Процедуры мобильности в сетях GSM/UMTS

Довольно часто задают вопросы: «А что происходит, когда телефон переходит на другую базовую станцию?», «А как происходит переход?», «А что телефон делает, когда ничего не делает?» и т.п. Ответы на эти вопросы существуют, но они несколько выходят за рамки обычных научно-популярных обзоров. Часть вопросов подробно описывалась чуть раньше, в топике моего коллеги про излучение телефонов.

Чтобы осветить данную тему с точки зрения элементов сети оператора, нужно достаточно глубоко погрузиться в технологию и сигнализацию мобильной связи. Сначала необходимо договориться о терминологии, которая используется при описании процессов переходов между базовыми станциями и стандартами сотовой связи.

Основные узлы в мобильных сетях GSM (2G)/UMTS (3G)

Узлы

• Базовые станции: BTS — стандарта GSM, NodeB – стандарта UMTS;
• Контроллеры: BSC – стандарта GSM; RNC – радиосети UMTS;
• MSC – коммутатор голосовых вызовов 2G/3G;
• SGSN – узел обслуживания пакетных сервисов 2G/3G;
• UE – терминал, например, мобильный телефон. Дальше я буду называть UE «телефоном» для упрощения;
• Um, Abis, Gb, A – логические интерфейсы 2G, описанные в стандарте 3GPP TS 23.002 «Network architecture»;
• Uu, Iub, IuCS, IuPS – логические интерфейсы 3G, описанные в стандарте 3GPP TS 23.002 «Network architecture».

Состояния

• Idle Mode – состояние пользовательского оборудования, когда оно не используется (не обрабатывается голосовой или иной пользовательский трафик);
• Busy State – состояние телефона или другого UE в момент работы с голосовым сервисом;
• Reselect – процесс смены частоты, кода или стандарта связи телефоном в состояния Idle Mode. Переключение телефона между базовыми станциями, когда он лежит у вас в кармане – частный случай процесса Reselect;
• CS Handover – процесс смены частоты, кода или стандарта пользовательским оборудованием, находящимся в состоянии Busy State. Переключение телефона между базовыми станциями, когда вы разговариваете – частный случай процесса CS Handover.

Процедуры, связанные с мобильностью для услуг передачи данных, гораздо сложнее голосовых, но примерно похожи по сути, поэтому рассмотрим только голос.

Переключение между базовыми станциями

Процедура переключения абонента между базовыми станциями в состоянии ожидания (Idle) — Reselection. Эта процедура проходит в полностью автоматическом режиме в любом стандарте мобильной связи. Кстати, поэтому те, кто хоть немного знают теорию, не поддаются на звонки злоумышленников с рассказами вида: «Мы переключаем ваш телефон на другую базовую станцию, и, чтобы это сделать, наберите на телефоне следующую комбинацию ….».

Ситуация: наш абонент перемещается от 2G BTS 1 в сторону 2G BTS 2. Контроллер BSC отправляет на телефон список соседних частот, которые необходимо измерять. Мобильный телефон примерно дважды в секунду измеряет уровень сигнала базовых станций из этого списка и периодически шлет отчеты с результатами измерений на обслуживающую базовую станцию. Далее эти отчеты собираются на контроллере BSC. Если в какой-то момент времени мощность или качество сигнала от обслуживающей базовой станции становится хуже зафиксированной в настройках BSC, а уровень сигнала от соседней базовой станции удовлетворяет критериям перевыбора, инициируется смена обслуживающей частоты. Критерий выбора соты описывается формулой:

C1 = RLA_C – RXLEV_ACCES_MIN – max (B,0) >0, где B = MS_TXPWR_MAX_CCH - P

Где RLA_C – измеренная усредненная мощность радиосигнала, dBm;
RXLEV_ACCESS_MIN – минимальное значение мощности принимаемого сигнала для доступа к соте, dBm;
MS_TXPWR_MAX_CCH – максимально разрешенная выходная мощность UE при доступе к сети, dBm;
P – максимальная выходная мощность UE (зависит от класса UE), dBm;

Традиционно такие процедуры описываются в виде потока сигнальных сообщений между узлами сети Message Flow.

Процедура Reselection в GSM-сети

После смены частоты и обслуживающей базовой станции производится смена Location Area и (при необходимости) Routing Area. На этот момент стоит обратить внимание, поскольку именно этим определяется изменение в тарификации UE. Биллинговые системы (серверы, которые обеспечивают онлайн тарификацию) в качестве триггера для выбора того или иного тарифного плана используют чаще всего Location Area Code, хотя, при необходимости, зону можно детализировать до идентификатора соты – Cell Global Identity.

Чтобы примерно представить, что такое Location Area, можно привести такой простой пример распределения LAC:

Распределение Location Area Code

Все, что мы описали – это самый простой случай перехода между двумя базовыми GSM-станциями в режиме отсутствия сервисов.

Опишем второй вариант: переход между GSM и UMTS базовыми станциями, при этом UE должен предоставлять голосовой сервис сначала в GSM, а затем (без влияния на восприятие абонента) – в UMTS. Это процедура межсистемного голосового Handover-а.

Начальное состояние – абонент с телефоном сделал звонок, находясь в зоне обслуживания 2G BTS 2, и перемещается в сторону 3G NodeB вплоть до изменения радиоусловий до такого уровня, что для сохранения разговора необходимо переключить разговор на 3G NodeB.

Подход к оценке необходимости смены обслуживающей базовой станции сохраняется тот же, что и раньше: UE постоянно измеряет уровень и качество сигнала от соседних базовых станций 2G/3G и отправляет измерения на контроллер BSC. При деградации мощности или качества сигнала обслуживающей базы ниже заданного критерия контроллер BSC инициирует смену базовой станции с предварительным выделением необходимых ресурсов на всех узлах мобильной сети, задействованных в данной процедуре.

Handover из сети GSM (2G) в сеть UMTS (3G)

Конечно, это весьма условный Message Flow, в котором пропущены многие сообщения и выбран вариант с минимально возможным количеством задействованных сетевых элементов. Однако даже здесь можно понять, насколько непростая это процедура и как много настроек должно быть корректно выполнено в сети оператора для успешного выполнения такой привычной для абонента операции. Если кому-то хочется погрузиться в мир сигнализации, могу порекомендовать техническую спецификацию 3GPP TS 23.009 «Handover procedures», в которой рассматривается множество сложных вариантов перемещения абонента.

Возвращаясь к вопросам, которые задавались и из-за которых, собственно, была поднята вся эта теория

— Как базовые станции передают абонента между собой?

• В режиме Idle (то есть без предоставления сервисов) – на основании измерений мощности и качества радиосигнала простым переназначением радиоканала на новой базовой станции;
• в режиме Busy (с предоставлением голосового сервиса) – на основании тех же измерений, но с предварительным резервированием всех необходимых ресурсов в мобильной сети;

— Как происходит тарификация при осуществлении перехода между базовыми станциями, например, между домашней Femto AP и стандартной базовой станцией?
Тарификация UE осуществляется по признаку его географического положения (Location Area Code) либо при необходимости более точного позиционирования – по идентификатору соты – Cell Global Identity. Смена Location Area происходит с использованием специальной процедуры «Location Area Update», и эта процедура производится в режиме Idle. Что означает: если вы начали разговор на одной базовой станции (Femto у вас дома) с определенным LAC и переместились в зону действия другой базы с иным LAC (вышли из квартиры), то тарификация будет произведена согласно тарифу базовой станции, на которой разговор начался;

— Как происходит тарификация, если мы, не прерывая разговор, переместимся на значительное расстояние, к примеру, в другой город?
Как написано выше, тарификация до завершения звонка будет осуществляться по тарифу, соответствующему базовой станции, на которой звонок был начат. Единственное ограничение, прописанное в стандарте: запрещен Handover между базовыми станциями, находящимися в разных странах, поэтому при пересечении границы звонок в любом случае оборвется, и телефон зарегистрируется в новой сети с новыми тарифами;

— Как происходит переключение абонента на «большую соту» при неожиданном исчезновении «малой» (отключение питания на микро базовой станции на столбе, или Femto базы у вас дома)?
Сохранить такой вызов и оперативно переключить его на другую базу нельзя, поскольку ни одного сигнального сообщения, описанного выше, в систему не отправлялось, и сеть «не знает», что данному телефону нужно выделить радиоресурсы где-то еще. Так что в этом случае разговор прервется, телефон совершит процедуру Reselect в режиме Idle, и там можно будет вновь сделать звонок;

— Что будет, если соседняя база не будет прописана или прописана не правильно?
Это случай, когда происходит столь нелюбимый всеми обрыв связи (в терминологии оператора – Call Drop). Телефон будет сохранять разговор на старой базовой станции максимально долго, пока радиопараметры будут достаточны, чтобы сохранить разговор, после чего разговор прервется, и телефон сделает Reselect;

— Что будет, если мы выйдем из зоны действия домашней сети во время вызова службы спасения на номер 112?
На номер 112 вы можете звонить, даже если покрытия от вашего оператора нет, но есть покрытие от любого другого оператора. Однако сделать Handover при пропадании покрытия от вашего оператора на базовую станцию другого оператора почти наверняка не удастся. Ведь чтобы Handover был возможен, мы должны явно прописать все базовые станции, допускаемые к этой процедуре, а в качестве кандидатов на переключение голоса в сети оператора рассматриваются только собственные базовые станции. Поэтому разговор даже на номер 112 прервется, но затем вы сможете набрать номер вновь, даже если покрытие от «домашнего» оператора отсутствует.