ESTIMATION OF ADDITIONAL SIGNAL TRAFFIC CCS № 7 AT PROVISION OF SERVICES WITH THE MOBILE NUMBER PORTABILITY

Full Text

В сетях телефонной связи абонентский номер обычно однозначно определяет или местоположение абонента в сети фиксированной связи (страну, регион, город, населенный пункт, оконечный узел коммутации и абонентскую линию), или принадлежность его к определенному оператору сотовой связи (а иногда и регион, и центр коммутации) - в сети подвижной радиотелефонной связи [1]. Однако еще в конце прошлого века с внедрением телефонных узлов коммутации с программным управлением SPC (Stored ProSPC (Stored Pro (Stored ProStored Pro ProProgram Control) [2] и интеллектуальных сетей IN (Intelligent Network) [3] появилась возможность сохраненить абонентский номер при смене абонентом оператора связи и таким образом преодолеть жесткую связь номера с сетью, оператором. Такая процедура называется переносимостью номера NP (Number Portability) [4], которая реализует возможность оказания абоненту услуг связи оператором, отличным от оператора связи, ресурсу нумерации которого изначально принадлежал абонентский номер. Другими словами, переносимость номеров позволяет абоненту заменить поставщика услуг, физическое местоположение или вид услуг, сохраняя при этом свой существующий телефонный номер. Переносимость номера - один из механизмов создания конкурентной среды на рынке услуг связи, заставляющий оператора связи заботиться о лояльности абонентов в целях предупреждения их оттока к другим операторам. Переносимость абонентского номера может реализовываться в сетях фиксированной LNP (Local NP) и подвижLocal NP) и подвиж NP) и подвижNP) и подвиж) и подвижной MNP (Mobile NP) телефонной связи. Услуга MNP реализует возможность оказания абоненту голосовых услуг и услуг коротких текстовых сообщений SMS (Short Message Service) операSMS (Short Message Service) опера (Short Message Service) оператором мобильной связи в сетях 2G/3G/4G независимо от первоначальной принадлежности абонентского номера к ресурсу нумерации другого оператора. В США обязанность по обеспечению переносимости номера в сетях фиксированной связи была введена Федеральной комиссией связи еще в 1996 году, а в сетях подвижной связи - в 2003 году. В странах Евросоюза основные принципы переносимости номера определены в Директиве 2002/22/EC об универсальной услуге [5], которая вступила в силу в 2003 году. В России услуга MNP действует с 1 декабря 2013 года [6], когда отменили так называемое «мобильное рабство». Обеспечение переносимости номеров представляет собой довольно сложную техническую задачу. Для маршрутизации вызова требуется знать, куда его следует направить. Обычно телефонные номера выделяются крупными блоками, так что по номеру можно определить сеть оператора, которая должна принять вызов. Если же номер был перенесен, то определить направление установления соединения становится труднее. Это усложняет не только коммутацию, но и определение стоимости вызова (биллинг). Поэтому обеспечение возможности MNP треMNP тре требует существенных изменений в системе администрирования адресации, сигнализации, обработки и маршрутизации вызова, системе оплаты и т. д. [7]. И операторы сотовых сетей при реализации MNP должны планировать свою деятельMNP должны планировать свою деятель должны планировать свою деятельность с учетом этих изменений. В статье предлагается методика определения объема дополнительного трафика общеканальной сигнализации ОКС № 7 [8-10], возникающего в сетях мобильной связи 2G/3G/4G при реализации услуги переносимости номера MNP, и необходимых сетевых ресурсов в транспортных TDM- и IP-сетях для его пропуска. Способы реализации услуги NP Для установления соединения с перенесенным номером в системе должна иметься актуальная информация о новом операторе и местонахожде нии абонента. Обычно эта информация хранится централизованно на специальном сервере NP. Как правило, существует один национальный сервер справочной базы данных перенесенных номеров (БДПН), кроме того, у каждого оператора связи имеется свой сервер NP с копией национальной БДПН. В некоторых способах реализации NP операторы имеют собственные локальные БДПН. Реализация NP возможна следующими способами запроса информации о перенесенных номерах [4; 7], см. рисунок 1. 1. Запрос для всех вызовов ACQ (All Call Query) (см. рисунок 1, а) - осуществляется обращение к централизованной БДПН для каждого вызова независимо от набранного номера. 2. Возврат вызова CD (Call Dropback) (см. рисунок 1, б) - при получении вызова (1) сеть-донор определяет, что номер перенесен и производит запрос к локальной БДПН (2)-(3). Затем сетьдонор отправляет в вызывающую сеть запрос на разъединение вместе с маршрутным номером (4), с помощью которого вызывающая сеть маршрутизирует вызов в сеть-реципиент (5); запрос при освобождении QoR (Query On Release) (см. рисунок 1, в) - вызовы направляются по стандартному маршруту в соответствии с набранным номером (1). Сеть-донор либо принимает вызов, либо сбрасывает его и сообщает, что номер был перенесен (2), и тогда вызывающая сеть делает обращение к централизованной БДПН (3)-(4) и на основе информации, полученной из нее, маршрутизирует вызов в сеть-реципиент (5). 3. Поступательная маршрутизация OwR (Onward Routing) (см. рисунок 1, г) - вызовы направляются по стандартному маршруту в соответствии с набранным номером (1). Сеть-донор проверяет принадлежность номера (2)-(3), и если номер перенесен, то вызов маршрутизируется в сеть-реципиент (4). В этом случае не требуется централизованная база данных, такой метод используется для местных вызовов по перенесенному номеру. Реализация услуги MNP в России В России для MNP используется метод ACQ, при этом информация о перенесенных номерах сетей мобильной связи хранится в центральной БДПН, поддерживаемой ЦНИИС [11]. У каждого оператора мобильной связи имеется своя копия центральной БДПН, которая обновляется с периодичностью раз в два часа. Для обеспечения передачи абонентского номера из сети связи оператора-донора в сеть связи оператора-реципиента и возможности оказания абоненту услуг подвижной связи с использованием перенесенного абонентского номера необходимо [12]: а) оператору-донору: - исключить переносимый абонентский номер из базы данных средств связи, выполняющих функции домашнего регистра местонахождения HLR (Home Location Register); - включить переносимый абонентский номер в базу данных средств связи, выполняющих функции ретрансляции сигнальных сообщений SRF (Signaling Relay Function) подсистемы управле ния соединениями сигнализации SCCP (SignalSCCP (Signal (SignalSignalling Connection Control Part) [13] в сети сигнали Connection Control Part) [13] в сети сигналиConnection Control Part) [13] в сети сигнали Control Part) [13] в сети сигналиControl Part) [13] в сети сигнали Part) [13] в сети сигналиPart) [13] в сети сигнали) [13] в сети сигнализации ОКС № 7; б) оператору-реципиенту: - включить переносимый абонентский номер в базу данных HLR; - включить переносимый абонентский номер в базу данных SRF; г) оператору центральной БДПН: - внести информацию о переносимом абонентском номере в центральной БДПН. Одной из главных задач, решаемых сетями, поддерживающими MNP, является установление принадлежности абонентского номера определенному оператору. Это необходимо для того, чтобы корректно направить голосовой вызов или SMS к вызываемому абоненту, а для биллинговых систем - определить, кому перечислять деньги. В классической мобильной сети 2G/3G задачу определения направления соединения решает коммутатор, называемый шлюзовым центром коммутации мобильной сети GMSC (Gateway Mobile Switching Center). GMSC через сеть общеканальной сигнализации ОКС № 7 отправляет запрос в соответствующий регистр HLR исходя из номера вызываемого абонента MSISDN (Mobile Subscriber Integrated Services Digital Number). HLR - это база данных, где хранится информация не только о характеристиках абонентов, но и о текущем обслуживающем коммутаторе GMSC каждого из них. С появлением MNP статическая маршрутизация сигнального трафика, основанная на MSISDN, уже не позволяет GMSC найти нужный HLR, а потому в сети необходим новый узел, называемый SRF (Signalling Relay Function). Основной задачей узла SRF являются хранение, обновление и предоставление информации о принадлежности номера к определенному оператору и региону. При каждом голосовом вызове обслуживающий его коммутатор GMSC производит обращение через сеть общеканальной сигнализации ОКС № 7 с использованием мобильной прикладной подсистемы МАР (Mobile Application Part) [14] к базе данных узла SRF, в котором хранится актуальная копия центральной БДПН (см. рисунок 2). Если вызов завершается на терминал абонента своего оператора, GMSC в ответном сигнальном сообщении подсистемы МАР получает из SRF мобильный роуминговый номер MSRN (Mobile Station Roaming Number). Если вызов завершается на терминал абонента другого оператора, GMSC в ответном сообщении получает номер RN+MSISDN (или только MSISDN, если номер не перенесен или принадлежит другой зоне переносимости), где RN (Routing Number) - роутинговый (маршрутный) номер, содержащий коды региона и оператора перенесенного номера. На основании полученного номера RN+MSISDN коммутатор GMSC маршрутизирует вызов на сеть оператора портированного абонента. При передаче SMS на перенесенный абоSMS на перенесенный або на перенесенный абонентский номер для поиска абонента-получателя SMS-центр (SMSC) также инициирует специальный запрос подсистемы МАР в узел SRF, который позволяет найти реального оператораполучателя. В ответ SMSC получает из SPF сообSPF сооб сообщение подсистемы МАР, в котором содержится глобальный заголовок регистра гостевых абонентов (GT VLR), где находится получатель SMS, и международный идентификатор мобильного абонента (индивидуальный номер абонента) IMSI (International Mobile Subscriber Identity), необходимые для отправки сообщения SMS к обслужиSMS к обслужи к обслуживающему коммутатору GMSC. Таким образом, при реализации в сети услуги переносимости мобильного номера MNP неMNP не независимо от того, куда направляется голосовой вызов или SMS (на обычный или перенесенный абонентский номер), в сети ОКС № 7 возникает дополнительная сигнальная нагрузка в сети ОКС № 7 между GMSC и SRF, которая должна учиGMSC и SRF, которая должна учи и SRF, которая должна учиSRF, которая должна учи, которая должна учитываться при развитии сети мобильной связи, а также при увеличении объема пользовательского трафика. Методика расчета дополнительного сигнального трафика и необходимых сетевых ресурсов Для получения информации о принадлежности абонента к определенной сети связи GMSC передает в SRF по сети ОКС № 7 сообщение подсистемы МАР в виде запроса передачи роутин говой (маршрутной) информации SRI-REQUEST (SEND_ROUTING_INFO_ REQUEST), в ответ на которое из SRF получает необходимую информацию в виде сообщения ответа подсистемы МАР SRI-RESPONSE (SEND_ROUTING_INFO_ RESPONSE), см. рисунок 3. Рисунок 3. Запрос и ответ с информацией о роутинговом номере RN Все сообщения подсистемы МАР передаются с помощью прикладной подсистемы возможностей транзакций ТСАР (Transaction Capabilities Application Part) [15] стека протоколов ОКС № 7 (см. рисунок 4). Рисунок 4. Стек протоколов при передаче сообщения SRI-REQUEST подсистемы МАР через сеть ОКС № 7 Так, сообщение «Запрос» SRI-REQUEST передается с помощью сообщения «Начало диалога» ТС-BEGIN, а сообщение «Ответ» SRIRESPONSE - с помощью сообщения «Конец диалога» TC-END. Далее эти сообщения ТСАР включаются в состав сообщений «Данные без соединения» UDT (Unitdata) подсистемы SCCP. В сети ОКС № 7 для переноса информации подсистемы SCCP предназначено поле сигнальSCCP предназначено поле сигналь предназначено поле сигнальной информации SIF (Signaling Information Field) в специальном сигнальном пакете - значащей сигнальной единице MSU (Message Signal Unit), формируемой подсистемой передачи сообщений MTP (Message Transfer Part) (см. рисунок 5) [16]. В состав поля SIF кроме непосредственно информации подсистемы SCCP входит также этикетка маршрутирования, которая позволяет направлять сообщения в сети ОКС № 7 к определенному пункту назначения с помощью функций третьего уровня подсистемы передачи сообщений МТР-3. Подсистема МТР-3 при взаимодействии с протоколом SCCP использует этикетку типа D, которая включает 4-битовое поле селекции звена сигнализации SLS (Signaling Link SelecSignaling Link Selecignaling Link SelecLink Selecink SelecSelecelection) и 14-битовые код исходящего пункта OPC (Origination Point Code) и код пункта назначения DPC (Destination Point Code). Таким образом, общая длина этикетки типа D равна LD = 4 + 14 + 14 = = 32 бит = 4 байт. На втором уровне подсистемы передачи сообщений МТР-2 формируется значащая сигнальная единица путем добавления к сигнальной информации подсистемы SCCP следующих полей: открывающий и закрывающий флаги F (по 8 бит), обратный порядковый номер BSN (BackBSN (Back (BackBackward Sequence Number) длиной 7 бит, обратный бит-индикатор BIB (Backward Indicator Bit), прямой порядковый номер FSN (Forward Sequence Number) длиной 7 бит, прямой бит-индикатор FIB (Forward Indicator Bit), индикатор длины LI (Length Indicator): 6 бит + 2 нулевых бита, байт служебной информации SIO (Service Information Octet), поле из 16 проверочных бит СК (Check Bits). Таким образом, на уровне МТР-2 в MSU к информации от предыдущих уровней стека протоколов ОКС № 7 добавляется еще 8 байт. Первый уровень подсистемы передачи сообщений МТР-1 реализован на базе 16-го канального интервала первичного цифрового потока Е1, и он никакой дополнительной информации не вводит в передаваемую MSU (см. рисунок 4). В настоящее время в мобильных сетях 2G/3G/4G часто используется пакетная транспортная IP-сеть, в которой сигнальная инфорIP-сеть, в которой сигнальная инфор-сеть, в которой сигнальная информация ОКС № 7 передается с использованием семейства протоколов SIGTRAN [16]. Для взаимодействия с подсистемой SCCP в семействе SIGTRAN предназначен протокол адаптации пользовательского уровня MTP-3 - M3UA (MTP-3 User Adaptation Layer). Для надежной и гарантированной доставки сигнальных сообщений протоколов семейства SIGTRAN через пакетные IP-сети применяется специальный транспортный протокол управления потоковой передачей SCTP (Stream Control Transmission Protocol) [17]. Рисунок 6. Стек протоколов при передаче сообщения SRI-REQUEST подсистемы МАР через IP-сеть На сетевом уровне для передачи информации протокола SCTP используются протоколы IPv4 или IPv6. И наконец канальный уровень передачи чаще всего реализован на базе одной их технологий пакетной передачи из семейства xEthernet (например, 1GEthernet или 10GEthernet). Таким образом, при передаче сигнальных сообщений подсистемы МАР между GMSC и SRF через транспортную IP-сеть используется следующий стек протоколов: МАР-ТСАР-SCCP-M3UA- SCTP-IР-Ethernet (см. рисунок 6). Аналогичные стеки протоколов используются и при передаче сообщения «Ответ» SRI-RESPONSE из SRF в GMSC через транспортные TDM- и IP-сети. При предоставлении услуг службы коротких сообщений SMS в сети мобильной связи на перенесенный номер стеки протоколов аналогичные, разница заключается только в использовании специальных сообщений запросов и ответов подсистемы МАР - SRI_for_SM. Каждый из протоколов в рассмотренных выше стеках добавляет к исходным сообщениям подсистемы МАР свои поля в виде соответствующих заголовков или параметров. Таким образом, при голосовом соединении общая длина сигнальных сообщений ОКС № 7 для передачи запроса SRIREQUEST и ответа SRI-RESPONSE подсистемы МАР через транспортные TDM- и IP-сеть составит соответственно: , LLL L L L = + + + + + TDM SRI-REQUEST SRI-REQUEST MAP TCAP SCCP MTP-3A VMTP-2 2, LLL L L L - = + + +++ TDM SRI-RESPONSE SRI-RESPONSE MAP TCAP SCCP MTP-3 MTP , LLL L L L L L = + + + + + + + IP SRI-REQUEST SRI-REQUEST MAP TCAP SCCP M3UA SCTP IP Ethernet , LLL L L L L L = + + + + + + + IP SRI-RESPONSE SRI-RESPONSE MAP TCAP SCCP M3UA SCTP IP Ethernet где LSRI-REQUEST MAP и LSRI-RESPONSE MAP - длины сообщений подсистемы МАР SRI-REQUEST и SRI-RESRI-RE-RESPONSE соответственно; LTCAP - длина дополнительных полей, вводимых подсистемой ТСАР; LSCCP - длина дополнительных полей, вводимых подсистемой SCCР; LMTP-3 - длина дополнительных полей, вводимых подсистемой МТР-3; LMTP-2 - длина дополнительных полей, вводимых подсистемой МТР-2; LM3UA - длина заголовков, вводимых протоколом M3UA; LSCTP - длина заголовков, вводимых протоколом SCTP; LIP - длина заголовков, вводимых протоколом IP; LEthernet - длина дополнительных полей, вводимых технологией Ethernet. Аналогичные выражения можно записать и для длин сообщений запроса и ответа подсистемы МАР при передаче SMS. Численно будут отличаться только длины сообщений подсиcтемы SCCP: SRI-REQUEST-SMS и SRI-RESPONSESMS. Зная длину сигнальных сообщений и количество сообщений в единицу времени, можно определить интенсивность нагрузки в сети ОКС № 7 и необходимые сетевые ресурсы для ее пропуска. В сетях связи нагрузку принято определять для часа наибольшей нагрузки (ЧНН) - это непрерывный интервал времени в 60 мин, в течение которого средняя интенсивность нагрузки является наибольшей. Сообщения запроса и ответа подсистемы МАР в звене сигнализации не передаются одновременно, поэтому введем вероятности передачи запроса P1 и ответа P2. Будем считать, что на каждый запрос поступает ответ, поэтому P1 = P2 = 0,5. Предположим также, что в течение ЧНН нагрузка остается постоянной. Тогда можно записать выражение для расчета интенсивности дополнительной сигнальной нагрузки в сети ОКС № 7 при реализации MNP для голосовых вызовов в случае транспортных TDM- и IP-сетей соответственно: ( ) 12,, 3600 N PL PL V + = TDM TDM ãîëîñ SRI-REQUEST SRI-RESPONSETDM ãîëîñ áèò/ñ ( ) 12,, 3600 N PL PL V + = IP IP ãîëîñ SRI-REQUEST SRI-RESPONSEIP ãîëîñ áèò/ñ где Nãîëîñ - число запросов и ответов подсистемы МАР в ЧНН при реализации MNP для голосовых вызовов. Аналогичные выражения можно записать и для расчета дополнительной сигнальной нагрузки в сети ОКС № 7 при реализации MNP для усMNP для ус для услуг SMS в случае транспортных TDM- и IP-сетей соответственно: ( ) 12,, 3600 N PL PL V + = TDM TDM SMS SRI-REQUEST-SMS SRI-RESPONSE-SMSTDM SMS áèò/ñ ( ) 12,, 3600 N PL PL V + = IP IP SMS SRI-REQUEST-SMS SRI-RESPONSE-SMSIP SMS áèò/ñ где NSMS - число запросов и ответов подсистемы МАР в ЧНН при реализации MNP для переMNP для пере для передачи SMS; LTDMSRI-REQUEST-SMS- общая длина сигнального сообщения ОКС № 7 для передачи запроса SRI-REQUEST-SMS через транспортную TDMсеть; LTDMSRI-RESPONSE-SMS - общая длина сигнального сообщения ОКС № 7 для передачи ответа SRIRESPONSE-SMS через транспортную TDM сеть; LIPSRI-REQUEST-SMS - общая длина сигнального сообщения ОКС № 7 для передачи запроса SRIREQUEST-SMS через транспортную IP-сеть; LIPSRI-RESPONSE-SMS - общая длина сигнального сообщения ОКС № 7 для передачи ответа SRI-RESRI-RE-RESPONSE-SMS через транспортную IP-сеть. Пример расчета Были проведены измерения числа запросов к SRF в сети крупного оператора мобильной связи 2G/3G/4G Поволжского региона (см. таблицу 1). Анализ суточного профиля числа запросов к SRF позволил определить ЧНН - в рабочие дни он наблюдался с 19.30 до 20.30 при голосовых вызовах и при SMS (см. рисунок 7). На основе сигнальных трейсов были определены длины сообщений стека протоколов МАР TCAP-SCCP при передаче запросов и ответов к/от SRF для голосовых вызовов и SMS (см. таблицу 2). Длины полей сообщений подсистем ОКС № 7 и заголовков протоколов приведены в таблице 3. На основе данных таблиц 2, 3 получены суммарные значения длин сообщений запросов и ответов подсистемы МАР для голосовых вызовов и SMS при использовании транспортных TDM- и IP-сетей (см. таблицу 4). Анализ статистических данных показал, что в самый загруженный день в ЧНН было передано из GMSC в SRF 4041352 запросов SRI-REQUEST и 1070165 запросов SRI-REQUEST-SMS. С учеSMS. С уче. С учетом этих данных требуемая полоса пропускания для передачи дополнительной сигнальной информации ОКС № 7 при реализации MNP для гоMNP для го для голосовых вызовов и SMS в случае использования транспортной IP-сети составит Рисунок 7. Суточный профиль числа запросов к SRF Аналогично при использовании транспортной TDM-сети ( ) ( ) 4041352 0,5 180 0,5 148 1070165 0,5 132 0,5 148 1,793 3600 ⋅ + ⋅ + ⋅ + ⋅ =+= = TDM TDM TDM ñèãí ãîëîñ SMS Ìáèò/ñ. В сети TDM для передачи трафика ОКС № 7 используются звенья сигнализации со скоростью 64 кбит/с, однако нормируемая загрузка звена сигнализации 0,2 Эрл или 20 % [10]. Таким образом реальная полоса пропускания TDM-звена ОКС № 7 составляет всего 12,8 кбит/с. Следовательно, для реализации пропускной способности 1,793 Мбит/с потребуется 140 звеньев сигнализации или более четырех потоков Е1. Зная емкость сети можно рассчитать удельную полосу пропускания дополнительного сигнального трафика от одного абонента при реализации MNP. С учетом того, что статистические данные были получены в сети емкостью 2,5 млн абонентов, удельная сигнальная нагрузка ОКС № 7 от одного абонента составит 0,926 бит/с для IP-сети и 0,717 бит/с для TDM-сети. Проведенные расчеты подтверждают, что дополнительный сигнальный трафик ОКС № 7 при реализации MNP создает определенную нагрузку на транспортную сеть и должен учитываться при расчетах мобильных сетей 2G/3G/4G [19; 20]. РазG/3G/4G [19; 20]. Раз/3G/4G [19; 20]. РазG/4G [19; 20]. Раз/4G [19; 20]. РазG [19; 20]. Раз [19; 20]. Разработанная методика позволяет при проектировании или развитии мобильной сети рассчитать необходимую ширину полосы пропускания сигнальной сети для обеспечения требуемого качества реализации MNP. Заключение Отсутствие точной информации о величине сигнального трафика ОКС № 7 в сетях мобильной связи 2G/3G/4G, с одной стороны, может привести к ухудшению качества обслуживания абонентов в случае недостаточности ресурсов сигнальной сети, а с другой - к неэффективному использованию каналов сигнализации и снижению рентабельности сети при переизбытке ресурсов. Предложенный подход позволяет операторам сети мобильной связи на основе статистических данных о прогнозируемой емкости абонентской базы определить необходимый объем ресурсов транспортных TDM- или IP-сетей для пропуска дополнительного сигнального трафика ОКС № 7, обусловленного реализацией услуги переносимости мобильного номера MNP. Это позволит оптимизировать финансовые затраты оператора и улучшить качество предоставляемых голосовых услуг и услуг SMS в мобильных сетях 2G/3G/4G.

About the authors

A. V Roslyakov

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Samara, Russian Federation

A. V Govoryhina

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Samara, Russian Federation

References

Supplementary files