Cellular System Infrastructure
Mobile Station(MS)
MS는 2가지로 구성되어 있다.
- Mobile Equipment(ME): radio transceiver와 digital signal processor를 포함하는 물리적인 터미널을 의미한다.
- Subscriber Identity Module (SIM): smart card 또는 plug-in 모듈로 저장되어 있는 형태의 protable device이다. MS의 주인이 누구인지를 저장하고 있다고 보면 된다.
- the subscribers identification number
- subscriber가 사용 가능 권한이 있는 network 정보
- encryption key(암호키)
- subscriber에 대한 각종 정보
- etc.
- MS는 SIM이 삽입되어야 개별적인 device가 된다.
Global System for Mobile Communications(GSM)
전 세계에서 가장 널리 사용되는 개인 휴대 통신 시스템으로 TDMA기반의 통신 기술로, 3개의 subsystem으로 분리된다.
- The Base Station Subsystem(BSS)
- Network Subsystem(NSS)
- Intelligent Network Subsystem(IN) - 각종 잡다한 서비스 처리
Base Station Subsystem(BSS)
- 무선 네트워크라고도 불리며, 무선 인터페이스를 통해 mobile 가입자들이 네트워크에 무선으로 연결하는 데 필요한 모든 노드와 기능을 포함한다.
- BSS는 BSC와 한 개 또는 여러 개의 BTS들로 구성되어 있다.
- BTS(Base Transceiver Station)
- 하나의 cell로 정의된다.
- 무선 안테나와 무선 송신기, BSC와의 Link를 포함한다.
- GSM의 경우 셀의 반경은 100m - 35km이다.
- BSC(Base Station Controller)
- BTS와 함께 배치되어 여러 BTS를 제어할 수 있다.
- 무선 주파수 예약, 동일 BSS에서의 Cell 간 handover(네트워크 접점 변경) 관리, paging(이동통신망에 있는 MS로 외부 네트워크에서 call이 요청됨을 알려주는 것) 제어 등을 수행한다.
- 다른 네트워크의 MS에서 call이 요청되면 HLR에 저장된 사용자 정보를 파악하고 확인되면, 해당 BSC로 이동하여 BSC가 담당하고 있는 cell들로 paging을 걸어 MS가 call이 요청됨을 확인한다.
Network Subsystem(NSS)
- Core Network라고도 불리며, 모바일 가입자 관리 및 이동성 관리를 위해 call 전환에 필요한 모든 노드와 기능을 포함한다.
- PSTN과 Cellular network 간 연결하는 Link를 제공한다.
- NS는 handoff와 공중 교환 통신 네트워크를 제어한다.
- NS는 서로 다른 BSS에 있는 cell간의 handover를 제어하고, 사용자 인증과 계정 확인을 수행한다. 또 MS의 전세계 로밍을 가능하게 하는 기능을 포함한다.
- NS는 Mobile Switching Center(MSC)의 주요 구성요소이다.
Mobile Switching Center(MSC)
- 음성 통화, SMS 및 기타 서비스 라우팅을 담당하는 기본 서비스 전달 노드이다.
- MSC는 end-to-end(종단 간) 연결을 설정 및 해제를 수행하고, MS의 통화 중 이동성과 handover 요구 사항을 처리한다. 또 청구 및 실시간 선불 계정 모니터링을 처리한다.
- MSC는 부가적으로 DataBase(DB)를 포함하고 있다.
- AUC(Authentication Center): 인증 활동에서 사용된다. 모든 가입자의 key를 저장한다.
- EIR(Equipment Identity Register): ME(기기 자체)의 identity가 저장되어 있고, 보안 역할도 수행한다. 예를 들어 도난 당한 MS의 call을 차단하거나, 승인되지 않은 Station이 네트워크를 사용하지 못하도록 할 수 있다.
- HLR(Home Location Register) / VLR(Visitor Location Register): 사용자의 이동성 보장과 local/global 로밍을 가능하게 한다. HLR은 home network에 있는 user의 데이터를 담고, VLR은 home network가 아닌 외부 network에 방문하는 user의 정보를 담는다.
HLR
- Home netwrok에 할당된 MS의 데이터를 담는다.
- MS의 On/Off(active/inactive) 상태
- MS가 사용할 수 있는 서비스의 리스트 (local/long-distance call 등)
- 결제 정보
- etc
- MS로 오는 모든 call은 먼저 Home MSC의 HLR로 전달된 다음 MS가 현재 방문하고 있는 네트워크의 VLR로 call이 라우팅된다.
VLR
- MS가 현재 위치는 MS가 현재 방문 중인 네트워크의 VLR에서 확인할 수 있다.
- VLR은 HLR로부터 전달받은 방문한 MS의 정보를 담는 일시적인 저장소이다.
- MS로 들어오는 모든 호출은 Home MSC의 HLR로 전달된 다음 MS가 현재 방문 중인 네트워크의 VLR로 라우팅된다.
- MS의 위치를 1 -> 2의 순서로 업데이트한다.
- 1) 외부에서 MS로 전화를 건다. 유선전화가 통화를 요청한 상대의 전화번호를 통해 해당 MS가 있는 MSC로 가서 HLR의 정보를 확인한다.
- 2) MS의 위치가 어디 있는 지를 확인한다.
- 3) 현재 MS가 있는 위치의 MSC로 Call을 라우팅한다.
- 4) 해당 지역의 MSC가 paging을 진행하여, 외부 네트워크에 방문 중인 MS가 call을 승낙한다.
Mobile Management
- 셀룰러 네트워크는 MS가 현재 Home network에 있는지, 외부 네트워크에 있는지 알아야 한다. (상시 트랙킹필요)
- 이는 BS와 MS가 꾸준히 주기적으로 신호를 교환하여 수행된다.
- BS는 Cell의 id(위치 확인용), Location area id(cell을 location 단위로 묶는 경우 signal에 대한 트래픽 부하는 적어지지만 정확히 어느 cell인지 알기 어려움. 이때는 MSC가 담당하는 여러 cell로 동시에 paging 수행), Network id, Time Stamp, MS와의 관계, 위치 관련 시스템 정보 등을 지속적으로 MS로 브로드캐스트한다.
- 이 정보들을 통해 MS가 가장 가까운 BS가 어디인지를 파악한다.
- MS는 BS에 의해 브로드캐스트되는 시스템 정보를 지속적으로 수신한다.
- 필요한 경우, MS는 새로운 Cell로 handover를 수행할 수 있다.
- MS는 새로운 BS를 통해 등록과 인증을 수행할 수 있다.
- Home network의 MSC와 HLR은 인증 요청에 응답하고, 이 결과를 이용하여 MS가 새로운 BS에 진입할 수 있다.
Call Setup Scenarios
Scenario 1: Mobile-originated calls
모바일이 거는 call에 대한 시나리오이다.
- 1) Authentication(인증): 인증 절차는 Home system에서 MS의 ID를 확인하여 수행된다.
- 2) Mobile station service qualification: MS가 서비스 자격이 있는지 확인한다. 서비스를 제공하는 MSC는 서비스 프로필 정보를 얻고, 전화번호에 의해 전화를 걸 수 있는 가입자의 능력을 검증하기 위해 VLR로 쿼리를 요청한다. (예를 들어 국제 또는 장거리 전화). 많은 경우에 HLR은 보안 강화를 위해 이 기능에 대한 쿼리가 요청된다.
- 3) Digit analysis: 서비스를 제공하는 MSC는 라우팅 프로토콜을 설정하기 위한 라우팅 정보를 만들기 위해 번호를 분석한다.
- 4) Obtain routing information for the call: MSC는 착신자의 다이얼 번호, VLR 또는 HLR에서 얻은 특수한 지침 또는 네트워크 어디에서나 call을 요청하는데 사용할 수 있는 발신 trigger를 사용하여 내부 라우팅 테이블을 기반으로 call을 목적지까지 라우팅한다.
- 5) Application of call features: MSC는 서비스 프로필을 이용하여 가입한 정보를 바탕으로 적절한 모바일 기능을 call에 적용한다.
Scenario 2: Mobile-terminated calls (MSC in home)
모바일이 전화를 받는 경우의 시나리오이다.
- 1) Obtain MS registration status: MSC가 MS가 call을 받을 수 있는 상황인지를 알기 위해 HLR로 쿼리 요청
- 2) Apply terminating call features: MSC가 적절한 Mobile-terminated 기능을 call에 적용하기 위해 HLR로 쿼리 요청을 한다.
- 3) Page the MS: 서비스를 제공하는 MSC는 MS에게 paging을 하고, 응답이 올 때까지 기다린다.
Scenario 3: Mobile-terminated calls (MSC in roaming)
시나리오 2와 달리 모바일이 외부 네트워크에 방문 중인 경우의 시나리오이다.
- 1) Obtain MS registration status: MSC는 MS가 call을 받을 수 있는 상황인지를 알기 위해 HLR로 쿼리를 요청한다.
- 2) Obtain serving system routing information: MSC는 가입자가 방문 중인 위치로 call을 전달하기 위해, 라우팅 정보를 얻고자 HLR로 쿼리를 요청한다. HLR에는 모바일이 다른 Network에 방문하고 있다는 정보가 담겨 있다. 이어 현재 방문 중인 시스템의 VLR로 라우팅 정보를 얻기위한 쿼리를 요청한다.
- Serving MSC는 임시 로컬 디렉토리 번호(TLDN)를 Serving system의 가입자 ID에 할당하고 매핑한다. 이 번호를 통해 방문하고 있는 Network로 연결이 가능하다.
- 수신 전화는 TLDN을 수신자 번호로 사용하여 PSTN을 통해 서비스를 제공하는 MSC로 다시 연결된다.
- 이후 Serving system에서 가입자에게 call이 연결된다.
- TLDN은 call이 전달되는 경우에 동적으로 할당되고, 제거된다.
- 3) Apply terminating call features: MSC가 적절한 mobile-terminated 기능을 call에 적용하기 위해 HLR에 쿼리를 요청한다.
- 4) Deliver the call to the serving system: MSC는 Call control signaling 기술을 이용하여 serving system에 대한 call을 설정한다.
- 5) Page the MS: Serving MSC가 MS로 Paging을 실시하고, 응답을 기다린다.