До голяма степен един и същи тип елементи на мрежата може да се намерят във всички мобилни клетъчни мрежи, даже и ако те се именуват различно в различните стандарти. За изясняване на елементите на мобилните мрежи като пример ще разгледаме GSM мрежа, показана на фиг.6.1.

Една GSM мрежа се състои от две части: мрежа за достъп и основна мрежа. Мрежата за достъп осигурява достъпа на мобилните телефони до мрежата и управлява радиоресурсите. Основната мрежа поема отговорността за изпълнението на всички функции, свързани с управлението и достъпа до базите данни, необходими за изграждане на връзки.

Трафичните канали на мрежата за достъп и основната мрежа се различават. Мрежата за достъп управлява трафични канали със скорост 13kb/s, а основната мрежа – канали със скорост 64 kb/s. Прекодирането на речта от 13 kb/s в 64 kb/s и обратно се прави в контролера на базовите станции, но може да се направи и в мобилната централа. Оборудването за шифроване (криптиране) обикновено се слага в базовите станции.

Фиг.6.1 Елементи на GSM мрежа

Базовата станция (Base Transceiver Station -BTS) е радиочастта на мобилната мрежа, която включва предаватели и приемници, антени и управляващо оборудване и се използва за комуникация с мобилни телефони. Базовата станция се свързва към контролер на базови станции.

Функционалната схема на базовата станция е показана фиг.6.2.

Фиг.6.2 Функционална схема на базова станция

Основните функции на базовата станция са:

Базовата станция осигурява радиопокритие в областта на клетката, която е основен елемент на покритие в дадена област на мрежата. Основното предназначение на базовата станция е приемо-предавателна функция и следователно тя е елемент в комуникационната верига.

Съществуват различни конфигурации на базови станции в зависимост от натоварването, поведението на абонатите и топологията, осигуряващи оптимално радиопокритие в областта. Възможните конфигурации на базови станции са:

• стандартна конфигурация;

• конфигурация на клетка-чадър;

• секторизирани (разположени на едно място) базови станции.

При стандартната конфигурация към всички базови станции са определени клетки. Множество от базови станции (в някои случаи само една) формират област на местоположение. Фиг. 6.3 показва три области на местоположение: с една, три и пет базови станции. Този метод на реализация на базовите станции е един от най-често използваните. За населени области с нарастваща интензивност на трафика може да са подходящи други конфигурации.

Фиг. 6.3 Стандартна конфигурация на базови станции с три области на местоположение

Конфигурацията на клетка-чадър се състои от една базова станция с голяма предавателна мощност и антена, инсталирана високо над земята, която действа като чадър за множество базови станции с малка предавателна мощност и малък диаметър (фиг. 6.4).

Фиг.6.4 Клетка-чадър с пет по-малки клетки

Конфигурацията на клетка-чадър може да доведе до намаляване на сигналния товар на малките клетки и подобрява качеството на сигнала за бързо придвижващ се трафик.

При конфигурация на секторизирани базови станции, последните са разположени на едно място, но антените им покриват област от 120 до 180 градуса. Фиг. 6.5 илюстрира такава конфигурация. Обикновено се използват базови станции с няколко приемо-предавателя и малка предавателна мощност. Подобно на конфигурацията клетка-чадър, тази конфигурация се използва главно в гъсто населени райони.

Фиг. 6.5 Покритие на област с три секторизирани базови станции

Контролерът на базови станции (Base Station Controller - BSC) координира функционирането на една или повече базови станции. От техническа гледна точка контролерът е малка цифрова централа с разширения, специфични за управление на мобилността. Контролерът е дефиниран в GSM с цел да се разтовари мобилната централа от по-голямата част от натоварването, свързано с радиочастта.

От гледна точка на функциите, свързани с експлоатацията на мрежата, контролерът предава алармени съобщения и статистика за работоспособността на мрежата за достъп, изпращани от базовите станции. Освен това той действа като база данни за конфигурацията на софтуера, зареден в базовите станции от центъра за експлоатация и поддържане (OMC) през контролера.

Фиг.6.6 Функционална схема на контролера на базовите станции

Контролерът управлява радиоресурсите в област, обхващаща групата клетки, за които е отговорен. В следствие на това той определя честоти, които може да се използват от всяка базова станция.

Базовите станции може да се свързват към контролера чрез различни топологии: звезда, каскадна, пръстен.

При топологията звезда всяка базова станция е свързана към контролера на базовите станции (фиг.6.7).

Фиг.6.7 Топология звезда на свързване на базови станции към контролер

Каскадната топология е начин на последователно свързване на базови станции към контролера без затворен цикъл, използвайки ефективно преносните ресурси (фиг.6.8).

Фиг.6.8 Каскадна топология на свързване на базови станции към контролер

Топологията пръстен свързва базовите станции една с друга в пръстен, осигурявайки наличен път дори и ако една от връзките пропадне (фиг.6.9).

Фиг.6.9 Топология пръстен на свързване на базови станции към контролер

Изборът на топология взема предвид и двата фактора: ефективно използване на преносните ресурси и надеждност на свързване.

6.3 Основна мрежа

Основната мрежа се състои от мобилна централа (MSC), домашна база данни (HLR), база данни за временно пребиваващи абонати (VLR), център за проверка на автентичността (AUC) и база данни за проверка на мобилното оборудване (EIR).

Елементите в основната мрежа са свързани посредством сигнална мрежа. Използва се най-разпространената система за сигнализация по общ канал номер 7. Топологията на основната мрежа е по-гъвкава от йерархичната структура на мрежата за достъп. Няколко мобилни централи, например, може да използват една база данни на временно пребиваващи абонати; използването на базата данни за проверка на мобилното оборудване е по желание, а броят на абонатите определя необходимия брой домашни бази данни.

Мобилната централата (Mobile Switching Center - MSC) е основен възел в мрежата. Тя управлява повикванията към и от мобилни телефони. Основните й функции са свързани с:

• Комутация и маршрутизиране на повиквания: мобилната централа управлява изграждането, наблюдението и разпадането на връзки и за тази цел може да взаимодейства с други възли;

• Осигуряване на услуги: мобилната централа осигурява всички допълнителни услуги, които се предлагат от мрежата. Услугата за кратки съобщения (Short Message Service – SMS) също се обработва от мобилната централа;

• Таксуване: мобилната централа съдържа функции за таксуване на повиквания към и от мобилни телефони, както и информация за тарифите, които трябва да се използват за дадено повикване в определено време и направление;

• Комуникация с домашната база данни: необходима е главно при изграждане на връзка към мобилен телефон, когато от домашната база данни се изисква да изпрати маршрутизираща информация;

• Комуникация с базата данни на временно пребиваващи абонати: тази комуникация е осъществява главно по време на изграждане и разпадане на връзки, когато е необходима информация за абонамента;

• Комуникация с други мобилни централи: по време на изграждане на връзка или по време на хендоувър между клетки, принадлежащи към различни централи, може да е необходима комуникация между две мобилни централи;

• Управление на свързаните контролери на базови станции: мобилната централа управлява централните възли в мрежата за достъп – контролерите, като броят на свързаните към нея контролери зависи от трафика в нейната област на обслужване.

Мобилна централа, която взаимодейства с други мрежи се нарича мобилна централа-шлюз (gateway MSC - GMSC). Фиг. 6.10 показва как мобилна мрежа с централи-шлюз взаимодейства с други мрежи. Операторът на мрежата може да оборудва всички мобилни централи с функционалност на шлюз или само някои от тях. Мобилна централа, която не притежава функционалност на шлюз, трябва да маршрутизира повикванията към външни мрежи през централа-шлюз.

Фиг.6.10 Функционалност на мобилна централа-шлюз

Мобилната централа-шлюз има допълнителни задачи по време на изграждане на връзка към мобилен абонат от външна мрежа. Повикванията влизат в мобилната мрежа през централа-шлюз, която прави запитване към домашната база данни и след това маршрутизира повикването към мобилната централа, в чиято област на обслужване се намира в момента викания мобилен абонат.

Домашната база данни (Home Location Register - HLR) е част от мобилната мрежа, която съдържа данни за абонамента и друга информация за всички абонати на мрежата. Такава база данни може да поддържа данни за стотици хиляди абонати. В домашната база данни се поддържат специфични за абонатите параметри, като например:

• идентификационни номера на абоната;

• абонатния профил (допълнителните услуги, за които е абониран абоната);

• информация, необходима за проверка на автентичност на абоната (т.е. дали е този, за когото се представя);

• информация за мобилната централа, която обслужва абоната.

Всеки абонат е регистриран в една домашна база данни, която действа като фиксирана точка, съхраняваща информацията за абоната. За да се намали товара на домашната база данни е въведена базата данни за временно пребиваващи абонати, която подпомага HLR при управление на множеството запитвания, свързани с абонатите (например локализиране и потвърждение на абонамент за свойства). Поради централната функция на домашната база данни и отговорността й за съхранените данни, от изключителна важност е предпазването й от неправомерен достъп и загуба на данни.

Центърът за проверка на автентичността (Authentication Center – AUC) е база данни, която съхранява секретна информация. Достъп до центъра имат само упълномощени лица. Преди да се получи достъп до базата данни, е необходимо да се въведе парола. Нещо повече, данните, съхранени в базата данни са записани върху физическа памет в кодиран вид. Центърът за проверка на автентичността управлява правата за използване на услугите в мрежата на всички абонати. Тази проверка се прави всеки път, когато абонатът използва мрежата.

Центърът за проверка на автентичността се реализира обикновено като интегрална част от домашната база данни.

Базата данни на временно пребиваващи абонати (Visitor Location Register – VLR) е база данни, свързана с мобилната централа. Предназначението й е да съхранява временна информация за абонатите, предвижващи се през мрежата. В базата данни на временно пребиваващи абонати абонатът се описва с идентификатор областта на местоположение. Тази информация е необходима на мрежата, за да може да се маршрутизира повикването или за да се изгради връзка от един гостуващ абонат към друг.

Докато домашната база данни е отговорна за по-статични функции, VLR осигурява управление на динамичните абонатни данни. Ако абонатът се придвижва от едно местоположение към друго, данните се предават между VLR на местоположението, което абонатът напуска (“старата” VLR) към VLR на местоположението, в което абонатът влиза (“новата” VLR). В някои случаи VLR трябва да изиска от домашната база данни на абоната допълнителни данни. Взаимодействието между двете бази данни е показано на фиг.6.11. На фигурата мобилният телефон се придвижва от областта на обслужване на “старата” централа към областта на обслужване на “новата” централа, при което по команда от HLR в “старата” VLR се изтриват данните за абоната, а в “новата” VLR се записва необходимата за обслужването му информация.

Фиг.6.11 Взаимодействие между базите данни при смяна на областта на обслужване

Базата данни за проверка на мобилното оборудване (Equipment Identifier Register – EIR) съдържа идентификацията на мобилни телефони и техния статут в мрежата (например правоспособен или неправоспособен). Тя се използва главно, за да се идентифицират мобилните телефони, които имат технологични проблеми или начин на използване, който може да е свързан с измама. Базата данни има три списъка: бял, черен и сив. Белият списък съдържа типовете разрешени за използване мобилни телефони. Черният списък съдържа идентификациите на невалидни (забранени) мобилни телефони. Сивият списък съдържа идентификациите на мобилни телефони, които са под подозрение за измама или трябва да се тестват за валидност. Операторът на мрежата може да реши дали да използва такава база данни или не.

Други възли, които подпомагат функционирането на мрежата са центърът за експлоатация и поддържане и центърът за съобщения.

Центърът за експлоатация и поддържане (Operation and Maintenance Center - OMC) е център за контрол върху експлоатацията и конфигурацията на мрежата. Той включва администрация на абонатите, експлоатация и техническо поддържане на оборудването. Повечето от задачите на експлоатацията и поддържането се изпълняват отдалечено от оборудването на мрежата чрез съобщения, изпращани през мрежа за предаване на данни, отделена от мобилната мрежа.

Центърът за съобщения (SMS Center – SMS-C) е устройство за съхранение и пренасочване на съобщения или система, която се използва, за да се подпомогнат услуги като гласова поща, факс-поща или услуга за кратки съобщения. Достъпът до центъра за съобщения може да стане директно чрез избиране, чрез компютър за доставяне на поща към мобилни телефони или чрез оператор за услуги за търсене. Центърът за съобщения се информира за успеха (или не успеха) при доставянето на съобщение и може да съхранява и препредава отново съобщения, които не са приети коректно. Това означава, че даже когато мобилният телефон се изключи или е извън обхвата, всички изпратени съобщения ще му се доставят, когато потребителят влезе в областта на покритие или включи отново телефона си.