологий PDH и SDH.
 
Независимо от объекта управления, желательно, чтобы система управления выполняла ряд функций, которые определены международными стандартами, обобщающими опыт применения систем управления в различных областях. Существуют рекомендации ITU-T X.700 и близкий к ним стандарт ISO 7498-4, которые делят задачи системы управления на пять функциональных групп:
  •  управление конфигурацией сети и именованием;
  • обработка ошибок;
  • анализ производительности и надежности;
  • управление безопасностью;
  • учет работы сети.  
Рассмотрим задачи этих функциональных областей управления применительно к системам управления сетями.
 
Управление конфигурацией сети и именованием (Configuration Mana-gement). Эти задачи заключаются в конфигурировании параметров как элементов сети (Network Element, NE), так и сети в целом. Для элементов сети, таких как маршрутизаторы, мультиплексоры и т.п., с помощью этой группы задач определяются сетевые адреса, идентификаторы (имена), географическое положение и пр.
 
Для сети в целом управление конфигурацией обычно начинается с построения карты сети, т.е. отображения реальных связей между элементами сети и изменения связей между элементами сети – образование новых физических или логических каналов, изменение таблиц коммутации и маршрутизации.
 
Управление конфигурацией (как и другие задачи системы управления) может выполняться в автоматическом, ручном или полуавтоматическом режимах. Например, карта сети может составляться автоматически, на основании зондирования реальной сети пакетами-исследователями, а может быть введена оператором системы управления вручную. Чаще всего применяются полуавтоматические методы, когда автоматически полученную карту оператор подправляет вручную. Методы автоматического построения топологической карты, как правило, являются фирменными разработками.
 
Более сложной задачей является настройка коммутаторов и маршрутизаторов на поддержку маршрутов и виртуальных путей между пользователями сети. Согласованная ручная настройка таблиц маршрутизации при полном или частичном отказе от использования протокола маршрутизации (а в некоторых глобальных сетях, например Х.25, такого протокола просто не существует) представляет собой сложную задачу. Многие системы управления сетью общего назначения ее не выполняют, но существуют специализированные системы конкретных производителей, например система NetSys компании Cisco Systems, которая решает ее для маршрутизаторов этой же компании.
 
Обработка ошибок (Fault Management). Эта группа задач включает выявление, определение и устранение последствий сбоев и отказов в работе сети. На этом уровне выполняется не только регистрация сообщений об ошибках, но и их фильтрация, маршрутизация и анализ на основе некоторой корреляционной модели. Фильтрация позволяет выделить из весьма интенсивного потока сообщений об ошибках, который обычно наблюдается в большой сети, только важные сообщения, маршрутизация обеспечивает их доставку нужному элементу системы управления, а корреляционный анализ позволяет найти причину, породившую поток взаимосвязанных сообщений (например, обрыв кабеля может быть причиной большого количества сообщений о недоступности сетей и серверов).
 
Устранение ошибок может быть как автоматическим, так и полуавтоматическим. В первом случае система непосредственно управляет оборудованием или программными комплексами и обходит отказавший элемент за счет резервных каналов и т.п. В полуавтоматическом режиме основные решения и действия по устранению неисправности выполняют люди, а система управления только помогает в организации этого процесса – оформляет квитанции на выполнение работ и отслеживает их поэтапное выполнение (подобно системам групповой работы).
 
В этой группе задач иногда выделяют подгруппу задач управления проблемами, подразумевая под проблемой сложную ситуацию, требующую для разрешения обязательного привлечения специалистов по обслуживанию сети.
 
Анализ производительности и надежности (Performance Management). Задачи этой группы связаны с оценкой на основе накопленной статистической информации таких параметров, как время реакции системы, пропускная способность реального или виртуального канала связи между двумя конечными абонентами сети, интенсивность трафика в отдельных сегментах и каналах сети, вероятность искажения данных при их передаче через сеть, а также коэффициент готовности сети или ее определенной транспортной службы. Функции анализа производительности и надежности сети нужны как для оперативного управления сетью, так и для планирования развития сети.
 
Результаты анализа производительности и надежности позволяют контролировать соглашение об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA), заключаемое между пользователем сети и ее администраторами (или компанией, продающей услуги). Обычно в SLA оговариваются такие параметры надежности, как коэффициент готовности службы в течение года и месяца, максимальное время устранения отказа, а также параметры производительности, например, средняя и максимальная пропускная способности при соединении двух точек подключения пользовательского оборудования, время реакции сети (если информационная служба, для которой определяется время реакции, поддерживается внутри сети), максимальная задержка пакетов при передаче через сеть (если сеть используется только как транзитный транспорт). Без средств анализа производительности и надежности поставщик услуг публичной сети или отдел информационных технологий предприятия не сможет ни проконтролировать, ни тем более обеспечить нужный уровень обслуживания для конечных пользователей сети.
 
Управление безопасностью (Security Management). Задачи этой группы включают в себя контроль доступа к ресурсам сети (данным и оборудованию) и сохранение целостности данных при их хранении и передаче через сеть. Базовыми элементами управления безопасностью являются процедуры аутентификации пользователей, назначение и проверка прав доступа к ресурсам сети, распределение и поддержка ключей шифрования, управления полномочиями и т.п. Часто функции этой группы не включаются в системы управления сетями, а реализуются либо в виде специальных продуктов (например, системы аутентификации и авторизации Kerberos, различных защитных экранов, систем шифрования данных), либо входят в состав операционных систем и системных приложений.
 
Учет работы сети (Accounting Management). Задачи этой группы занимаются регистрацией времени использования различных ресурсов сети – устройств, каналов и транспортных служб. Эти задачи имеют дело с такими понятиями, как время использования службы и плата за ресурсы – billing. Ввиду специфического характера оплаты услуг у различных поставщиков и различными формами соглашения об уровне услуг, эта группа функций обычно не включается в коммерческие системы и платформы управления типа HP Open View, а реализуется в заказных системах, разрабатываемых для конкретного заказчика.
 
Модель управления OSI не делает различий между управляемыми объектами – каналами, сегментами локальных сетей, мостами, коммутаторами и маршрутизаторами, модемами и мультиплексорами, аппаратным и программным обеспечением компьютеров, СУБД. Все эти объекты управления входят в общее понятие «система», и управляемая система взаимодействует с управляющей системой по открытым протоколам OSI.
 
Однако на практике деление систем управления по типам управляемых объектов широко распространено. Ставшими классическими системы управления сетями, такие как SunNet Manager, HP Open View или Cabletron Spectrum, управляют только коммуникационными объектами корпоративных сетей, т.е. концентраторами и коммутаторами локальных сетей, а также маршрутизаторами и удаленными мостами, как устройствами доступа к глобальным сетям. Оборудованием территориальных сетей обычно управляют системы производителей телекоммуникационного оборудования, такие как RADView компании RAD Data Communications, MainStreetXpress 46020 компании Newbridge и т.п.
 
Принципы построения систем сотовой связи стандарта GSM
 
Принципы построения системы сетевого управления
 
Структура сети сотовой связи GSM
 
GSM — это сокращенное название системы сотовой связи — Global System for Mobile communication. Сеть сотовой связи состоит из большого числа развернутых на местности приемопередатчиков, зоны обслуживания которых частично перекрываются. Принцип повторного использования частот в сети позволяет добиться высокой плотности трафика на больших территориях. Поскольку уровень мощности, излучаемой терминалами (телефонами) сотовой связи ограничен, на местности приходится размещать большое количество базовых станций, обслуживающих небольшие площади. Несколько базовых станций объединяются в ячейку, часто представляемую в виде правильного шестиугольника. Совокупность таких ячеек на местности похожа на пчелиные соты. Отсюда и это вид связи получил свое название — сотовая связь.
 
Сеть сотовой связи стандарта GSM подразделяется на три элемента:
 
•    мобильные станции, которыми пользуются ее абоненты;
 
•    базовые станции, управляющие процессом соединения с мобильными станциями;
 
•    коммутационные центры мобильной связи, обеспечивающие коммутацию соединений между абонентами мобильных станций и абонен­тов мобильных станций с абонентами телефонных сетей общего пользования и наоборот
.
 
 Вызовы 
В системе GSM используется принцип временного разделения каналов с множественным доступом (TDMA — Time Division Multiple Access). При этом сигналы с базовой станции (BS — Base Station) передаются на мобильную станцию (MS — Mobile Station) и наоборот. В состав базовой станции входят трансивер или приемопередающее устройство (BTS — Base Tranceiver Station) и контроллер (BSC — Base Station Controller). Как правило, один BSC обслуживает 20—30 BTS, а коммутационный центр мобильной связи (MSC — Mobile Switching Centre) управляет трафиком (потоками информации) между разными ячейками сотовой связи на основе сигналов, получаемых от базовых станций.
 
Регистрация посетителя (VLR — Visitor Location Register), относящегося к «чужой» сети, является одной из функций MSC. При появлении в сети «чужого» абонента он сверяет его данные с имеющимися в памяти и либо разрешает (если роуминг данному абоненту разрешен), либо отказывает (если роуминг запрещен) этому абоненту в доступе к сети.
 
Каналы и обработка сигналов 
Каналы в системе сотовой связи стандарта GSM делятся на два класса: логические и физические. Физические каналы характеризуются их частотными параметрами, в частности, диапазоном, частотами приема и передачи базовых и мобильных станций, и временными параметрами или параметрами используемых временных слотов. Логические каналы так и называются, потому что они логически распределяются в физических каналах. Физические каналы используются для передачи сигналов логических каналов управления или каналов трафика. Что и когда передается по физическому каналу, определяется конкретным промежутком времени.
 
Каждому физическому каналу, представляющему собой пару частот — передачи и приема, присваивается номер.
 
Рассчитать частоту канала п можно по формулам:
 
Fjx = 890 + 0,2-п (МГц), где 1 < п < 124;
 
Frx = FTx + 45 (МГц), где Frx и Ftx обозначают соответственно частоты приема и передачи.
 
Как было сказано выше, эти данные представляют собой логический канал. Он состоит из канала трафика TCH (Traffic Channel), используемый главным образом для передачи речевой информации, и широковещательного канала ВСН (Broadcast Channel) для передачи сигналов управления. Основное назначение канала ВСН — передача информации от базовой станции на мобильную с целью синхронизации работы, идентификации, вызова и управления соединением. Его сигнал постоянно излучается каждой базовой станцией сотовой связи, а мобильная станция всегда ищет для соединения ту базовую станцию, принимаемый сигнал которой максимален.
 
Структура канала ВСН включает:
 
•    канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel);
 
•    канал синхронизации SCH (Synchronization Channel);
 
•    широковещательный канал управления ВССН (Broadcast Control Channel).

 
Общий канал управления ССН (Common Control Channel) играет роль доски объявлений и состоит в свою очередь из двух каналов — канала вызова РСН (Paging Channel) и канала предоставления доступа AGCH (Access Grant Channel). Медленный управляющий канал взаимодействия SACCH (Slow Associated Control Channel) присутствует в сигнале каждые 12 фреймов и служит для управления мощностью передающего устройства и синхронизации работы мобильной станции, передачи служебной информации на мобильную станцию, передачи от нее на соседние базовые станции информации об уровне и качестве приема. Быстрый канал обмена сигналами управления FACCH (Fast Associated Control Channel) остается невидимым и включается в работу при необходимости обеспечения хэндовера мобильной станции, изменяя при этом канал трафика ТСН.
 
Выделенный канал управления SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) и канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) ра­ботают в процессе установления соединения.
 
Каждой MS присваивается уникальный идентификационный номер, и, как только телефон включают, происходит его немедленная регистра­ция и аутентификация в сети. Это позволяет немедленно найти абонента сотовой связи, где бы он ни находился при условии, что его MS находится в зоне покрытия сети.
 
В процессе сеанса связи передаются функциональные блоки данных:
 
•   VLR (Visitor Location Register) — регистрационные данные посетителя сети. Данные, хранящие информацию о абоненте, который рабо­тает в данной сети в качестве роумера (т. е. пользователя «неродной» сети, с которой она имеет соглашение о роуминге). При входящих звонках на мобильный телефон абонента происходит запрос его VLR данных;
 
•   HLR (Home Location Register) — регистрационные данные пользователя в «домашней» сети. При этом идет обращение к базе данных оператора сотовой связи, услугами которого пользуется абонент. Например, возможности доступа, подключенные услуги, дополнительные услуги. Также в состав этих данные входят и VLR данные. При перемещениях абонента соответствующим образом модифицируются и его регистрационные данные. И еще эти данные поступают на MSC для обеспечения немедленного перенаправления вызовов на мобильную станцию абонента;
 
•   AUC (Authentication Center) — аутентификационный центр. Хранимая в нем информация необходима для защиты связи от прослушивания и постороннего доступа. То есть, доступность абонента возможна только при использовании его аутентификационных данных, что обеспечивает необходимую конфиденциальность связи;
 
•   EIR (Equipment Identity Register) — регистрационные данные используемого оборудования. Для повышения уровня безопасности связи оператор может ввести использование и индивидуальных данных о мобильной станции абонента. В этом случае SIM-карта абонента может быть использована только в одном конкретном аппарате сотовой связи;
 
•   SIM (Subscriber Identity Module — идентификационный модуль абонента) или по-другому SIM-карта, представляющая собой микросхему памяти с запрограммированными в ней идентификационными данными абонента, вмонтированную в карту небольших размеров, устанавливаемую в специальный слот сотового телефона.
 
Как было сказано выше, мобильные телефоны системы GSM используют принцип временного кодирования сигналов с множественным досту­пом или TDMA (Time Division Multiple Access). Это значит, что при разговоре абонента сигналы от его телефона передаются короткими пачками импульсов — пакетами, которые включают помимо передаваемой информации и служебную. Соответственно, аналоговые сигналы перед подачей их на модулятор должны быть оцифрованы, и все сигналы — обработаны процессором, чтобы занять свое, определенное для них в пакете место. На одном частотном канале (в GSM ширина его полосы составляет 200 кГц) могут вести переговоры несколько абонентов одновременно. В пределах одной соты может быть задействовано несколько таких каналов.
 
Речевой сигнал после цифро-аналогового преобразователя представляет собой цифровую последовательность, которая после преобразования ее в параллельный код подается на синфазно-квадратурный или I/Q (In-phase/Quadrature) модулятор. В современных системах мобильной цифровой связи используются именно I/Q модуляторы. Они позволяют получить сигналы практически со всеми видами модуляции, используемыми в таких системах, реализовать метод модуляции с постоянной огибающей, отличающийся от других высокими энергетическими характеристиками. На рис. 1.4 показана упрощенная схема I/Q модулятора. Из нее видно, что сигнал опорной частоты подается на фазовращатель, который формирует из него два одинаковых сигнала, сдвинутых по частоте на 90°. В результате сложения этих сигналов и получают модулированный радиочастотный сигнал. Фильтры нижних частот на входе модулятора предназначены для сглаживания фронтов импульсов. Их обычно называют предмодуляциоиными фильтрами.
 
В современных мобильных телефонах наиболее широкое применение нашли приемники прямого преобразования или DCR (Direct Conversion Receiver). Принцип работы такого приемника прост: принимаемый сигнал подается на преобразователь частоты, на который одновременно подается и сигнал гетеродина с частотой, равной частоте принимаемого сигнала. В результате выделяется информационный сигнал. Соответственно приемник прямого преобразования для приема сигналов GSM должен обеспечить возможность выделения квадратурных каналов I и Q.
 
Распределение функций сетевого управления в GSM
 
Операционные системы 
Физическая конфигурация TMN обеспечивает альтернативные решения как централизации, так и распределения общих функций операционных систем (OS), что включает в себя:
 
- обслуживающие прикладные программы;
 
- функции базы данных;
 
- обеспечение абонентского терминала;
 
- анализирующие программы;
 
- форматирование данных и передачу сообщений.

 
В GSM TMN все эти функции представлены для централизованной дистанционной обработки, т.е. в центре управления и обслуживания ОМС (в терминологии TMN нужно рассматривать как сетевую OS), тогда как специальные части этих функций (так называемые функции жизнеобеспечения) должны локально присутствовать в узловой базовой OS.
 
Процессы сопряжения 
Составной частью функций сети управления связью являются процессы сопряжения - процессы, которые определяют направления соединений и/или воздействий на информацию, передаваемую между отдельными элементами сети (NE) и операционными системами по каналам передачи данных. Процессы сопряжения классифицируются по пяти общим категориям:
 
1) управление связью;
 
2) сопряжение протоколов и обработка данных;
 
3) сопряжение (объединение) простых функций:
 
4) процессы принятия решений;
 
5) хранение данных.

 
Процессы сопряжения имеют место как в автономном оборудовании, так и в отдельных элементах сети.
 
Передача данных в GSM TMN 
Функции передачи данных (DCF) для GSM TMN обеспечиваются сетью передачи данных (DCN) или локальными сетями связи (LCN).
 
DCN для GSM TMN соответствует эталонной модели OSI [6.2]. Функции передачи данных включают в себя обеспечение соединения через соответствующие сопряжения различных элементов сети к операционным системам. Интерфейс, используемый в процессе соединений, определяется в Рекомендациях МККТТ М.2х [6.3] как Q3 интерфейс. Этот интерфейс обеспечивает полный доступ ко всем частям TMN. Некоторые функции определены тем, что система сигнализации МККТТ SS N7 должна относиться к интерфейсу Q3.
 
Для других функций оператор имеет возможность использовать закрепленные каналы с протоколом серии Х.25 или коммутируемые сети пакетной передачи данных общего пользования (PC PDN).
 
В локальных сетях связи (LCN) при осуществлении соединений с PLMN для реализации функций передачи данных TMN могут использоваться интерфейс Q2 МККТТ и A-bis интерфейс.
 
Элементы сети 
В системе связи GSM элементами сети (NE) являются узлы PLMN, например, MSC, HLR, BSS или любая часть связного оборудования. Элементы сети могут обеспечивать следующие группы функций сетевого управления:
 
- функции обслуживания объекта (MEF), сопряжены с процессами связи. Обслуживаемый объект (ME) может иметь одну иди более функций MEF;
 
- функции обеспечения объекта (SEF), непосредственно не включены в процесс связи. К ним относятся, например, локализация отказов, сбор данных. Объект обеспечения (SE) может иметь одну или более функций SEF.
 
Элементы сети могут иметь функции первой или второй группы, а также то и другое одновременно.
 
Стандартные интерфейсы в системе сетевого управления GSM
 
Стандартные интерфейсы в системе сетевого управления обеспечивают взаимодействие элементов сети, операционных систем и рабочих станций через сети передачи данных (DCN) или локальные сети связи (LCN).
 
Для гарантированной совместной работы соединяемых элементов сети необходимы четкие технические требования к интерфейсу, функционально независимые от типа устройства и поставщика. Это требует совместимых протоколов связи и совместимого метода представления данных для передачи сообщений, включая совместимые описания групповых сообщений для функций сети управления.
 
Интерфейсы между TMN 
Состав и функциональное назначение интерфейсов в GSM TMN показаны на рис. 6.2. Для передачи сообщений между сетями управления, используемыми, например, разными операторами применяется система сигнализации МККТТ SS N7 или Х.25.
 
При применении SS N7 используются протоколы МККТТ (Голубая книга) Рекомендация Q.795 [6.4].
 
При использовании сетей Х.25 необходимы дополнительные соглашения между операторами по использованию протоколов более высокого уровня. Некоторые функции сетевого управления определены СЕРТ рабочей подгруппой SPS 6 в Рекомендации GSM 09.02 [6.5], которая требует использования SS N7 в следующих случаях:
 
- передачи информации между MSC и HLR другой PLMN;
 
- идентификации оборудования;
 
- обмене сообщениями между регистрами положения;
 
- при запросе на "эстафетную передачу".

 
TMN интерфейс между PLMN и узлами TMN 
В общем случае операторы сетей могут свободно использовать либо систему сигнализации SS N7, предусмотренную в PLMN, либо специализированную сеть Х.25 в соответствии с Рекомендациями МККТТ (Голубая кни^а) Q.513 [6.6]. При использовании сетей Х.25 могут быть необходимы средства для преобразования протоколов обмена (Х.25 - SS N7).
 
Информационный обмен в процессе сетевого управления между BSS и MSC (А-интерфейс, рис. 6.3) обеспечивается SS N7.
 
Требования к средствам файлового обмена обеспечиваются использованием элементов управления сигнализационными соединениями (SCCP) класса 2 и транспортного протокола X.224 класса 2, либо SCCP класса 3 и Х.224 класса 0. Также предусмотрена специальная версия GSM относительно применения Х.25 соединений на А-интерфейсе.
 
Интерфейс между BTS и BSC (GSM A-bis интерфейс) основан на применении Lap-D протоколов для информационного обмена при сетевом управлении.
 
Все узлы PLMN, за исключением BTS, оснащены общим Х.25 интерфейсом. Это обеспечивает полный доступ к TMN на уровне Q3 либо локально, либо дистанционно за счет использования отдельного подключения к PS PDN.
 
При использовании в PLMN локальных сетей связи TMN интерфейсы определяются СЕРТ Рекомендацией Т/К 02-11 [6.7].
 
Полная структурная схема процессов управления системой связи GSM, состав и сопряжения протоколов связи показаны на рис. 6.3.
 
Протоколы более высоких уровней, используемые в GSM TMN 
Сопряжение на более высоких уровнях (выше слоя 3) может быть предусмотрено при использовании стандартных протоколов, основанных на МККТТ Рекомендациях (Голубая книга) Q.795 или на стандартах ISO для общих информационных служб управления (CMIS) и доступа и управления файловым обменом (FTAM), как это иллюстрируется на рис. 6.3 [6.8, 6.9].
 
Однако, на первом этапе не рекомендуется использование ОМАР в GSM TMN, так как этс требует сетевого обслуживания без подключений, которое не может быть поддержано со сторонь SS N7 и Х.25. Кроме того, способы файлового обмена, которые являются обязательными для эффективного управления PLMN, полностью не определены в ОМАР.