Signalizační systém číslo 7 v mobilních sítích GSM

Transkript

1 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ Semestrální práce do předmětu 37MK Signalizační systém číslo 7 v mobilních sítích GSM Jaroslav Vrána

2 Signalizační systém číslo 7 v mobilních sítích GSM Obsah Obsah Obsah GSM Standard GSM Dělení a struktura sítě Operační subsystém Síťový spojovací subsystém Subsystém základnových stanic SS Signalizace CAS CCS Struktura signalizační sítě Typy zpráv FISU LSSU MSU Adresování a směrování v síti Používané protokoly MTP MTP MTP ISUP SCCP TCAP MAP/INAP Použitá literatura

3 Signalizační systém číslo 7 v mobilních sítích GSM 1.GSM 1. GSM 1.1 Standard GSM Tato všeobecně známá zkratka (Global System for Mobile Communication) v sobě zahrnuje řadu doporučení, která byla navržena z potřeby realizace vzájemně kompatibilních mobilních sítí. Při návrhu GSM bylo rozhodnuto pro meziústřednovou signalizaci použít osvědčený signalizační systém SS7 (Signaling System #7) s pevných sítí. Čímž se umožnilo nejen použití již nabytých znalostí tohoto systému a tedy i rychlejší implementaci, ale také kompatibilita mezi pevnou a mobilní sítí. 1.2 Dělení a struktura sítě Síť GSM se dělí do několika částí. Zřejmě nejznámější částí sítě je mobilní telefon (Mobile Station MS). Další části tvoří operační subsystém (OSS - Operation SubSystem), který zabezpečuje provoz jak síťového spojovacího subsystému (NSS - Network Switching Subsystem), tak subsystému základnových stanic (BSS - Base Station Subsystem). Obr. 1.1: Struktura sítě GSM 3

4 Signalizační systém číslo 7 v mobilních sítích GSM 1.GSM Operační subsystém Tento podsystém se stará o provoz a údržbu NSS a BSS, dále koordinuje funkci celého systému a vyřizuje záležitosti finančního charakteru (tarifikace účastníků, evidence plateb, atd...). Obsahuje blok ADC (Administrative Center), který zabezpečuje administrativní úlohy. Dále se zde vyskytuje blok NMC (Network Management Center), jenž se stará o řízení toků informací v síti. Posledním blokem, starajícím se o údržbu a provoz sítě, je OMC (Operation and Maintenace Center) Síťový spojovací subsystém Jedná se o systém pracující obdobně s ústřednami používanými v pevných sítích. Stará se tedy o směrování hovorů. Dále má také na starost ještě některé další funkce, které vyplývají z možnosti mobility účastníků. Jde především o jejich vyhledávání a propojování hovorů z pevné telefonní sítě přes patřičnou BSS na volanou MS. Jeho součástí jsou bloky EIR (Equipment Identity Register), AuC (Authenticity Centre), HLR (Home Location Registr), jejichž hlavním úkolem je dozor nad neoprávněným připojením k síti. Domácí registr (HLR) uchovává identifikační údaje o mobilní stanici (resp. identifikační údaje ze SIM), jako například IMSI. Dále má zaznamenané údaje určující polohu dané MS a další informace ( údaje o poskytovaných službách, atp.). Další částí NSS je MSC(Mobile Switching Center). MSC se stará o směrování v síti na příslušné BSC (v jehož operačním prostoru se nachází hledaná MS), jde tedy o klasickou ústřednu s přepojováním okruhů. Není podmínkou, aby každé MSC mělo vlastní VLR (Visitor Location Registr). VLR uchovává obdobné informace jako HLR, avšak na rozdíl od HLR se jeho databáze účastníku mění podle toho, jak se účastnící pohybují sítí Subsystém základnových stanic Funkcí tohoto systému je rádiová komunikace s MS a to prostřednictvím bloku BTS (Base Tranceiver Station), který se stará o přidělování a uvolňování radiových prostředků pro komunikaci s mobilními stanicemi. BTS také zajišťuje správnou funkci mezibuňkového handoveru. Druhým prvkem tohoto podsystému je BSC (Base Station Controller), ke kterému může být připojeno 16 až 256 BTS. 4

5 2. SS7 2.1 Signalizace Signalizaci můžeme chápat jako určitý typ řeči, kterou mezi sebou komunikují jednotlivé systémy sítě. Hlavním úkolem signalizace je předávání informace, k zajištění správné komunikace koncových bodů spojení. Z hlediska přístupu se dají rozlišovat dva druhy signalizace. Jedním je signalizace přístupová (např. DSS1v ISDN), která je použita od účastnického zařízení k místní ústředně. Druhým typem je signalizace síťová (např. SS7 Signaling System #7), jenž je využita mezi jednotlivými prvky v rámci sítě. Samozřejmě ještě existuje signalizace mezi jednotlivými bloky v ústředně, ta je však není nijak standardizována, jelikož je řešena proprietárně v závislosti na výrobci CAS Dle principu rozeznáváme dva druhy signalizace. Prvním je tzv. CAS (Channel Associated Signaling) signalizace. Tato je přiřazena k hovorovým kanálům a může být přenášena jak po hovorových kanálech, tak po kanálech přidružených (jak již vyplývá z jejího názvu) CCS Druhým typem je signalizace CCS (Common Channel Signaling), nebo-li signalizace po společném signalizačním kanálu. Zde je nutné podotknout hlavní výhodu oproti CAS. CCS totiž postačuje jeden signalizační kanál pro více než tisíc hovorových kanálů. Na tomto principu je také založena signalizace SS7. Signalizace po společném kanále je také někdy nazývána centralizovanou signalizací. 2.2 Struktura signalizační sítě Signalizační síť SS7 se může skládat z přímo propojených signalizačních bodů (SP - Signal Point), nebo ze signalizačních bodů propojených přes signalizační tranzitní bod (STP - Signaling Transfer Point). Samozřejmě i SP může být při cestě určité signalizace sítí použit jako STP. Mohou tedy nastat následující tři případy signalizačního spojení: a) b) 5

6 c) Obr. 2.1: Struktura signalizační sítě Každý signalizační bod disponuje svým jednoznačným označením v rámci signalizační sítě. Tento jeho kód se označuje jako SPC (Signaling Point Code). Jednotlivé signalizační body jsou propojeny pomocí signalizačních linek (Signal Link). Rozdíl mezi SP a STP je patrný již z uvedených obrázků. Pro jistotu ho však ještě uvedeme. Signalizační bod SP slouží jako zdroj, nebo cíl signalizačních zpráv. (resp. SP signalizační zprávy nějakým způsobem zpracovává), kdežto STP je pouze dle adresy směruje dále. 2.3 Typy zpráv Model signalizace SS7 můžeme rozdělit do čtyřech funkčních úrovní, dle obrázku 2.2. Přičemž všechny úrovně jsou využívány ve zdrojových a koncových SP. V STP jsou využity pouze tři spodní úrovně (MTP - Message Transfer Part). Nejvyšší úroveň je tvořena uživatelskými protokoly a nazývá se uživatelskou částí (UP User Part). Obr. 2.3: Model signalizace SS7 Datové pakety přenášené po signalizačním vedení se nazývají signalizační jednotky (SU - Signaling Unit). Tyto se vyměňují v obou směrech mezi SP a jsou vytvářeny v druhé úrovni, tedy na MTP2. Rozeznáváme tři typy SU (FISU, LSSU, MSU). 6

7 2.3.1 FISU Jak již z názvu je patrné (Fill - In Signaling Unit), slouží tento typ signalizační jednotky jako výplňová a dohlížecí jednotka, pokud nejsou přenášeny žádné jiné zprávy. Přenáší se pouze mezi sousedními SP a proto zde není potřeba adresní pole. K přenosu zprávy dochází, pokud oba sousední SP jsou v nečinném stavu. Obr. 2.4: Struktura zprávy FISU Zpráva je vysílána postupně zprava (od pole Flag) do leva. Každá signalizační jednotka začíná polem FLAG (návěští), jehož binárně vyjádřená hodnota je Po něm následuje pole BSN (Backward Sequence Number) neboli zpětné pořadové číslo. V tomto poli se posílá protější straně FSN (Forward Sequence Number dopředné pořadové číslo) poslední bezchybně přijaté signalizační jednotky. Se správným přenosem jsou ještě spjata pole FIB (Forward Indication Bit) a BIB (Backward Indication Bit), tedy dopředný a zpětný informační bit. BIB slouží k požadavku na protější stranu komunikace o opakování vyslaných SU. Žádost o opakování zpráv se vytvoří negací aktuálního BIB, které se pak používá až do dalšího požadavku o opakování, poté se BIB pouze opět zneguje. Opakované SU se začnou vysílat od zprávy, která má FSN o jedno vyšší, než je obsah pole BSN se změněným BIB. Dopředný informační bit pak vyjadřuje zda je aktuální jednotka vyslána poprvé, nebo opakovaně. Princip signalizace opakovaného vysílání je stejný jako u zpětného informačního bitu (tedy pouhou negací předchozí používané hodnoty). Hodnota pole LI (Length Indicator) vyjadřuje délku informačního pole. Jelikož FISU žádné informační pole neobsahuje, je jeho hodnota v tomto případě rovna nule. Pole FCS slouží k zabezpečení přenosu. Po FCS následně vysílána další zpráva, která opět začíná návěštím LSSU Stavová signalizační jednotka (Link Status Signal Unit) slouží k uvedení signalizačního spojení do provozu, pokud v něm nebylo, nebo naopak vyřazení linky z provozu. Pomocí těchto zpráv jsou tedy vyměňovány stavové informace a informace řízení signalizačního vedení mezi dvě sousedními signalizačními body (SP, STP). Není tedy zde také třeba adresy jako u výplňových signalizačních jednotek. K přenosu LSSU tedy dochází v případě, kdy signalizační vedení není připraveno na přenos MSU. Obr. 2.5: Struktura zprávy LSSU 7

8 Struktura zprávy se od předchozího liší pouze v hodnotě LI a přidáním pole SF (Status Field). Hodnota LI je u tohoto typu 1 nebo 2, což vyjadřuje délku informačního (resp. stavového pole) jeden nebo. dva oktety. V poli SF je tedy přenášena stavová indikace, to znamená v jakém stavu se signalizační linka právě nachází MSU Message Signal Unit je používána pro přenos dat vyšších vrstev (uživatelských částí) mezi dvěma signalizačními body v síti. Je tedy využívána uživatelskými protkoly. Obr. 2.6: Struktura zprávy MSU Pole LI má vždy hodnotu větší než dva. Informační pole je složeno z oktetu servisních informací SIO (Service Information Octet) a signalizačního informačního pole SIF (Service Information Field). Pole SIO je dále dělena na subservisní pole SSF (SubService Field) a na service indicator SI, přičemž každá část má čtyři bity Adresování a směrování v síti V signalizačním systému číslo 7 nejsou signalizační zprávy vyměňovány pouze mezi sousedními signalizačními body. Proto každý signalizační bod, či transportní signalizační bod musí mít jednoznačnou identifikaci v rámci sítě. K tomuto se používá adresa nazývaná SPC (Signaling Point Code). Pole SIF v MSU pak obsahuje směrovací informace, které se skládají z adresy zdrojového OPC (Originating Point Code) a cílového DPC (Destination Point Code) signalizačního bodu. Na základě tohoto adresního návěští je pak zpráva směrována sítí. 2.4 Používané protokoly Protokoly signalizačního systému číslo 7 používané pro komunikaci v GSM tvoří vrstvový model obdobný OSI modelu pro TCP/IP. Souvislost vrstvového RM - OSI modelu s úrovňovým modelem SS7 je uveden na obrázku 2.7. Zde je také naznačena protokolová stavba SS MTP1 Tato nejnižší úroveň protokolové stavby SS7 odpovídá fyzické vrstvě RM OSI, z čehož vyplývá i její funkce. Fyzická vrstva určuje především mechanické, elektrické a funkční charakteristiky přenosového média (digitální signalizační linky). 8

9 2.4.2 MTP2 Druhá úroveň koresponduje se spojovou vrstvou referenčního modelu OSI, jejíž hlavní funkcí je zajištění bezchybného přenosu mezi dvěma sousedními signalizačními body. Na této vrstvě jsou přenášeny data ve výše uvedených signalizačních jednotkách (SU) MTP3 Úroveň MTP3 umožňuje směrování, rozpoznávání a distribuci signalizačních jednotek. Po přijetí zprávy je z této získána informace o cílovém signalizačním bodu (DPC). Pokud tento kód není schodný s označením signalizačního bodu (SPC) ve kterém se jednotka právě nachází, následuje její další směrování na základě zjištěného DPC. Distribucí zpráv se rozumí vznik zpráv v aktuálním signalizačním bodě a jejich odeslání do jiného signalizačního bodu. Obr. 2.8: Protokol stack ISUP ISUP je zkratkou pro ISDN User Part a definuje protokoly a procedury pro nastavení, správu a uvolnění okruhů, pro přenos uživatelských informací (hlasu či dat) pomocí pevné veřejné telefonní sítě s přepínáním okruhů. 9

10 2.4.5 SCCP SCCP, nebo-li Signaling Conection Control Part nabízí spojově i bez spojově orientované síťové služby nad úrovní MTP3, která umožňuje adresování konkrétního signalizačního bodu. SCCP pak nabízí adresování jednotlivých podsystémů. Podsystémem se rozumí jednotlivé konkrétní aplikace umístěné v adresovaném signalizačním bodě. SCCP je používáno jako transportní vrstva pro služby založené na protokolu TCAP (např. přednabité karty, atd.). SCCP tedy rozšiřuje směrovací schopnosti MTP3 ať již na výběr konkrétní aplikace (směrování na základě SSN - SubSystem Numeber), tak na mezinárodní směrování mezi různými operátory na základě Golabal Title (GT). Na základě GT se určí příslušná brána k operátorovi, jehož služby jsou vyžadovány TCAP Transaction Capabilities Application Part (TCAP) umožňuje využívat několik dialogů najednou pomocí identifikátoru spojení označovanéh DialogID. Dialogem je označováno spojení mezi dvěma MAP uživateli MAP/INAP Zprávy Mobile Application Part/ Inteligent Network Application Part jsou využívány k dotazování se do databází a rozšiřují možnosti sítě o využívání služeb tzv. inteligentních sítí. Jsou tedy pomocí nich získávány například autentizační a roamingové informace. Jako příklad využití MAP protokolu si můžeme uvést příklad pohybu mobilního účastníka mezi dvěma MSC. Pokud se mobilní účastník přemístí v rámci dvou MSC, pak MSC do kterého přichází využije právě MAP pro získání informací o uživateli z jeho domovského registru (HLR) a uloží je poté do svého návštěvnického registru (VLR). 10

11 Signalizační systém číslo 7 v mobilních sítích GSM Použitá literatura Použitá literatura [1] Heine Gunnar: GSM Networks: Protokols, Terminology and Implementation [2] CAMEL: Iteligent network for the GSM, GPRS and UMTS Network [3] Travis Russel: Signaling system #7 [4] [5] 11