UMTS Mobilitetsstyring: Sådan Forbliver Du Forbundet

Forestil dig en verden, hvor din mobiltelefon kun virkede, når du stod helt stille på ét bestemt sted. Uden evnen til at bevæge dig frit og stadig modtage opkald eller beskeder, ville mobilkommunikation være tæt på ubrugelig. Heldigvis er dette ikke virkeligheden, takket være en fundamental funktion i alle mobilnetværk: mobilitetsstyring. Denne avancerede teknologi sikrer, at din telefon altid er tilgængelig, uanset om du bevæger dig gennem byen, kører på motorvejen eller skifter mellem lande. I denne artikel dykker vi ned i, hvordan mobilitetsstyring fungerer, især i UMTS-netværk, og afdækker de mekanismer, der gør din mobile frihed mulig.

Hvad er Mobilitetsstyring?

Mobilitetsstyring er en af de mest kritiske funktioner i et mobilnetværk, herunder GSM- og UMTS-netværk. Dens primære formål er at holde styr på, hvor abonnenterne befinder sig. Denne sporing er afgørende for at kunne levere opkald, SMS og andre mobiltjenester til den rigtige enhed på det rigtige sted. Uden effektiv mobilitetsstyring ville netværket simpelthen ikke vide, hvor det skal dirigere et indgående opkald til din telefon. Det handler om at opretholde en konstant forbindelse mellem din mobile enhed og netværket, selv når du er i bevægelse.

Lokationsopdateringsprocedure

Et mobilnetværk, hvad enten det er GSM, UMTS eller andre cellulære netværk, er et radionetværk bestående af individuelle celler, kendt som basestationer. Hver basestation dækker et lille geografisk område, som er en del af et unikt identificeret lokationsområde. Ved at integrere dækningen fra disse basestationer giver et mobilnetværk radiodækning over et meget bredere område. En gruppe af basestationer kaldes et lokationsområde eller et routingområde.

Lokationsopdateringsproceduren giver en mobil enhed mulighed for at informere mobilnetværket, hver gang den flytter fra ét lokationsområde til det næste. Mobilenheder er ansvarlige for at registrere lokationsområdekoder. Når en mobil opdager, at lokationsområdekoden er forskellig fra dens seneste opdatering, udfører den en ny opdatering ved at sende en lokationsopdateringsanmodning til netværket, sammen med dens tidligere lokation og dens Midlertidige Mobilabonnentidentitet (TMSI).

Der er flere grunde til, at en mobil kan give opdaterede lokationsoplysninger til netværket. Hver gang en mobil tændes eller slukkes, kan netværket kræve, at den udfører en IMSI-tilknytning eller IMSI-frakobling lokationsopdateringsprocedure. Desuden skal hver mobil regelmæssigt rapportere sin lokation med et fastsat tidsinterval ved hjælp af en periodisk lokationsopdateringsprocedure. Når en mobil bevæger sig fra ét lokationsområde til det næste, mens den ikke er i et opkald, kræves en tilfældig lokationsopdatering. Dette er også påkrævet for en stationær mobil, der vælger dækning fra en celle i et andet lokationsområde på grund af signalfald. Dermed har en abonnent pålidelig adgang til netværket og kan nås med et opkald, mens den nyder friheden ved mobilitet inden for hele dækningsområdet.

Når en abonnent "pagers" i et forsøg på at levere et opkald eller en SMS, og abonnenten ikke svarer på denne "paging", markeres abonnenten som fraværende i både Mobile Switching Center / Visitor Location Register (MSC/VLR) og Home Location Register (HLR). Dette gøres ved at sætte flaget "Mobile not reachable flag" (MNRF). Næste gang mobilen udfører en lokationsopdatering, opdateres HLR'en, og MNRF-flaget nulstilles.

Midlertidig Mobilabonnentidentitet (TMSI)

Den Midlertidige Mobilabonnentidentitet (TMSI) er den identitet, der oftest sendes mellem mobilen og netværket. TMSI tildeles tilfældigt af VLR (Visitor Location Register) til hver mobil i området, i det øjeblik den tændes. Nummeret er lokalt for et lokationsområde, og skal derfor opdateres hver gang mobilen bevæger sig til et nyt geografisk område.

Netværket kan også ændre mobilens TMSI til enhver tid. Dette gøres normalt for at undgå, at abonnenten bliver identificeret og sporet af aflyttere på radiointerfacet. Dette gør det vanskeligt at spore, hvilken mobil der er hvilken, undtagen kortvarigt, når mobilen lige er tændt, eller når dataene i mobilen bliver ugyldige af en eller anden grund. På det tidspunkt skal den globale "International Mobile Subscriber Identity" (IMSI) sendes til netværket. IMSI sendes så sjældent som muligt for at undgå identifikation og sporing.

En central anvendelse af TMSI er ved paging af en mobil. "Paging" er den en-til-en-kommunikation mellem mobilen og basestationen. Den vigtigste brug af broadcast-information er at oprette kanaler til "paging". Hvert cellulært system har en broadcast-mekanisme til at distribuere sådanne oplysninger til et flertal af mobiler. Størrelsen af TMSI er 4 oktetter med fulde hexadecimale cifre og kan ikke være alle 1-taller, da SIM-kortet bruger 4 oktetter med alle bits lig med 1 til at indikere, at ingen gyldig TMSI er tilgængelig.

Roaming

Roaming er en af de grundlæggende mobilitetsstyringsprocedurer i alle mobilnetværk. Roaming defineres som en mobilkundes evne til automatisk at foretage og modtage taleopkald, sende og modtage data eller få adgang til andre tjenester, herunder hjemmedatatjenester, når de rejser uden for hjemmenetværkets geografiske dækningsområde, ved hjælp af et besøgt netværk. Dette kan gøres ved at bruge en kommunikationsterminal eller blot ved at bruge abonnentidentiteten i det besøgte netværk. Roaming understøttes teknisk af mobilitetsstyring, autentificering, autorisation og faktureringsprocedurer. Det er en kompleks, men afgørende funktion, der giver brugere global adgang til mobilkommunikation.

Lokationsområde

Et "lokationsområde" er et sæt basestationer, der er grupperet sammen for at optimere signalering. Typisk deler tiere eller endda hundreder af basestationer en enkelt Base Station Controller (BSC) i GSM, eller en Radio Network Controller (RNC) i UMTS, som er "hjernen" bag basestationerne. BSC'en håndterer tildeling af radiokanaler, modtager målinger fra mobiltelefonerne og styrer overleveringer fra basestation til basestation.

Til hvert lokationsområde tildeles et unikt nummer kaldet en "lokationsområdekode". Lokationsområdekoden sendes af hver basestation, kendt som en "base transceiver station" (BTS) i GSM, eller en Node B i UMTS, med regelmæssige intervaller. I GSM kan mobilerne ikke kommunikere direkte med hinanden, men skal kanaliseres gennem BTS'erne. I UMTS-netværk, hvis ingen Node B er tilgængelig for en mobil, vil den slet ikke kunne oprette forbindelser.

Hvis lokationsområderne er meget store, vil der være mange mobiler i drift samtidigt, hvilket resulterer i meget høj "paging"-trafik, da hver "paging"-anmodning skal udsendes til hver basestation i lokationsområdet. Dette spilder båndbredde og strøm på mobilen, da den skal lytte efter broadcast-beskeder for meget af tiden. Hvis der derimod er for mange små lokationsområder, skal mobilen kontakte netværket meget ofte for ændringer af lokation, hvilket også vil dræne mobilens batteri. Der skal derfor findes en balance.

Routingområde

Routingområdet er PS-domæneækvivalenten af lokationsområdet. Et "routingområde" er normalt en underopdeling af et "lokationsområde". Routingområder bruges af mobiler, der er GPRS-tilknyttet. GPRS er optimeret til "bursty" datakommunikationstjenester, såsom trådløst internet/intranet og multimedietjenester. Det er også kendt som GSM-IP ("Internet Protocol"), fordi det forbinder brugere direkte til internetudbydere (ISP'er).

Den "bursty" natur af pakketrafik betyder, at der forventes flere "paging"-beskeder pr. mobil, og det er derfor værd at kende mobilens placering mere præcist, end det ville være med traditionel kredsløbskoblet trafik. En ændring fra routingområde til routingområde (kaldet en "Routing Area Update") udføres på en næsten identisk måde som en ændring fra lokationsområde til lokationsområde. De væsentligste forskelle er, at "Serving GPRS Support Node" (SGSN) er det involverede element.

Sporingsområde (LTE)

Sporingsområdet er LTE-modstykket til lokationsområdet og routingområdet. Et sporingsområde er et sæt celler. Sporingsområder kan grupperes i lister over sporingsområder (TA-lister), som kan konfigureres på brugerudstyret (UE). Sporingsområdeopdateringer udføres periodisk, eller når UE'en bevæger sig til et sporingsområde, der ikke er inkluderet i dens TA-liste.

Operatører kan tildele forskellige TA-lister til forskellige UE'er. Dette kan undgå signaleringsspidser under visse forhold: for eksempel udfører UE'erne af passagerer i et tog muligvis ikke sporingsområdeopdateringer samtidigt. På netværkssiden er det involverede element Mobility Management Entity (MME).

Håndtering af Overdragelse (Handover)

Handover betyder at overdrage mobilen fra én celle til en anden celle. Der er to hovedårsager til handover:

1. Forbedring af Signalkvalitet og Dækning:

   • Når en mobil station bevæger sig ud af en basestations rækkevidde, falder signalniveauet kontinuerligt og kommer under de minimale krav til kommunikation.
   • Fejlraten stiger på grund af interferens.
   • Kvaliteten af radiolinket falder. For at opretholde en stabil forbindelse er det nødvendigt at flytte mobilen til en celle med bedre signal.

2. Belastningsbalancering:

   • Trafikken i én celle er for høj, hvilket nødvendiggør en flytning af nogle mobil stationer til andre celler med lavere belastning. Dette kaldes belastningsbalancering og sikrer, at netværksressourcer udnyttes optimalt.

Antallet af handovers vil være højere, når cellestørrelsen er lille. På grund af handover skal opkald ikke afbrydes, hvilket kaldes "call drop". En succesfuld handover er afgørende for en uafbrudt brugeroplevelse.

Typer af Handover:

• Intra-celle Handover: Inden for en celle kan smalbåndet interferens gøre transmission på en bestemt frekvens umulig. BSC'en beslutter at ændre bære frekvensen for mobilen inden for den samme celle.
• Inter-celle, Intra-BSC Handover: Mobil stationen bevæger sig fra én celle til en anden, men forbliver inden for den samme BSC. BSC'en udfører en handover, tildeler en ny radiokanal i den nye celle og frigiver den gamle. Dette er en hyppig type handover.
• Inter-BSC, Intra-MSC Handover: BSC'en styrer kun et begrænset antal celler. Handover skal udføres mellem forskellige BSC'er. Dette styres af MSC (Mobile Switching Center).
• Inter-MSC Handover: En handover er nødvendig mellem to celler, der tilhører forskellige MSC'er. Begge MSC'er udfører handoveren sammen, hvilket er den mest komplekse type.

Mobilitetsstyring i IP-netværk: Mobile IP

Mobilitetsstyring er ikke kun relevant for traditionelle mobilnetværk som GSM og UMTS, men også for IP-baserede netværk. Mobile IP er en protokol, der understøtter mobilitetsstyring i IP-netværk, hvilket giver mobile enheder mulighed for at ændre deres tilknytningspunkt til internettet uden at ændre deres IP-adresse. Mobilitetsstyringsteknikker, der anvendes i PCN (Personal Communication Network), kan overføres til Mobile IP-netværk, for eksempel Regionale/Hierarkiske Mobile IP eller DMAP i MIP versus forwarding/Local Anchor i PCN. Dette viser, hvordan principperne for mobilitetsstyring er universelle på tværs af forskellige netværksteknologier.

Sammenligning af Lokations-, Routing- og Sporingsområder

For at give et klarere billede af de forskellige områdetyper, der anvendes i mobilnetværk, er her en sammenligning:

Ofte Stillede Spørgsmål om Mobilitetsstyring

For at afklare yderligere, her er svar på nogle ofte stillede spørgsmål:

Hvad er forskellen mellem et lokationsområde og et routingområde?
Et lokationsområde (LA) bruges primært til at spore mobiler for kredsløbskoblede tjenester som taleopkald og SMS i GSM- og UMTS-netværk. Et routingområde (RA) er en underopdeling af et LA, der bruges til finere sporing af mobiler, der er GPRS-tilknyttet, og som bruger pakkekoblet data. RA er optimeret til den "bursty" natur af datatrafik, hvilket muliggør mere præcis lokalisering og dermed mere effektiv "paging" for datatjenester.

Hvorfor er TMSI vigtigt for sikkerhed?
TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) er afgørende for sikkerheden, fordi det bruges i stedet for mobilens permanente identitet, IMSI (International Mobile Subscriber Identity), i langt de fleste kommunikationer mellem mobilen og netværket. Ved hyppigt at ændre TMSI gøres det meget svært for aflyttere på radiointerfacet at identificere og spore en specifik abonnent over tid. Dette beskytter abonnentens privatliv og sikkerhed.

Hvad sker der, hvis min telefon ikke svarer på en 'paging'?
Hvis din telefon ikke svarer på en "paging" (et forsøg fra netværket på at finde den for et indgående opkald eller SMS), markeres den som "ikke-nåbar" i netværkets registre (MSC/VLR og HLR). Et flag kaldet "Mobile Not Reachable Flag" (MNRF) sættes. Næste gang din telefon udfører en lokationsopdatering (f.eks. ved at bevæge sig til et nyt område eller tænde/slukke), vil HLR'en blive opdateret, og MNRF-flaget vil blive fjernet, hvilket indikerer, at din telefon igen er nåbar.

Hvad er formålet med 'handover'?
Formålet med "handover" er at sikre en uafbrudt forbindelse for en mobilbruger, når denne bevæger sig mellem forskellige celler eller når netværket skal optimere ressourceallokeringen. Det forhindrer, at opkald afbrydes (call drops) og sikrer en ensartet servicekvalitet ved at overføre forbindelsen problemfrit fra én basestation til en anden. Derudover bruges det til at balancere trafikbelastningen mellem celler.

Hvordan påvirker størrelsen af et lokationsområde batterilevetiden?
Størrelsen af et lokationsområde har en direkte indflydelse på mobilens batterilevetid. Hvis lokationsområderne er meget små, skal mobilen udføre lokationsopdateringer oftere, da den krydser grænserne hyppigere. Dette øger signaleringstrafikken og dræner batteriet hurtigere. Omvendt, hvis lokationsområderne er meget store, vil der være mere "paging"-trafik, da netværket skal udsende "paging"-beskeder til et større område, hvilket også tvinger mobilen til at lytte mere og dermed dræne batteriet. Der skal findes en optimal balance mellem disse to yderpunkter.

Konklusion

Mobilitetsstyring er rygraden i moderne mobilkommunikation. Fra de grundlæggende lokationsopdateringer til de komplekse handover-procedurer og den intelligente brug af midlertidige identiteter, arbejder et væld af teknologier sammen for at give os den sømløse og uafbrudte forbindelse, vi tager for givet. Uanset om det er GSM, UMTS eller LTE, er principperne for at holde styr på, hvor du er, og sikre, at du kan nås, essentielle for den digitale livsstil, vi lever i dag. Uden disse avancerede systemer ville vores mobile enheder være statiske kommunikationsværktøjer snarere end de frihedsgivende apparater, de er.

Hvis du vil læse andre artikler, der ligner UMTS Mobilitetsstyring: Sådan Forbliver Du Forbundet, kan du besøge kategorien Mobilteknologi.