Sygnalizacja

w sieciach telekomunikacyjnych

Sieć telekomunikacyjna – obiekt techniczny, będący zbiorem węzłów oraz linii telekomunikacyjnych i łączy pomiędzy węzłami. Sieć telekomunikacyjna wykonuje przekazywanie danych, informacji lub wiadomości w celu komunikacji pomiędzy dwoma lub wieloma określonymi punktami.

Przykładami sieci telekomunikacyjnych są:

• publiczna komutowana sieć telefoniczna (PSTN),

• sieć komputerowa,

• Internet,

• sieć teleksowa,

• cyfrowa sieć z integracją usług (ISDN);

Ogólnie każda sieć telekomunikacyjna składa się z trzech płaszczyzn:

• płaszczyzna sterowania jest częścią sieci przenoszącą informacje sterujące (również nazywane sygnalizacją),

• płaszczyzna użytkowa lub płaszczyzna danych przenosi ruch użytkowników sieci czyli tych, którzy korzystają z jej usług,

• płaszczyzna zarządzania jest częścią sieci przenoszącą ruch związany z eksploatacją sieci i administrowaniem nią.

Sygnalizacja

Podstawową funkcją sygnalizacji jest przesyłanie dodatkowej informacji przez sieci telekomunikacyjne, służącej zestawianiu, nadzorowi i rozłączaniu połączeń, a także dostarczanie narzędzi do ciągłego zarządzania siecią telekomunikacyjną.

Najprostsza i najstarsza forma sygnalizacji jest związana ze zgłoszeniem i trasowaniem połączeń telefonicznych, realizowana na wyższych poziomach za pomocą sygnalizacji R2. Obecnie usługa telekomunikacyjna określana do tej pory jako „realizacja zgłoszenia” traci swoje podstawowe znaczenie, a zastępuje ją zestawienie kanału wirtualnego w heterogenicznym środowisku sieciowym z wykorzystaniem sygnalizacji wewnątrzsieciowej SS7.

Nośnikami informacji sygnalizacyjnej są sygnały elektryczne. Mogą to być sygnały prądu stałego lub przemiennego.

Rozróżniamy sygnalizację:

• prądem stałym - najczęściej realizowana poprzez przerywanie pętli oraz, w niektórych przypadkach zmianą kierunku płynącego w niej prądu. Bardzo wolna, a więc nie może być stosowana w przypadku połączeń przechodzących przez wiele central oraz wymaga połączeń galwanicznych (nie może być używana w przypadku systemów wielokrotnych, światłowodowych czy radiowych),

• prądem przemiennym - sygnalizacja wybiercza korzysta z sygnałów wieloczęstotliwościowych,

  • sygnały liniowe są kodowane w różny sposób i korzystają z różnorodnych protokołów,

  • sygnały w zakresie częstotliwości od 300 Hz do 3400 Hz noszą nazwę sygnałów w paśmie,

  • sygnały w zakresie częstotliwości od 3400 Hz do 4000 Hz noszą nazwę sygnałów poza pasmem;

    • Zalety sygnalizacji w paśmie:

      • Możliwość stosowania dla łączy o różnych charakterystykach przenoszenia,

      • Możliwość bezpośredniego przekazywania sygnalizacji w punktach tranzytowych i końcowych systemów nośnych,

      • Możliwość wymiany uszkodzonego odcinka łącza bez specjalnych zabiegów technicznych (wymaganych np. w przypadku stosowania sygnalizacji poza pasmem, w wydzielonym kanale),

      • Natychmiastowe wykrywanie próby zajęcia uszkodzonego łącza; zwalnia to z konieczności sprawdzania ciągłości kanału rozmównego,

      • Dostępność całego pasma rozmównego dla celów sygnalizacji (z wyjątkiem częstotliwości, które mogą być imitowane przez prądy rozmówne);

    • Zalety sygnalizacji poza pasmem:

      • Niewrażliwość na zakłócenia spowodowane prądami rozmównymi i związane ze stosowaniem tłumików echa;

      • Możliwość przesyłania sygnałów w czasie trwania rozmowy, a w niektórych przypadkach, również w czasie zestawiania połączenia,

      • Prostota urządzeń związana zniewrażliwością na zakłócenia pochodzące z pasma rozmównego oraz z możliwością ciągłego przekazywania sygnalizacji;

• cyfrowa:

  • w szczelinie,

  • poza szczeliną.

Typy sygnalizacji:

• skojarzona z kanałem (informacje sygnalizacyjne związane z konkretnym kanałem

rozmównym przesyła się w nim samym bądź w kanale sygnalizacyjnym (poza szczeliną rozmówną) na stałe związanym z rozpatrywanym kanałem rozmownym),

• we wspólnym kanale (informacje sygnalizacyjne przesyła się w specjalnym, wydzielonym kanale, przypadającym na wiele kanałów rozmównych. Identyfikacja informacji związanej z danym kanałem następuje na podstawie nagłówka zawierającego adres tego kanału);

  • Zalety sygnalizacji we wspólnym kanale w stosunku do sygnalizacji skojarzonej z kanałem:

    • Krótki czas zestawiania połączenia ze względu na znaczną szybkość kanału sygnalizacyjnego (64 kbit/s);

    • Praktycznie nieograniczony zbiór sygnałów;

    • Duża elastyczność w stosunku do nowych wymagań, umożliwiająca np. wprowadzanie nowych usług;

    • Struktura informacji sygnalizacyjnych zgodna z wymogami przetwarzania programowego;

    • Niski koszt sygnalizacji w przeliczeniu na jeden kanał rozmówny;

    • Możliwość użycia sieci sygnalizacyjnej do transmisji danych, np. związanych z zarządzaniem siecią;

    • Wysoka niezawodność przesyłania informacji sygnalizacyjnej (zabezpieczenie przed błędami);

Standardy sygnalizacji

Standardy sygnalizacyjne zostały opracowane przez: ITU-T, ATM Forum, ANSI T1S1, Frame Relay Forum, a także firmy telekomunikacyjne dla poszczególnych typów sieci

telekomunikacyjnych:

• cyfrowych ISDN (1988 r.),

• pakietowych Frame Relay (1992 r.),

• komórkowych Cell Relay (1993 r.).

Rodzaje sygnalizacji

Wyróżniamy sygnalizacje abonencką, wewnątrzcentralową oraz międzycentralową.

Najbardziej ogólny podział sposobów sygnalizacji ujmuje sygnalizację zdecentralizowaną i scentralizowaną. W sieciach analogowych była powszechnie stosowana sygnalizacja zdecentralizowana. W tym sposobie sygnalizacji informacje związane z obsługą połączenia były transmitowane przez kanał, który następnie był wykorzystany do realizacji fragmentu właściwego połączenia w różnych pętlach abonenckich.

Sygnalizacja taka ma szereg wad:

• mały repertuar dostępnych sygnałów, związany z ograniczoną szerokością pasma linii telefonicznej,

• mała szybkość transmisji, a więc powolna reakcja systemu,

• konieczność przesyłania sygnalizacji tą samą trasą co zestawiane łącze,

• całkowity brak sygnalizacji po udostępnieniu łącza zainteresowanym abonentom.

Problemom tym zapobiega system sygnalizacji scentralizowanej, w którym stosuje się najczęściej wydzielone kanały sieci transmisyjnej (zwykle dla wielu różnych usług telekomunikacyjnych). Sygnalizacja wykorzystująca pojedynczy kanał sygnalizacyjny do transmisji wiadomości odnoszących się do wielu połączeń rozmównych nazywa się sygnalizacją wspólnokanałową. Zasadniczą jej zaletą oprócz bardziej efektywnego wykorzystania sieci transmisyjnej jest rozdzielenie dróg informacyjnych i sygnalizacyjnych oraz możliwość tworzenia tras alternatywnych.

W zależności od wzajemnych relacji między trasą zestawianego kanału rozmównego a drogą przebiegu sygnalizacji wyróżnia się trzy tryby sygnalizacji:

• skojarzoną, w której sygnały sygnalizacji przebiegają tą samą trasą co informacja użytkownika (bez udziału dodatkowych węzłów tranzytowych),

• nieskojarzoną, w której sygnały sygnalizacyjne wędrują przez dodatkowe węzły tranzytowe, a więc trasy informacji rozmównych i sygnalizacyjnych są różne,

• quasi-skojarzoną, podobną do nieskojarzonej, jednak relacje sygnalizacji mają ściśle zdefiniowaną trasę przekazu.

Sygnalizacja SS7 jest zaliczana do systemów scentralizowanych wspólnokanałowych i umożliwia pracę w trybie skojarzonym i nieskojarzonym.

Podstawowe zalety sygnalizacji ze wspólnym kanałem, w porównaniu do sygnalizacji skojarzonej z kanałem to:

• możliwość przesyłania informacji przy zestawionym już połączeniu,

• krótki czas zestawiania połączenia, wynikający z dużych szybkości

• transmisji informacji sygnalizacyjnych (64 kb/s),

• duża elastyczność w stosunku do stawianych wymagań, w tym

• możliwość wprowadzania nowych usług,

• struktura wiadomości jest bardziej odpowiednia dla centrali ze

• sterowaniem programowym,

• niższy koszt niż sygnalizacji skojarzonej z kanałem, ponieważ jedno

• urządzenie sygnalizacyjne obsługujące kanał sygnalizacyjny o

• przepływności 64 kb/s może obsłużyć nawet do 1000 kanałów

• sygnalizacyjnych,

• możliwość używania sieci sygnalizacyjnych przy innych

• zastosowaniach jak np. przesyłanie wiadomości eksploatacyjnych

• i utrzymaniowych z centrum utrzymaniowego do węzłów

• komutacyjnych,

• bezbłędne przesyłanie informacji sygnalizacyjnych.

Funkcje sygnalizacji:

• nadzorcza,

• wybiercza (adresowa),

• funkcje zarządzania;

Trzy fazy połączenia:

• zestawienie połączenia,

• część użytkowa,

• część rozłączania.

Dwa systemy połączenia:

• system o sterowaniu bezpośrednim - zestawienie połączeń przy braku możliwości skontaktowania się z wybranym abonentem,

• system rejestrowy - można dokonywać połączeń po różnych dostępnych drogach.

Struktura sieci sygnalizacyjnych

Przykładem sieci międzycentralowej jest system sygnalizacji Nr 7 (SS7, CCS7 lub C7) – zbiór protokołów stosowanych w sieciach telekomunikacyjnych. Architektura systemu sygnalizacji została określona przez CCITT w 1981 i zdefiniowana jest w zaleceniach ITU-T serii Q.7xx.

Standard SS7 identyfikuje i określa, jaką funkcjonalność musi posiadać cyfrowa sieć sygnalizacyjna oraz jakich protokołów należy użyć, aby umożliwić jej poprawne działanie. Możliwe jest także tworzenie wariantów (rozszerzeń), takich jak standard ETSI lub ANSI. System sygnalizacji SS7 jest szeroko wykorzystywany w sieciach telekomunikacyjnych, zarówno w sieciach PSTN jak i GSM.

Funkcjonalność SS7:

• funkcjonalność podstawowa: zestawianie, rozłączanie, taryfikacja oraz zarządzanie połączeniami,

• funkcjonalność sieci komórkowych:

  • roaming,

  • uwierzytelnianie użytkownika mobilnego

• funkcjonalność sieci inteligentnych:

  • połączenia bezpłatne,

  • teległosowanie ,

  • odtwarzanie zapowiedzi słownych,

  • przekierowywanie połączeń,

  • wirtualne sieci wydzielone,

  • identyfikacja abonenta dzwoniącego CLIP,

  • poczta głosowa.

System sygnalizacji SS7 jest zorganizowany warstwowo, podobnie jak model OSI. Istnieją cztery warstwy tej sieci które odpowiadają siedmiu warstwom modeli ISO/OSI. Trzy pierwsze warstwy tej sieci to:

• łącze sygnalizacyjne

• przęsło sygnalizacyjne

• sieć sygnalizacyjna

Pierwsze trzy warstwy tworzą część transferu wiadomości MTP (Message Transfer Part). Związane są z niezawodnością transmisji i rozdziałem wiadomości sygnalizacyjnej pomiędzy punktami sygnalizacyjnymi SS7.

MTP jest budowane zgodnie z modelem określonym dla systemów otwartych według ISO. Składa się z trzech warstw:

• fizyczny kanał sygnalizacyjny,

• łącze sygnalizacyjne,

• sieć sygnalizacyjna;

Łącze sygnalizacyjne odpowiada warstwie fizycznej modelu ISO/OSI, więc określa ona fizyczne parametry łącza pomiędzy punktami sygnalizacyjnymi a sąsiadującymi punktami transferu danych. Przęsło sygnalizacyjne odpowiada za zarządzanie sposobami wymiany informacji za pomocą szeregowania wiadomości. Wiadomości mają przypisane szeregowe wartości i ponumerowane sekwencje oraz posiadają detekcję błędów w odebranych pakietach. Warstwa trzecia – sieć sygnalizacyjna zajmuje się dystrybucją wiadomości pomiędzy punktami sygnalizacyjnymi w sieci sygnalizacyjnej. MTP wraz z częścią sterującą połączeniami sygnalizacyjnymi SCCP (Signaling Connection Control Part) stanowią część usługową sieci Network Service Part i odpowiadają za zestawienia połączeń sygnalizacyjnych.

Część SCCP jest konsekwencją potrzeby dysponowania w sieci inteligentnej mechanizmami przekazywania danych w postaci krótkich pakietów np: pakietów, datagramów. TCAP jest protokołem pomiędzy węzłami sygnalizacyjnymi systemu nr 7 używanym łącznie z częścią transferu wiadomości - SCCP oraz częścią sterowania połączeniami sygnalizacyjnymi – MTP

w celu przekazywania informacji niezwiązanej z połączeniami zestawianymi metodami komunikacji łączy. TCAP wykorzystuje usługi MTP i SCCP i w przyszłości przewiduje się możliwość korzystanie z innej usług sieciowych. Głównymi funkcjami ISUP są zestawienie i rozłączanie połączeń abonentów sieci ISDN telefonicznych i nietelefonicznych oraz

realizacja usług dodatkowych, np.: sygnalizacji użytkownik - użytkownik.

TUP zajmuje się zestawianiem i rozłączaniem połączeń abonentów sieci telefonicznych.

W celu zarządzania łączami i drogami sygnalizacyjnymi w sieci sygnalizacyjnej oraz zapewnienia odpowiedniej jakości obsługi w przypadku uszkodzeń łączy lub węzłów, a także wystąpień przeciążeń sieci, część zarządzania siecią sygnalizacyjną w poziomie trzecim, realizuje się trzy podstawowe funkcje :

• zarządzanie ruchem sygnalizacyjnym (signalling traffic Management),

• zarządzanie łączami sygnalizacyjnymi (signalling link management),

• zarządzanie drogami sygnalizacyjnymi (signalling route Management);

Procedury zarządzania ruchem powinny być realizowane w taki sposób, aby nie doszło do utraty lub zmiany kolejności przesyłanych wiadomości sygnalizacyjnych. Niemniej jednak, w pewnych przypadkach może zaistnieć sytuacja, gdy niektóre wiadomości

sygnalizacyjne zostaną utracone, doprowadzi to do niezestawienia pewnych połączeń w sieci.

Łącza sygnalizacyjne (signalling link), którymi przesyłane są wiadomości sygnalizacyjne, tworzą logicznie niezależną sieć zwaną siecią sygnalizacyjna. Oprócz łączy w skład tej sieci

wchodzą także węzły. Rozróżnia się dwa rodzaje węzłów sygnalizacyjnych: punkty sygnalizacyjne SP (signalling points) oraz punkty transferu sygnalizacji (signalling transfer points). Węzły, które są połączone między sobą bezpośrednio łączami sygnalizacyjnymi , nazywane są węzłami sąsiednimi. Na ogół dwa sąsiednie węzły połączone są z więcej niż jednym łączem sygnalizacyjnym. Wszystkie takie łącza nazywa się wiązka (link set). W wiązce rozróżniane mogą być grupy łączy sygnalizacyjnych. Wszystkie łącza danej grupy maja te same charakterystyki transmisyjne.

Struktura sieci sygnalizacyjnych i sposób jej projektowania w dużym stopniu wynikają z dużych wymagań niezawodnościowych związanych z dostępem łączy sygnalizacyjnych. Między innymi wymagane jest, aby czas niedostępności jakiejkolwiek drogi

sygnalizacyjnej pomiędzy dwoma SP nie przekraczał 10 minut rocznie. Z tego względu stosuje się podwajanie łączy sygnalizacyjnych oraz łączenie STP w pary i czwórki. W przypadku normalnej pracy łącza C nie są wykorzystywane. Pomiędzy parą SP istnieją wtedy cztery drogi sygnalizacyjne przez cztery wiązki łączy B. należy podkreślić, że są to drogi sygnalizacyjne.

Aby uwzględnić szeroki zakres zastosowań przewidywanych dla systemu sygnalizacji, zaprojektowano go w funkcjonalnie modularny. Jedną z podstawowych zalet systemu sygnalizacji nr 7 jest oddzielenie i uniezależnienie funkcji przesyłania (transferu)

wiadomości sygnalizacyjnej, które to funkcje należą do części transferu wiadomości, od zastosowań systemu do realizacji konkretnych usług, czyli od tak zwanej części użytkownika.

Wiadomości sygnalizacyjne są przenoszone w postaci jednostek sygnalizacyjnych. Zdefiniowano trzy rodzaje jednostek sygnalizacyjnych:

• jednostkę wiadomości MSU (massage signal unit),

• jednostkę statusu łączenia LSSU (link status signal unit),

• jednostkę wypełniającą FISU (fill-in signal unit);

Typy wiadomości:

• Wiadomości związane z zestawianiem połączenia (ang. call-establishment messages),

• Wiadomości związane z fazą informacyjną (ang. call-information-phase messages),

• Wiadomości związane z rozłączaniem (ang. call-clearing messages),

• Wiadomości różne (ang. miscellaneous messages),

• Wiadomości definiowane przez operatora (ang. nationally-specified messages);

Ogólna budowa jednostki sygnalizacyjnej:

Następne pola w jednostce sygnalizacyjnej zajmują numery kolejne “w przód” FSN i “wstecz” BSN oraz związane z nimi bity wskaźnikowe “w przód” FIB i “wstecz” BIB. Są one wykorzystywane w celu potwierdzania poprawnie odebranych ramek lub żądania powtórzenia ramek odebranych błędnie. Służą także do sprawdzania właściwej kolejności odbieranych ramek oraz występowania powtórzeń lub utraty ramek. Pola te występują we wszystkich jednostkach sygnalizacyjnych, jednakże odnoszą się tylko do jednostek wiadomości MSU. Pozostałe typy jednostek zawierają numery FSN ostatnio nadanej jednostki MSUoraz numer BSN ostatnio odebranej poprawnie jednostki MSU.

Flaga

Każda jednostka sygnalizacyjna zaczyna się i kończy 8-bitowm polem flagi o wzorze 01111110. Wzór ten nie może się powtarzać w pozostałych częściach ramki. Dlatego też po każdej sekwencji kolejnych jedynek wprowadzany jest bit 0, który po stronie odbiorczej jest następnie usuwany. Jednostki, które pomiędzy flagami nie zawierają całkowitej liczby bajtów, zawierają mniej niż 5 bajtów lub więcej niż 278 bajtów pomiędzy flagami, uważane są za błędne i odrzucane przez odbiornik.

Wskaźnik długości LI

Kolejne sześć bitów jednostki sygnalizacyjnej zajmuje wskaźnik długości LI. Określa on liczbę bajtów występujących w jednostce sygnalizacyjnej między polami LI i FCS i służy jednocześnie do oznaczania rodzaju wiadomości. Dla jednostek wiadomości wskaźnik LI przyjmuje wartości od 3 do 63, dla LSSU- wartość 1 lub 2 oraz wartość 0 - dla FISU.

Zawartość pola informacyjnego

W jednostce FISU pole wiadomości nie występuje. W jednostce LSSU pole informacyjne zawiera pole stanu, które przenosi informacje dotyczące aktualnego stanu łącza sygnalizacyjnego. Jednostki MSU w polu informacyjnym niosą wiadomości otrzymywane od poziomu 3.

Pole kontrolne FCS

Pole kontrolne ramki FCS zawiera kod kontrolny umożliwiający po stronie odbiorczej weryfikację poprawności odbioru jednostki sygnalizacyjnej.

Budowa jednostki sygnalizacyjnej FISU

• Jednostki FISU przesyłane są wtedy, gdy nie ma żadnych innych jednostek sygnalizacyjnych do przesłania.

• Jednostki FISU podlegają detekcji błędów w celu monitorowania jakości transmisji w łączu sygnalizacyjnym.

• Jednostki FISU zawierają informacje o potwierdzeniu odebranych jednostek sygnalizacyjnych.

W jednostkach wypełniających pole informacyjne nie występuje

w ogóle, tzn. bezpośrednio po polu LI występuje pole sekwencji

Kontrolnej FCS.

Budowa jednostki sygnalizacyjnej LSSU

• Jednostka stanu łącza LSSU wykorzystywana jest do przesyłania informacji o stanie łącza sygnalizacyjnego .

• Jednostka LSSU zamiast pola informacyjnego zawiera pole stanu łącza (informacja służbowa poziomu 2).

Pole statusu łącza w jednostce LSSU

W jednostkach statusu łącza pole informacyjne nazywa się polem statusu łącza SF. W polu tym umieszczane są aktualne informacje dotyczące danego statusu łącza (stopień natłoku, sprawność łącza, łącze testowane itp.). Pole statusu łącza jest w tej chwili polem jednobajtowym, w którym wykorzystywane są trzy bity.

Zdefiniowano sześć jednostek stanu łącza:

O - brak synchronizacji - przesyłana gdy łącze sygnalizacyjne nie jest zsynchronizowane;

N - synchronizacja normalna ;

E - synchronizacja awaryjna - jednostki N i E wykorzystywane są przez procedurę

synchronizacji łącza, które uruchamiana jest przed wprowadzeniem łącza do pracy (w celu sprawdzenia jakości transmisji w łączu sygnalizacyjnym) ;

OS - łącze uszkodzone - przesyłana gdy łącze sygnalizacyjne jest uszkodzone ;

PO - uszkodzenie procesora - przesyłana w celu poinformowania drugiej strony o uszkodzeniach poziomów 3 lub 4;

B - łącze zajęte - przesyłana w przypadku przeciążenia po stronie odbiorczej (na przykład przepełnienie bufora odbiorczego);

Ogólna budowa wiadomości ISUP

Wiadomość ISUP umieszczana jest w polu informacyjnym SIF jednostki sygnalizacyjnej MSU.

Na początku umieszczona jest etykieta kierowania RL. Dalej wiadomość zawiera identyfikator łącza danych, którego wiadomość dotyczy. Wiadomości przesyłane są w powiązaniu z łączem danych, którego identyfikator został umieszczony w polu CIC. Dotyczy zatem połączenia, które tym łączem jest lub będzie realizowane – łącze to jest automatycznie zajęte dla tego połączenia. Następny bajt określa typ wiadomości ISUP, po którym w wiadomości umieszczone są parametry. Parametry te dzielą się na parametry obowiązkowe o stałej długości, o zmiennej długości oraz parametry opcjonalne.