Verbeterd telecommunicatienetwerk en cellulair eindapparaat en schakelaar daarbij toegepast.
De huidige uitvinding heeft betrekking op een verbeterd telecommunicatienetwerk.
De huidige telecommunicatiemarkt is zoals bekend opgebouwd rond drie succesvolle telecommunicatienetwerken en de ermee geassocieerde diensten, namelijk de vaste telefonie, de cellulaire telefonie en het internet.
Elk van deze drie bekende telecommunicatienetwerken is gebaseerd op een speciaal voor dat netwerk aangelegde infrastructuur, waarbij de infrastructuur voor elk netwerk in hoofdzaak bestaat uit vijf onderdelen, met name:
- eindapparaten voor de eindgebruikers, zoals telefoons voor vaste telefonie, cellulaire telefoons, zoals GSM's, persoonlijke computer en dergelijke;
- schakelaars voor vaste telefonie en voor cellulaire telefonie en routers voor het internet;
- transmissie-infrastructuur tussen de schakelaars of routers;
- een toegangsnetwerk dat de verbinding vormt tussen de laatste schakelaar en de gebruiker, dat voor internet en telefonie typisch bestaat uit gevlochten paren, coaxiale kabel, optische vezel of radio, welk toegangsnetwerk eventueel actieve componenten voor onder andere multiplexering van meerdere kanalen op één fysische drager omvat en dat voor cellulaire telefonie bestaat uit een radioverbinding over cellulaire base stations en opnieuw eventueel actieve componenten voor onder andere multiplexering; en,
een intelligentie in de vorm van functionaliteiten, zoals onder meer facturatie en diensten met toegevoegde waarde zoals doorschakelen, terugbellen en dergelijke meer.
Er bestaat een markt voor elk van deze drie bekende telecommunicatienetwerken en hun geassocieerde diensten, waarbij de vaste telefonie voornamelijk gebruikt wordt voor spraak aan hoge kwaliteit met een relatief lage kost, terwijl de cellulaire telefonie eerder geschikt is voor mobiele spraak aan een hogere kostprijs maar vaak met een lagere kwaliteit en terwijl internet eerder van toepassing is voor toegang tot informatie en diensten die op het internet worden aangeboden.
Een nadeel van zulke afzonderlijke netwerken is dat de ontwikkeling en het onderhoud van drie parallelle netwerken een dure zaak is voor de operatoren die deze netwerken uitbaten.
Een ander nadeel is dat het gebruik van afzonderlijke netwerken evenmin praktisch is voor de eindgebruiker, die voor elk netwerk een apart abonnement, een apart en specifiek eindapparaat, en dergelijke nodig heeft.
Het internet protocol (IP) wordt gezien als de technologie bij uitstek die een belangrijke rol zal spelen bij de convergentie van de drie telecommunicatienetwerken. IP wordt vaak voorgesteld als de unieke technologie die al onze telecommunicatienoden zal kunnen lenigen.
Inderdaad, de wereld van het internet zet vandaag de eerste stappen in de richting van convergentie met de introductie van internettelefonie of IP-telefonie of zogenaamde "voice over IP" (VoIP). Internettelefonie is een stap in de richting van convergentie van internet en telefoniediensten, zelfs met inbegrip van mobiele telefoniediensten met internettelefonie over draadloze lokale netwerken.
De oplossingen voor internettelefonie die vandaag in ontwikkeling zijn, hergebruiken bepaalde bestaande onderdelen van de internetinfrastructuur, namelijk de transmissiefaciliteiten; de faciliteiten voor routering en de voornoemde lokale lus.
Naast het hergebruik van bestaande internet infrastructuur vragen de huidige oplossingen voor internettelefonie echter ook de introductie van nieuwe infrastructuur, die specifiek is voor de internettelefonie en die zowel specifieke hardware als specifieke software betreft, die samenwerkt met bepaalde specifieke hardware of software eindapparaten die minstens één van de internet telefonie standaarden ondersteunt, zoals H.323, SIP (Session Initiation Protocol), MGCP (Media Gateway Control Protocol), en dergelijke, en met specifieke intelligentie voor oproepbeheer, met andere woorden voor het tot stand brengen, onderhouden en afbreken van een verbinding en specifieke intelligentie voor authenticatie; encryptie;
"roaming"; "interfacing" naar de bestaande netwerken, zoals "gateways" naar een vast telefonie netwerk,...; diensten met toegevoegde waarde zoals doorschakelen, wisselgesprek, en dergelijke; taxatie en facturatie.
De huidige uitvoeringswijzen en voorstellen voor inte.rnettelefonie leiden dus niet tot convergentie op de gebieden van eindapparatuur en intelligentie zodat nog steeds aparte eindapparatuur en intelligentie noodzakelijk is.
De huidige uitvinding heeft tot doel aan één of meer van de voornoemde en andere nadelen een oplossing te bieden.
Hiertoe betreft de uitvinding een verbeterd telecommunicatienetwerk dat in hoofdzaak bestaat uit eindapparaten, schakelaars of routers, toegangsnetwerken tussen eindapparaten en schakelaars of routers, een transmissie-infrastructuur die de schakelaars of routers onderling met elkaar kan verbinden, waarbij één of meer schakelaars cellulaire schakelaars zijn van een cellulair netwerk en één of meer eindapparaten cellulaire eindapparaten zijn van een cellulair netwerk die voorzien zijn van een radio-interface en intelligentie waarmee zij over een toegangsnetwerk een radioverbinding met een cellulaire schakelaar kunnen tot stand brengen,
daardoor gekenmerkt dat één of meer schakelaars en één of meer cellulaire eindapparaten zijn voorzien van een internetinterface die toelaat dat een betreffend cellulair eindapparaat via internet met een betreffende schakelaar wordt verbonden om via de voornoemde transmissie-infrastructuur en toegangsnetwerk een telecommunicatieverbinding met een ander eindapparaat tot stand te kunnen brengen.
Aldus bekomt men een hybride netwerk waarbij men voor een telecommunicatieverbinding tussen een cellulair eindapparaat en een ander eindapparaat, al dan niet cellulair, niet langer beperkt is tot de klassieke dure verbinding over het cellulaire radio-interface, maar dat deze telecommunicatie tevens via een goedkopere internetverbinding tot stand kan worden gebracht.
Bij voorkeur wordt de intelligentie die in het cellulaire netwerk wordt gebruikt, meer speciaal in de cellulaire eindapparaten en/of in de cellulaire schakelaars, tevens minstens gedeeltelijk gebruikt bij de verbinding over het internet tussen een cellulair eindapparaat en een schakelaar.
Meer speciaal wordt bij voorkeur de intelligentie die in het cellulaire netwerk wordt gebruikt voor het oproepbeheer, met andere woorden voor het tot stand brengen, het in stand houden en het afbreken van een verbinding met een ander eindapparaat, tevens gebruikt voor het oproepbeheer en dus het tot stand brengen, in stand houden en afbreken van de verbinding over het internet.
Meer speciaal nog wordt de intelligentie die in het cellulaire netwerk wordt gebruikt voor één of meer functionaliteiten van het cellulaire netwerk ook gebruikt voor gelijksoortige functionaliteiten bij gebruik van het internet, namelijk:
- intelligentie voor het mobiliteitsbeheer voor de identificatie, authenticatie en lokalisatie binnen het netwerk;
- intelligentie voor broncodering, waarbij het spraaksignaal digitaal wordt gecodeerd en gecomprimeerd en bij ontvangst terug wordt omgezet naar een analoog spraaksignaal;
- intelligentie voor encryptie of versleuteling van de gezonden boodschappen om deze onherkenbaar te maken voor derden en decryptie of ontcijfering met een gepaste sleutel van de ontvangen boodschappen;
- intelligentie voor de zogenaamde "handover" die bij verplaatsingen langs de cellen van het cellulair netwerk zorgt voor het overschakelen van één cel van het netwerk naar een volgende cel van het netwerk zonder dat daarbij de communicatie wordt onderbroken;
- intelligentie voor de zogenaamde "roaming" die aan een abonnee van een cellulair netwerk de mogelijkheid biedt om overal op dat netwerk en op andere netwerken waarmee een "roaming" overeenkomst bestaat, te kunnen bellen en gebeld te worden;
- intelligentie voor interfacing naar bestaande netwerken, bijvoorbeeld via zogenaamde "gateways" naar een vast telefonienetwerk of dergelijke;
- intelligentie met betrekking tot diensten met toegevoegde waarde zoals doorschakelen, wisselgebruik, en dergelijke;
- intelligentie voor taxatie en facturatie van de communicatie.
In tegenstelling tot de huidige standaarden voor internettelefonie (H.323, SIP,...) vraagt deze hybride oplossing bijgevolg geen introductie van nieuwe intelligentie in eindapparatuur en netwerk. Mits beperkte wijzigingen kan de intelligentie van bestaande eindapparatuur en netwerken herbruikt worden.
De hier beschreven uitvinding maakt het dus mogelijk om een stap verder te gaan op de weg naar een geïntegreerde infrastructuur door internettelefonie aan te bieden op een platform waarin niet alleen schakelaars/routers, transmissie-infrastructuur en lokale lus van bestaande infrastructuur worden hergebruikt, maar ook de eindapparatuur en de intelligentie van cellulaire netwerken.
Een dergelijk verbeterd netwerk volgens de uitvinding kan de basis leveren voor spraakdiensten, maar ook voor datadiensten.
Deze uitvinding, die uitmondt in een hybride IP-cellulair netwerk, laat hergebruik toe van de cellulaire communicatie-protocols, meer speciaal vanaf laag 3 en hoger, terwijl de internet-infrastructuur, meer speciaal de lagen 1 tot en met 3, gebruikt wordt voor transparant transport van de gegevens behorende bij die communicatieprotocols, evenals voor transport van gebruikersgegevens.
Dit hergebruik van cellulaire intelligentie leidt tot goedkope geïntegreerde eindapparaten die toegang geven tot het cellulaire netwerk, zowel over de standaard radio interfaces, als over het internet.
Daarnaast leidt het tot een efficiënter en intenser gebruik van de kern van het cellulaire netwerk, doordat er, naast de cellulaire radiotoegang die duur is wegens de beperkte beschikbaarheid van radiospectrum, ook een goedkopere internettoegang beschikbaar is.
De uitvinding heeft tevens betrekking op een cellulair eindapparaat en op een cellulaire schakelaar die geschikt zijn om gebruikt te kunnen worden in een verbeterd communicatienetwerk zoals hiervoor beschreven.
Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeurdragende uitvoeringsvorm beschreven van een verbeterd telecommunicatienetwerk volgens de uitvinding, met verwijzing naar de bijgaande tekeningen, waarin:
figuur 1 schematisch een verbeterd telecommunicatienetwerk volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 een telecommunicatieverbinding weergeeft die via het internet wordt gerealiseerd met een netwerk zoals weergegeven in figuur 1; figuren 3 en 4 een variante weergeeft van figuur 2; figuur 5 schematisch een geografische spreiding weergeeft van een telecommunicatienetwerk volgens de uitvinding.
In figuur 1 is een vereenvoudigd verbeterd telecommunicatienetwerk 1 volgens de uitvinding weergegeven dat in dit geval, bij wijze van voorbeeld uitsluitend is gebaseerd op de telefoniedienst aangeboden via de GSM cellulaire standaard.
Het is echter duidelijk dat de uitvinding ook toegepast kan worden op andere diensten, zoals video-communicatie, en op andere types van cellulaire netwerken, zoals UMTS
(universal mobile telecommunications system), CDMA (code division multiple acces) en dergelijke.
In wat volgt, wordt voornamelijk gebruik gemaakt van in de telecommunicatie gebruikelijke Engelstalige termen en hun bijhorende afkortingen die voor de vakman duidelijk zijn en die meer in detail worden beschreven in het referentiewerk getiteld "Mobile radio networks, networking and protocols" van de auteur Bernhard H. Walke, uitgegeven in 1999 door John Wiley and Sons Ltd, onder het nummer ISBN 0-471-975958 en in de GSM-standaarden van het "European Telecommunication Standards Institute" (ETSI).
Het netwerk 1 van figuur 1 bestaat uit een GSM cellulair netwerk dat zoals bekend in hoofdzaak is opgebouwd uit eindapparaten 2A-2B in de vorm van zogenaamde "mobile stations" (MS), bijvoorbeeld in de vorm van GSM-toestellen; uit cellulaire schakelaars 3A-3B in de vorm van zogenaamde "mobile-servives switching centers" (MSC) die onderling met elkaar zijn verbonden door middel van een transmissieinfrastructuur 4; en uit zogeheten "base station systems" (BSS) 5A-5B die de toegangsnetwerken verzorgen tussen de eindapparaten 2 (MS) en de schakelaars 3 (MSC).
De schakelaars 3 (MSC) zijn voorzien van een zekere intelligentie 6 in de vorm van software of dergelijke die onder meer gebruikt wordt voor het realiseren van de verbindingen tussen de schakelaars 3 (MSC) en de "base station systems" 5 (BSS). De intelligentie 6 is geïntegreerd in de hardware/software van de schakelaar 3
(MSC), of in de randapparatuur 3' van de schakelaar 3 (MSC) die in figuur 1 in streeplijn is weergegeven en die onder andere databanken zoals VLR en HLR, taxatiesystemen, intelligente netwerk servers die voorzien zijn in Camel, en dergelijke bevat.
Iedere schakelaar 3 (MSC) groepeert een aantal base station systems 5 (BSS) die elk op hun beurt een aantal basisstations 7 of zogenaamde "base tranceiver stations"
(BTS) bevatten in de vorm van antennestations die via een centrale zogenaamde "base station controller" 8 (BSC) in verbinding staan met een voornoemde cellulaire schakelaar 3
(MSC) en die ieder een geografisch gebied of cel van het cellulaire netwerk bestrijken en zodanig geografisch zijn verspreid dat, door overlapping van de cellen, een volledige dekking van een grondgebied bekomen kan worden.
De cellulaire eindapparaten 2 (MS) zijn zoals bekend voorzien van een radio-interface 9 en van een intelligentie
10 in de vorm van software of dergelijke die toelaat dat er een radioverbinding 11 tot stand kan worden gebracht en onderhouden worden tussen een betreffend cellulair eindapparaat 2 (MS) en een naburige schakelaar 3 (MSC) en dit over een base station system 5 (BSS).
Volgens de uitvinding zijn de cellulaire eindapparaten 2 bijkomend uitgerust met een internet-interface 12, de zogenaamde "mobile station internet interface" (MSII) en zijn de schakelaars 3 (MSC) gekoppeld aan een bijkomende internet-interface 13, of zogenaamde "mobile-services switching center internet-interface" (MSCII), waarbij de intelligentie 10 van het eindapparaat 2 het mogelijk maakt om via een internettoegang 15' over het internet 14 een verbinding 15 tot stand te brengen tussen het betreffende eindapparaat 2 (MS) en de schakelaar 3 (MSC) en dit via de internet-interface 12-13 van beide toestellen 2-3.
De internet-interface 12 (MSII) van de eindapparaten 2 (MS) levert onder andere de diensten op fysische laag 1 en op de datalink laag 2, waarlangs een verbinding tussen het eindapparaat 2 (MS) en het internet 14 gerealiseerd kan worden. In een typische uitvoering kan dit deel van de internet-interface 12 (MSII) de vorm aannemen van een ethernet-interface over een gevlochten paar of van een draadloze LAN-interface.
De internet-interface 13 (MSCII) van de schakelaar 3 (MSC) levert op analoge wij ze diensten voor de lagen 1 en 2 van het internet 14. In een typische uitvoering zal de interface 13 (MSCII) gebaseerd worden op een 34 of 155 megabits per seconde (Mbps) verbinding en kan de interface uitgevoerd zijn als een afzonderlijk toestel of als een toestel dat is geïntegreerd in de betreffende schakelaar 3 (MSC) en dat is verbonden met de schakelaar 3 (MSC) via een connectie 16 over een standaard A-interface, zoals gedefinieerd in de GSM-standaard GSM 03.02.
Het gebruik van dergelijk telecommunicatienetwerk 1 is als volgt.
Wanneer de gebruiker van een eerste cellulair eindapparaat 2A (MS) een gesprek wenst te voeren met een gebruiker van een tweede cellulair eindapparaat 2B (MS), kan dit gebeuren door contact te leggen met het cellulaire netwerk via de klassieke radio-verbinding 11 of naar keuze via een internetverbinding 15 met de dichtstbijzijnde schakelaar 3A
(MSC). De communicatie verloopt dan verder via de transport-infrastructuur 4 en een schakelaar 3B (MSC) in de nabijheid van de opgeroepen gebruiker en zo tot aan het tweede eindapparaat 2B (MS), hetzij via een klassieke radio-verbinding 11, hetzij via een internetverbinding 15.
Om communicatie tussen eindapparaat 2 (MS) en schakelaar 3
(MSC) over het internet 14 mogelijk te maken, moeten er, buiten het feit dat het eindapparaat 2 (MS) en de schakelaar 3 (MSC) met internet-interfaces 12 (MSII) en 13
(MSCII) dienen uitgerust te zijn, nog een aantal beperkte aanpassingen gemaakt te worden aan de standaard GSM eindapparaten 2 (MS) en -schakelaars 3 (MSC). Deze aanpassingen betreffen voornamelijk de volgende functionaliteiten:
- de transmissie van spraak;
- de transmissie van signalisatie;
het mobiliteitsbeheer (Mobility Management);
de oproepcontrole (Call Control);
encryptie/decryptie;
taxatie;
gebruik binnen bedrijfsgebouwen;
de uitbreiding naar datatoepassingen; en
handovers.
Hierna gaan we dieper in op elk van de voornoemde functionaliteiten.
Een eerste soort aanpassingen heeft betrekking op de transmissie van spraak.
De transmissie van spraak over de radioverbinding 11 gebeurt op de volgende bekende wijze:
- de microfoon geïntegreerd in het oproepende eindapparaat 2A (MS) genereert een analoog spraaksignaal dat digitaal wordt gecodeerd en gecomprimeerd, wat broncodering wordt genoemd;
- daarna wordt de broncode door zogenaamde kanaalcodering aangepast voor transmissie over een onbetrouwbaar radiokanaal, waarbij bits worden toegevoegd die toelaten om transmissiefouten te detecteren en eventueel te corrigeren;
- "interleaving" of vermenging van bits vindt plaats, wat erop neerkomt dat opeenvolgende bits uit de kanaalcode verdeeld worden over verschillende pakketjes die elk tijdens een korte uitbarsting (in het Engèls "burst") over het radio-interface 9 verzonden worden, waarbij door de verdeling van opeenvolgende bits over verschillende radio-bursts de schade bij het verlies van de gegevens van één burst beperkt wordt;
na vermenging wordt de resulterende bitstroom geëncrypteerd om de confidentialiteit van de gesprekken te kunnen garanderen; en,
voor de transmissie vindt er een radio formattering plaats waarbij de bitstroom afgeleverd door de encryptie-module wordt verdeeld in pakketjes van 57 bits en waarbij twee van dergelijke pakketjes worden gecombineerd met een 26 bits training sequentie, met 3 bits om het begin van het pakket aan te duiden, met 3 bits om het einde van het pakket aan te duiden en met nog twee controle bits om een elementair pakket van
148 bits voor burst-transmissie over het radiokanaal.
Dezelfde bewerkingen als hiervoor beschreven, worden natuurlijk ook toegepast op inkomende spraaksignalen in het opgeroepen eindapparaat 2B (MS), maar dan in omgekeerde volgorde:
- decryptie;
- ontmenging;
- decoderen van de kanaalcode;
- decoderen van de broncode (digitaal naar analoog omzetting); en,
- aflevering van het analoge signaal aan de luidspreker van het eindapparaat 2B.
Voor de transmissie van spraak over het internet 14 dienen de volgende aanpassingen gemaakt te worden aan de eindapparaten 2 (MS):
- in een typische uitvoering kan de kanaalcodering achterwege gelaten worden in geval van transmissie over het internet 14, aangezien de extra bits een te zware belasting met zich meebrengen voor gebruik op het internet en deze extra bits minder noodzakelijk <EMI ID=1.1>
- de radio-formatering wordt vervangen door een internet-formattering, waarbij de bitstroom, afgeleverd door de encryptie, wordt verdeeld in pakketjes die typisch 10 tot 20 milliseconden spraak coderen en waarbij deze pakketjes worden opgenomen in zogenaamde "RTP-messages" (real time transport protocol), die opgenomen worden in zogenaamde "UDPsegmenten" (user datagram protocol), die getransporteerd worden door "IP-datagrammen" .
Aan de zijde van de schakelaars 3 (MSC) dienen de volgende aanpassingen voorzien te worden:
- er dient een internet-formattering voorzien te worden voor de implementatie van de RTP/UDP/IP stacks;
- het brongecodeerde signaal wordt niet omgezet in een analoog spraaksignaal, maar in een 64 kilobits per seconde (kbps) digitaal spraaksignaal compatibel met het A-interface zoals gedefinieerd in de standaard GSM
03.02.
Een tweede soort aanpassingen heeft betrekking op het mobiliteitsbeheer en op de oproepcontrole die beide vervat zijn in de GSM standaard voor transmissie van signalisatie, meer speciaal alle andere signalen dan deze die betrekking hebben op spraak en die nodig zijn bij een communicatie over een cellulair netwerk, meer in het bijzonder een GSMnetwerk.
De GSM standaard kent meer bepaald een drielagig protocol referentiemodel dat gedefinieerd is in de ETSI standaard documenten GSM 04.07 en GSM 04.08, namelijk:
- een bovenste laag voor het oproepbeheer of zogenaamd "Call Management" (CM);
- een middelste laag voor het mobiliteitsbeheer of het zogenaamd "Mobility Management" (MM); en,
- een onderste laag voor het beheer van radiomiddelen of het zogenaamd "Radio Resource Management" (RRM).
De laag voor het oproepbeheer of "Call Management" (CM) bevat zelf drie sublagen, namelijk:
- een sublaag voor oproepcontrole of zogenaamde "Call Control" (CC) die gebruikt wordt voor het tot stand brengen, het onderhouden en het beëindigen van circuit-gebaseerde oproepen;
- een sublaag voor berichtdiensten (SMS); en,
- een sublaag voor diensten met toegevoegde waarde of zogenaamde "Supplementary services", waarvan, voor het hier besproken voorbeeld met betrekking tot telefoniediensten, enkel de sublaag voor oproepcontrole of "Call Control" (CC) verder van belang is.
Bij het vervangen van het radio-interface 9 door het internet-interface 12 (MSII), wordt de voornoemde RRM-laag niet langer gebruikt en wordt ze vervangen door het beheer van zogenaamde TCP-verbindingen over het internet 14, en door het beheer van de verzending van zogenaamde UDPsegmenten (User Datagram Protocol) over het internet 14.
Over het internet 14 worden de lagen voor het mobiliteitsbeheer (MM) en voor de oproepcontrole (CC) gebruikt, zoals in standaard GSM-netwerken.
Hiervoor zijn wel enkele aanpassingen van de functionaliteiten binnen deze twee lagen noodzakelijk.
Deze aanpassingen worden hierna meer in detail besproken in twee afzonderlijke rubrieken.
Een eerste rubriek heeft betrekking op de aanpassingen in de laag voor mobiliteitsbeheer (MM).
Telkens een cellulair eindapparaat 2A (MS) een verbinding maakt met het internet 14, moet dit eindapparaat 2A (MS) de mogelijkheid hebben om zichzelf te identificeren, te authentiseren en te lokaliseren om duidelijk te maken waar het zich bevindt op het netwerk.
Zodra de verbinding met het internet 14 gemaakt is, zal het cellulair eindapparaat 2A (MS) het initiatief nemen om zichzelf te identificeren bij de dichtstbijzijnde schakelaar 3A (MSC) op het internet 14.
De dichtstbijzijnde schakelaar 3A (MSC) kan gevonden worden door toepassing van één van de methodes gedefinieerd in de ITU-aanbeveling H.510 (Mobiliteit voor multimedia systemen en diensten op basis van H.323).
Eén van deze methodes is gebaseerd op "multicast" waarbij een verzoek met een korte TTL ("Time To Live") wordt verzonden naar het groepsadres van een groep servers en waarbij, door de waarde van de TTL te vergroten, men kan zoeken in steeds groter wordende cirkels.
Volgens een alternatieve methode kan men DNS (Domain Name System)-gebaseerde technieken gebruiken, zoals toegepast door de operatoren van "inhoud afleverende netwerken" of zogeheten "Content Distribution Networks" (CDNs) om de dichtstbijzijnde "streaming media" server te identificeren. Zulke technieken worden beschreven in de publicatie "Computernetwerken , een top-down benadering" door James F. Kurose en Keith W. Ross, 2003 Pearson Education Benelux, ISNB 90 4030 08060.
Eens de dichtstbijzijnde schakelaar 3A (MSC) gevonden is, kunnen de procedures uit de GSM-laag voor mobiliteitsbeheer
(MM) worden toegepast, met name:
- registratie kan gebeuren door de "IMSI Attach"procedure te laten lopen waardoor het eindapparaat 2A
(MS) als beschikbaar op het netwerk wordt geïdentificeerd;
- voor authentificatie kan de schakelaar 3A (MSC), eens de schakelaar 3A weet dat het cellulaire eindapparaat 2A (MS) beschikbaar is, een procedure voor authentisering opstarten, op basis, enerzijds, van de gegevens in de SIM van het eindapparaat 2A (MS) en, anderzijds, van gegevens in het zogenaamde "Home Location Register" (HLR) zoals gedefinieerd in de ETSI-standaard GSM 01.02 en waarin de gegevens van de abonnee van het eindapparaat 2A (MS) zijn opgeslagen bij de operator waar de abonnee bij aangesloten is;
na het authentiseren, kan de schakelaar 3A (MSC) een tijdelijk nummer of zogenaamde "temporary mobile subscriber identity" (TMSI) toekennen aan het cellulaire eindapparaat 2A (MS), welk nummer lokaal gebruikt wordt om de identiteit van de mobiele gebruiker confidentieel te houden in daaropvolgende communicaties; en,
vernieuwing van de locatie-informatie "Location update").
Voor wat betreft de laatste procedure voor vernieuwing van de locatie-update zal er een verschil zijn tussen een GSMradioverbinding en een internetverbinding.
Volgens de standaard GSM-procedure:
- wordt de locatie van het cellulaire eindapparaat 2A
(MS) opgeslagen in de SIM onder de vorm van een zogenaamde "location area identity" (LAI);
- wordt, wanneer het cellulaire eindapparaat 2A (MS) aangeschakeld wordt in een nieuwe locatie, de lokale LAI omgeroepen door het basisstation 7 (BTS) op het zogenaamde "broadcast control channel" (BCCH)); en wordt door het eindapparaat 2A (MS) de uitgezonden LAI vergeleken met de LAI in de SIM, waarbij, wanneer beide verschillend zijn, het eindapparaat 2A (MS) de procedure start voor het vernieuwen van de lokatieinformatie.
Wanneer het cellulaire eindapparaat 2A (MS) wordt verbonden via het internet 14, wordt er geen omroep van de lokale LAI ontvangen, zodat de standaard GSM-procedure niet volledig kan worden toegepast.
Om dit probleem op te lossen, wordt volgens de uitvinding het cellulaire eindapparaat 2 (MS) uitgerust met het zogenaamde "dynamic host control protocol" (DHCP) en wordt het concept van LAI uitgebreid tot internetadressen.
De uitbreiding van het concept van LAI naar internetadressen vereist, zowel een aanpassing aan de zijde van het cellulaire eindapparaat 2A (MS) met een implementatie van een nieuw type LAI in de SIM, als aan de zijde van het netwerk met een implementatie van het nieuwe type LAI in het zogenaamde "visitor location register"
(VLR) en het reeds genoemde "home location register" (HLR), waarbij het VLR een databank is die geassocieerd is aan elke cellulaire schakelaar 3 (MSC) en die gebruikt wordt voor het beheer van de GSM-abonnees die zich op een bepaald ogenblik in het gebied van de schakelaar 3 bevinden en bij deze schakelaar 3 zijn geregistreerd.
In het geval van een internetverbinding 15 wordt de locatie-update als volgt gerealiseerd:
- bij het maken van een verbinding tussen het cellulaire eindapparaat 2A (MS) en het internet 14, via kabel of draadloos, krijgt het eindapparaat 2A (MS) een internetadres van de lokale DHCP-server die een onderdeel kan zijn van een LAN-infrastructuur of het eigendom kan zijn van een internet aanbieder;
- het cellulaire eindapparaat 2A (MS) vergelijkt het verkregen internetadres met de LAI opgeslagen in de SIM;
- wanneer het verkregen adres verschilt van de LAI opgeslagen in de SIM, start het eindapparaat 2A (MS) de voornoemde procedure voor vernieuwing van de lokatie-informatie.
In de bovenstaande methode wordt er verondersteld dat het aan het cellulaire eindapparaat 2A (MS) toegekende adres een publiek internetadres is uit het adresbereik dat toegekend is aan een bedrijf of aan een internetaanbieder.
Indien echter niet publieke internetadressen worden gebruikt met zogenaamde "network address translation" (NAT) is bijkomend een poortnummer onderdeel van het adres dat nodig is om het eindapparaat 2A (MS) te localiseren.
In het vervolg van deze bespreking wordt er voor de eenvoud verondersteld dat het eindapparaat 2A (MS) beschikt over een publiek internetadres. Communicatiespecialisten zullen echter begrijpen dat deze uitvinding ook gerealiseerd kan worden met niet publieke internetadressen en NAT, waarbij hiervoor wordt verwezen naar specifieke oplossingen die daartoe worden ontwikkeld door firmabedrijven zoals Ridgeway Systems. Dergelijke specifieke oplossingen zoals beschreven in het Ridgeway patent CN1444815T vallen buiten het domein van deze uitvinding.
Indien het cellulaire eindapparaat 2A (MS) verbonden wordt met een datanetwerk dat zich achter een firewall bevindt, moet een oplossing worden uitgewerkt voor het passeren van de firewall. In een typische configuratie staat een firewall niet toe dat pakketten van buiten het beschermde netwerk naar binnen gaan, tenzij ze geassocieerd zijn met een verbinding die opgezet werd van binnen het beschermde netwerk. Dergelijke typische configuratie belet dat van buiten het beschermde netwerk een oproep gemaakt wordt naar een eindapparaat 2A (MS) binnen het beschermde netwerk. Opnieuw worden specifieke oplossingen daartoe uitgewerkt door firma's, zoals Ridgeway Systems, zoals eveneens beschreven, in het voornoemde Ridgeway patent CN1444815T. Hierna veronderstellen we voor de eenvoud dat het eindapparaat 2A (MS) zich niet achter een firewall bevindt.
Communicatiespecialisten zullen echter begrijpen dat de uitvinding ook gerealiseerd kan worden indien een firewall wel aanwezig is.
Een tweede rubriek heeft betrekking op de aanpassingen in de laag voor het oproepbeheer of "call control" (CC).
De uitwisseling van boodschappen tussen cellulair eindapparaat 2 (MS) en cellulaire schakelaar 3 (MSC) vindt plaats over het internet 14 op dezelfde klassieke manier als die uitwisseling zou plaats vinden over een cellulaire radioverbinding 11, behalve dan dat de boodschappen met betrekking tot toekenning van een radiokanaal vervangen worden door het tot stand brengen van een TCP/IPverbinding voor de signalisatie, namelijk door de volgende stappen zoals deze die uitvoerig beschreven zijn in het voornoemde referentiewerk "Mobile radio networks, networking and protocols" van B. H.
Walcke:
- dienstaanvraag door het eindapparaat 2 (MS) in het geval van uitgaande oproep vanuit het MS of paging en paging antwoord in het geval van oproep naar het MS;
- aanvraag voor authentiseren;
- antwoord op vraag voor authentiseren;
- commando om over te gaan tot vercijfering (ciphering);
- doorvoeren van vercijfering;
- tot stand brengen van verbinding;
- bevestigen van oproep;
- toekenningscommando;
- toekenning doorgevoerd;
- alarmering;
- verbinding; en
- bevestiging van verbinding.
Aan de hand van figuur 2 gaan we nu dieper in op het tot stand brengen van een uitgaande oproep vanaf een eerste cellulair eindapparaat 2A (MS) dat via het internet 14 verbonden is met een eerste schakelaar 3A van een eerste publiek netwerk of zogenaamd "public land mobile netwerk"
(PLMN).
De oproep vanaf het eerste eindapparaat 2A kan gericht zijn aan:
- een gebruiker van het vaste telefonienetwerk, waarbij in.dat geval de schakelaar 3A (MSC) gebruik maakt van het zogenaamde "gateway MSC" (GMSC) van het GSMnetwerk om de oproep door te schakelen naar het vaste telefonienetnetwerk;
- een tweede cellulair eindapparaat 2B (MS) dat via een klassieke GSM-radioverbinding 11 op dat ogenblik geregistreerd is bij een tweede cellulaire schakelaar 3B (MSC) van een tweede publiek netwerk (PLMN); of
- een tweede cellulair eindapparaat 2B (MS) dat via het internet 14 met zulke tweede schakelaar 3B verbonden is en dat bij deze tweede schakelaar 3B van een tweede publiek netwerk is geregistreerd in een databank of zogeheten "visitor location register" (VLR) 18 van de betreffende schakelaar 3B.
Bij wijze van voorbeeld wordt hierna het laatste geval meer in detail beschreven, waarbij een oproep dient tot stand gebracht te worden tussen een eerste oproepend cellulair eindapparaat 2A (MS) en een tweede opgeroepen cellulair eindapparaat 2B (MS) die beide via het internet 14 zijn verbonden met een schakelaar.3A, respectievelijk 3B.
Zoals bekend, zijn de identificatiegegevens van het tweede eindapparaat 2B opgeslagen in een databank, het zogenaamd "home location register" HLR 17, bij de operator van het publiek thuisnetwerk (PLMN) bij wie de gebruiker van dit eindapparaat 2B is geabonneerd, welk thuisnetwerk verschillend kan zijn van de voornoemde eerste twee publieke netwerken.
In het geval van figuur 2 wordt weergegeven hoe een oproep tot stand wordt gebracht in een klassiek GSM-netwerk zonder enige aanpassingen behalve dan de toegang via het internet
14, waarbij volle lijnen duiden op uitwisseling van spraak en signalisatie, terwijl streeplijnen duiden op uitwisseling van signalisatie alleen.
Het tot stand brengen van de oproep gebeurt als volgt:
- de oproeper kiest met het eerste cellulair eindapparaat 2A (MS) het MSISDN nummer van het tweede eindapparaat 2B (MS) van de opgeroepene;
- de signalisatie voor het tot stand brengen van een verbinding wordt over het internet 14 gezonden naar de eerste cellulaire schakelaar 3A (MSC);
- deze eerste schakelaar 3A (MSC) leest de landcode en de nationale bestemmingscode (National Destination Code) binnen het MSISDN, waarbij, op basis van deze informatie, het de operator kent bij wie het tweede cellulair eindapparaat 2B van de opgeroepene geabonneerd is, en stuurt de signalisatie door naar het publieke thuisnetwerk van deze operator, meer speciaal naar het betreffende "home location register" HLR 17 van deze operator, en dit over een transmissieinfrastructuur 4 die over een SS7 (signalling system) netwerk het eerste publiek netwerk (PLMN) met het thuisnetwerk (PLMN) van de opgeroepene verbindt over een intermediaire cellulaire schakelaar 3C (MSC) van het thuisnetwerk van het eindapparaat 2B die toegang geeft tot het HLR 17;
het HLR 17 weet waar de opgeroepen abonnee zich op dat ogenblik bevindt en vraagt aan het "visitor location register" VLR 18 van de tweede schakelaar 3B (MS) om een "mobile station roaming number (MSRN) dat een geografische betekenis bezit en een nummer is dat enkel gekend is binnen het GSM netwerk en dus niet gekend is bij de eindgebruiker;
op basis van het verkregen MSRN zendt de intermediaire cellulaire schakelaar 3C (MSC) de signalisatie verder door naar de tweede schakelaar 3B via een transportinfrastructuur 4 met een SS7-netwerk dat het thuisnetwerk van de opgeroepene verbindt met de schakelaar 2B van het tweede publieke netwerk;
de tweede schakelaar 3B brengt een standaard TCP/IPverbinding via het internet 14 tot stand met het opgeroepen eindapparaat 2B op basis van kennis van het internetadres van het opgeroepen tweede eindapparaat 2B dat opgeslagen is in het voornoemde "visitor location register" VLR 18;
de oproepcontrole (Call Control CC) in het opgeroepen tweede eindapparaat 2B (MS) start de standaard GSMuitwisseling van boodschappen met de schakelaar 3B en, wanneer de oproep aanvaard wordt door het opgeroepen tweede eindapparaat 2B (MS), informeert de tweede schakelaar 3B de eerste schakelaar 3A hiervan, waarbij deze laatste het oproepende eerste eindapparaat 2A alarmeert;
op dat ogenblik kunnen de beide cellulaire eindapparaten 2A en 2B de uitwisseling van spraakinformatie beginnen, waarbij tussen de eindapparaten 2A en 2B (MS) en de respectievelijke schakelaars 3A en 3B (MSC) de spraak wordt gedragen door RTP/UDP/IP-pakketten, terwijl tussen de schakelaars 3A en 3C (MSC) de spraak via de gebruikelijke mobiele netwerken en hun interconnecties wordt overgebracht zoals bij een standaard oproep tussen cellulaire eindapparaten 2A en 2B (MS).
Als er geen veranderingen aangebracht worden aan het tot stand brengen van oproepen en de routering in de GSM netwerken zal transport van het spraaksignaal gebeuren zoals hiervoor beschreven, waarbij in dat geval het internet enkel wordt gebruikt om de flessenhals van de schaarse en dure radiotoegang op te lossen.
Net zoals de implementatie van de huidige GSM netwerken lijdt bovenstaande implementatie onder het zogenaamde trombone-effect waarbij de verbinding steeds over het thuisnetwerk dient te geschieden, niettegenstaande de oproeper en de opgeroepene zich misschien op korte afstand van elkaar bevinden en in eenzelfde netwerk en waarbij bijgevolg, wanneer het thuisnetwerk zich op een ander continent bevindt, de oproep naar het andere continent zal gerouteerd worden en vervolgens naar de plaats waar de opgeroepene zich bevindt.
Toekomstige ontwikkelingen op basis van CAMEL dat een intelligent netwerk is dat voorzien is voor de zogenaamde generatie 2.5 van GSM en een basis vormt voor de derde generatie cellulaire communicatie in de vorm van het zogenaamde "universal mobile telecommunications system"
(UMTS) die de opvolger is van de tweede generatie GSM, zullen helpen om het trombone-effect te voorkomen, waarbij enkel nog de signalisatie het trombone-effect zal ondergaan.
Dit wordt geïllustreerd aan de hand van figuur 3, waarbij in dit geval, via de in streeplijn weergegeven weg van de signalisatie, het internetadres van het opgeroepen tweede cellulair eindapparaat 2B (MS) wordt opgevraagd en doorgegeven aan de schakelaar 3A (MSC) van de oproeper", terwijl vanaf dat ogenblik deze schakelaar 3A de signalisatie en spraak via de in het vet weergegeven weg direct over het internet 14 naar het tweede opgeroepen eindapparaat 2B verstuurt, gebruik makend van RTP/UDP/IP.
Het eerste cellulaire oproepende eindapparaat 2A (MS) zendt de spraak niet rechtstreeks naar het tweede opgeroepen cellulaire eindapparaat 2B (MS), maar over de schakelaar 3A waar de oproeper is geregistreerd. De reden hiervoor is dat de spraak versleuteld is, waarbij de beide eindapparaten 2A en 2B elk hun eigen sleutel gebruiken die slechts gekend is binnen de schakelaar 3 waar ze geregistreerd zijn. In het geval van figuur 3 moet die sleutel via signalisatie doorgegeven worden aan het VLR 19 behorend bij de schakelaar 3A (MSC) van de oproeper, zodat deze schakelaar 3A rechtstreeks over het internet 14 kan communiceren met het tweede opgeroepen eindapparaat 2B.
Bij de uitwisseling van spraak en signalisatie tussen de cellulaire eindapparaten 2A en 2B wordt in de eerste schakelaar 3A van de oproeper een decryptie/encryptie doorgevoerd, zodat elk eindapparaat 2 (MS) zijn eigen versleuteling kan handhaven op basis van de sleutel in zijn SIM.
De overgang van de huidige situatie tweede generatie GSM volgens figuur 2 naar de volgende generatie cellulaire communicatie volgens figuur 3 kan geleidelijk plaatsvinden. Telefonie over het internet vraagt inderdaad de beschikbaarheid van een internet dat voldoet aan bepaalde kwaliteitseisen op gebied van beschikbare bandbreedte, vertraging en verlies van cellen. Bij de introductie van de oplossingen gebaseerd op de hier voorgestelde uitvinding kan de transmissie van spraak over het internet beperkt worden tot de lokale delen, bijvoorbeeld van het oproepende eindapparaat 2A (MS) naar de betreffende schakelaar 3A
(MSC) en van de schakelaar 3B (MSC) van de opgeroepene naar het betreffende eindapparaat 2B (MS). Eens grotere delen van het internet voldoen aan de kwaliteitseisen, wordt geleidelijke migratie naar de situatie van figuur 3 mogelijk.
Zoals duidelijk wordt uit de bespreking van het tot stand brengen van een oproep, speelt het "internet interface" 12
(MSII) van het eindapparaat 2 de rol van zowel cliënt als server, waarbij, bij het maken van een uitgaande oproep het "internet interface" 12 (MSII) de rol speelt van cliënt die het initiatief neemt om een TCP/IP verbinding op te zetten met de dichtstbijzijnde schakelaar 3 (MSC), terwijl bij het ontvangen van een binnenkomende oproep het "internet interface" 12 de rol speelt van server die gedurig luistert naar binnenkomende aanvragen om een TCP/IP-verbinding op te stellen.
Een derde soort aanpassingen heeft betrekking op de versleuteling van de communicatie.
Zoals bekend gebruikt het radiogedeelte van de GSMstandaard een synchrone communicatie die over de radiointerface 9 verloopt. In die synchrone communicatie wordt een hiërarchie van frames, multiframes, superframes en hyperframes gebruikt. Transmissie van een hyperframe duurt 3h 28min 53s 760ms, waarbij frames binnen een hyperframe worden genummerd van 0 tot 2.715.647 en het frame-nummer als teller wordt gebruikt bij de versleuteling of encryptie van signalisatie en spraak en de lange looptijd van de teller van nagenoeg drie en een half uur een zeer hoge graad van beveiliging garandeert.
Als een cellulair eindapparaat 2 (MS) en een schakelaar 3
(MSC) communiceren over het internet 14, wordt de zaak echter anders, aangezien de communicatie dan asynchroon verloopt en de voornoemde teller gebaseerd op het framenummer niet langer beschikbaar is.
Volgens de uitvinding wordt voorzien in een aanpassing die erin bestaat een nieuwe teller met een periode van ongeveer drie en een half uur te definiëren waarbinnen geteld wordt van nul tot ongeveer 2715647.
Bij communicatie over het internet 14 moet een dergelijke teller gegenereerd worden, zowel op niveau van het eindapparaat 2 (MS), als op het niveau van de schakelaar 3
(MSC), meer speciaal in de betreffende internet-interfaces 12 en 13. Het 16-bit volgnummer van de RTP-berichten kan gebruikt worden als onderdeel van de oplossing, evenals het
32-bit volgnummer van de TCP-segmenten.
Een vierde soort aanpassingen heeft betrekking op taxatie en facturatie van de communicatie.
Bij communicatie over het internet wordt het gebruik van het schaarse GSM-spectrum vermeden. Oproepen over het internet zouden derhalve aan een lager tarief aangerekend moeten worden dan vergelijkbare oproepen over het radiointerface 12.
Hierbij stelt zich echter het probleem dat de oproeper niet weet of de opgeroepene bereikbaar is via het goedkopere tarief van het internet of via het duurdere GSM-tarief, zodat hij niet op voorhand kan inschatten wat de communicatie hem zal kosten.
Om dit probleem op te lossen stelt de uitvinding voor om twee nummers toe te kennen aan elk eindapparaat (MS), namelijk het standaard MSISDN zoals het gebruikt wordt in GSM netwerken en een tweede nummer. In een typische uitvoering kan dit tweede nummer ofwel een overgedragen geografisch nummer zijn dat overgedragen wordt van een vaste netwerk operator naar een mobiele netwerk operator, ofwel een nieuw geografisch nummer.
Als de oproeper het tweede nummer kiest, kan hij enkel een oproep tot stand brengen, indien het opgeroepen eindapparaat 2B (MS) verbonden is via het internet. Als de oproeper het MSISDN kiest, betaalt hij een hoger bedrag, maar dan wordt de oproep in alle gevallen tot stand gebracht, hetzij via het internet, hetzij via een cellulair basisstation 7, waar de opgeroepene zich ook moge bevinden.
In alle gevallen kan het opgeroepen eindapparaat 2B (MS) beslissen om oproepen op zijn tweede nummer door te sturen naar zijn MSISDN-nummer. In dat geval betaalt de opgeroepene de extra kosten voor de cellulaire terminatie.
Een vijfde soort aanpassingen heeft betrekking op communicatie in bedrijfsgebouwen.
Zoals hierboven beschreven worden alle oproepen gerouteerd over op zijn minst één schakelaar 3 (MSC) van het publieke mobiele netwerk.
Binnen een bedrijfsgebouw willen de gebruikers elkaar echter ook kunnen bellen zonder een netwerkoperator te betalen.
Om dit mogelijk te maken, kan een bedrijf investeren in een PABX ("private automatic branch exchange") die, zoals weergegeven in figuur 4, de vorm kan aannemen van een privé-schakelaar 20 of privé-MSC (P-MSC) die zich in de bedrijfsgebouwen bevindt en die gezien moet worden als een privé-extensie van het publieke mobiele netwerk, waarbij aan deze privé-schakelaar 20 (P-PSC) een "private visitor location register" 21 (P-VLR) is geassocieerd.
Een belangrijk verschil met een publieke schakelaar (MSC) is dat er geen Base Station System (BSS) 5 verbonden is aan zulke privéschakelaar (P-MSC) en dat deze privé-schakelaar
(P-MSC) interne oproepen over de al dan niet draadloze bedrijfs-LAN stuurt, terwijl externe oproepen over het internet 14 of over een vaste verbinding met de dichtstbijzijnde publieke schakelaar 3 (MSC) worden gestuurd.
Een zesde soort aanpassingen heeft betrekking op uitbreiding van de communicatie naar data.
Zoals bekend, is GPRS (general packet radio service) gebaseerd op de introductie van drie nieuwe elementen in de GSM architectuur, namelijk SGSN (serving GPRS support node), GGSN (gateway GPRS support node) en GR (GPRS registers).
Een eindapparaat 2 (MS) dat GPRS gebruikt, communiceert over de SGSN die een rol speelt die gelijkaardig is aan die van een cellulaire schakelaar 3 (MSC), maar dan voor pakket-data in plaats van voor telefonie.
Net zoals een schakelaar 3 (MSC) uitgerust kan worden met een internet-interface 13 om communicatie met een eindapparaat 2 (MS) over het internet mogelijk te maken, kan volgens de uitvinding ook het SGSN uitgerust worden met een internet-interface.
De introductie van een dergelijk internet-interface stelt mobiele gebruikers in staat om de GPRS-dienst te gebruiken via het internet. Het voordeel is dat de SIM gebruikt kan worden voor authentiseren, encryptie en dergelijke.
Een zevende en laatste soort aanpassingen heeft betrekking op handovers.
Figuur 5 toont een verbeterd telecommunicatienetwerk 1 volgens de uitvinding dat een cellulair netwerk bevat met overlappende cellen 22 die een bepaalde geografische zone bedekken.
De cellen 22 geven het bereik weer van een voornoemd besisstation 7 (BTS) van een "base station system" 5 (BSS) waarbinnen een cellulair eindapparaat 2 via een radioverbinding 11 over het betreffende "base station system" 5 (BSS) in verbinding kan komen met de dichtstbijzijnde schakelaar 3 (MSC).
Het telecommunicatienetwerk 1 bevat in dit geval tevens een toegangspunt tot een draadloze LAN-interface waarvan het bereik is weergegeven door de cirkel 23 via dewelke een eindapparaat 2 een internetverbinding 15 over het internet
14 kan tot stand brengen.
Wanneer een gebruiker zich met zijn eindapparaat 2 in de voornoemde zone verplaatst, bijvoorbeeld volgens' het traject T dat is aangeduid in figuur 5, dan zal hij zich tijdens opeenvolgende tijdstippen in andere cellen 22 bevinden en zal bij gebruik van zijn eindapparaat 2, de verbinding achtereenvolgens over verschillende cellen 22 verlopen.
In het punt A bijvoorbeeld zal de communicatie via cel 22A verlopen, terwijl in punt B de communicatie langs cel 22B verloopt en in het punt C in de overlappende zone tussen de cellen 22A en 22B, een keuze mogelijk is om de communicatie via één van de betreffende cellen 22A of 22B te laten verlopen.
In het punt D dat zich in het bereik bevindt van cel 22B en in het bereik 23 van de draadloze LAN-interface, is een communicatie mogelijk, ofwel via een radioverbinding, ofwel via het internet 14.
Het mechanisme dat de overgang van één cel naar een andere cel of van een radioverbinding naar een internetverbinding of omgekeerd regelt, wordt handover genoemd.
<EMI ID=2.1>
verplaatsing van het punt A naar het punt B, geschiedt als volgt:
- het eindapparaat 2 (MS) meet doorlopend het signaalniveau en de kwaliteit van het gebruikte kanaal in cel 22 A, en meet doorlopend het signaalniveau van de naburige cellen 22B, ...;
- het eindapparaat 2 (MS) zendt doorlopend meetrapporten <EMI ID=3.1>
"base station controller" 8A (BSC) van het betreffende "base station system" 5A;
- op basis van meetresultaten wordt door de "base station controller" 8A (BSC) een aanvraag voor <EMI ID=4.1> gezonden naar de schakelaar 3 (MSC);
de beslissing om de handover door te voeren wordt genomen door de schakelaar 3 (MSC) op basis van de informatie meegegeven in het "handover_required"bericht, op basis van beschikbaarheid van kanalen in de nieuwe cel 22B, op basis van interferentieniveaus in de nieuwe cel 22B en nog andere netwerkcriteria,
de schakelaar 3 (MSC) initieert de handover door een
<EMI ID=5.1>
noodzakelijke capaciteit wordt gereserveerd in de nieuwe cel 22B;
de nieuwe cel 22B reserveert de noodzakelijke capaciteit en antwoordt met een
<EMI ID=6.1>
hetzelfde bericht doorzendt naar het eindapparaat 2
(MS) ;
het eindapparaat 2 (MS) schakelt over naar de nieuwe cel 22B en zendt een "handover_complete"-bericht naar de schakelaar 2 (MSC) via de nieuwe cel 22B;
de schakelaar 3 (MSC) zendt uiteindelijk een "clear command"-bericht naar de oude cel 22A die
<EMI ID=7.1>
Bij een verplaatsing van het punt B naar D zal het eindapparaat 2 (MS) in het bereik 23 van de draadloze LAN terecht komen.
Aangezien de cellulaire frequenties schaars zijn, wordt volgens de uitvinding het eindapparaat 2 (MS) geprogrammeerd om over te schakelen van het cellulaire "base station system" 5B van de cel 22B naar de draadloze LAN.
Hiertoe zijn de interfaces 12-13 van de cellulaire eindapparaten 2 (MS) en van de schakelaars 3 (MSC) voorzien van middelen die toelaten de meest geschikte verbinding te kiezen tussen mogelijke radioverbindingen 11 met één of meer cellen 22 en mogelijke draadloze internetverbindingen
15 met één of meer LAN-interfaces.
Deze voornoemde middelen kunnen bijvoorbeeld worden gevormd door het feit dat het cellulair eindapparaat 2 (MS) voorzien is om via de draadloze LAN-interfaces een testsignaal uit te zenden naar de internet-interfaces 13
(MSCII) van de schakelaars 3 en om de testsignalen die door deze interfaces worden teruggezonden te ontvangen en te vergelijken om het meest geschikte signaal te kunnen bepalen.
Dit kan op de volgende wijze gebeuren:
- bij het detecteren van de draadloze LAN binnen het bereik 23, brengt het eindapparaat 2 (MS) een verbinding met het internet 14 tot stand;
- onmiddellijk daarna wordt een TCP/IP verbinding met het internet-interface 13 (MSCII) van de dichtstbijzijnde schakelaar 3 (MSC) tot stand gebracht;
- het eindapparaat 2 (MS) zendt een testpatroon over het internet 14 naar het internet-interface 13 (MSCII) dat het testpatroon terugzendt om het eindapparaat 2 (MS) toe te laten om vertraging en kwaliteit (aantal bitfouten) van de verbinding 15 over het internet 14 te meten;
<EMI ID=8.1>
bericht naar de "base station controller" 8B (BSC) rapporteert het eindapparaat 2 (MS) ook over de kwaliteit van de verbinding 15 over het internet 14, bijvoorbeeld onder vorm van een samengestelde kwaliteitsparameter gecodeerd in 6 bits, verzonden in het veld RXLEV NCELL N dat in een standaard GSMnetwerk het signaalniveau van één van de naburige cellen 22 bevat, waarbij het "measurement_report"bericht verder vermeldt dat de meting een verbinding
15 over het internet 14 betreft en het geeft de identificatie door van de internet-interface 13
(MSCII) waarmee het eindapparaat 2 (MS) verbonden is over het internet 14;
- de "base station controller" 8B (BSC) ontvangt het meetrapport en is geprogrammeerd om een <EMI ID=9.1>
schakelaar 3 (MSC) indien een internetalternatief bestaat en indien de kwaliteit van dat alternatief
<EMI ID=10.1>
bericht vermeldt dat het doel van de handover een verbinding 15 over het internet 14 is, alsook de kwaliteit van de internetverbinding 15 en de identificatie van het internet-interface 13 (MSCII) waarmee de verbinding 15 over het internet 14 tot stand gebracht moet worden.
<EMI ID=11.1>
netwerkinformatie beschikbaar in de schakelaar 3 (MSC), onder andere met betrekking tot de beschikbaarheid van capaciteit op de verbinding 16 tussen de internet-interface 13 (MSCII) en de daarmee verbonden schakelaar 3 (MSC), beslist de schakelaar 3
(MSC) over de handover, waarbij, indien het internetalternatief valabel is, de schakelaar 3 (MSC)
<EMI ID=12.1>
internet-interface 13 (MSCII) waarmee de verbinding gemaakt moet worden en waarbij dit internet-interface
13 (MSCII) dan de nodige capaciteit reserveert en een
<EMI ID=13.1>
terugzendt;
vervolgens zendt de schakelaar 3 (MSC) een
<EMI ID=14.1>
(MS) via het cellulaire "base station system" 5B (BSS) en voert het eindapparaat 2 (MS) de handover uit en
<EMI ID=15.1>
internetverbinding 15 en begint met zenden en ontvangen over de internetverbinding 15;
de schakelaar 3 (MSC) sluit de operatie af door het zenden van een "clear command"-bericht aan het "base station system" 5B (BSS) die de capaciteit die gebruikt werd voor het eindapparaat 2 (MS) vrijmaakt
<EMI ID=16.1>
Na het voltooien van de handover wordt de informatie betreffende de locatie vernieuwd door de volgende stappen:
- na het voltooien van de handover wordt het internetadres van het eindapparaat 2 (MS) dat door een DHCP-server was toegekend en was opgeslagen in de internet-interface 12 (MSII) van het eindapparaat 2, vergeleken met de LAI opgeslagen in de SIM;
indien het internetadres verschilt van de LAI in de SIM, start het eindapparaat 2 (MS) de procedure op voor vernieuwing van de locatie-informatie, zoals hiervoor reeds beschreven;
na het vernieuwen van de locatie-informatie is het telecommunicatienetwerk 1 in staat om oproepen naar het eindapparaat 2 (MS) tot stand te brengen via het internet 14.
Zolang het eindapparaat 2 (MS) verbonden is via het internet 14 gaat het door met meten van de kwaliteit van de verbinding 15 over het internet 14 en gaat het door met verzenden van kwaliteitsrapporten naar het internetinterface 13 (MSCII) van de schakelaar 3 (MSC). Bij het verlaten van het gebied 23 gedekt door de draadloze LAN zal de kwaliteit van de internetverbinding 15 achteruit gaan en zal het internet-interface 13 (MSCII) beslissen om een "handover_required" bericht te zenden aan de schakelaar 3
(MSC), zodat er terug overgegaan kan worden op een cellulair base station system 5B.
Om dit mogelijk te maken moet het internet-interface 13 (MSCII) van de schakelaar 3
(MSC) de handover-gerelateerde protocollen van een standaard "base station system" 5 (BSS) ondersteunen, namelijk:
- interpretatie van de meetrapporten verzonden door het eindapparaat 2 (MS); <EMI ID=17.1> genereren en te verzenden naar een schakelaar 3 (MSC);
ontvangen van "clear-command" vanwege de schakelaar 3
(MSC); en
<EMI ID=18.1>
(MSC) .
Het is duidelijk dat een analoge procedure kan gevolgd worden wanneer bijvoorbeeld het eindapparaat 2A tijdens een radioverbinding 11, bijvoorbeeld over de cel 22B, wordt verbonden met een vaste internet toegang 15" in plaats van met een draadloze internettoegang.
Verder is het duidelijk dat de uitvinding niet enkel beperkt is tot eindapparaten 2 die via een cellulaire toegangsnetwerk een verbinding kunnen tot stand brengen, maar ook betrekking heeft op een netwerk met eindapparaten 2 die via om het even welk type van toegangsnetwerk toegang tot het netwerk kunnen krijgen.
De huidige uitvinding is geenszins beperkt tot de als voorbeeld beschreven en in de figuren weergegeven uitvoeringsvormen, doch een verbeterd telecommunicatienetwerk volgens de uitvinding kan in allerlei vormen worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden.
Improved telecommunication network and cellular end device and switch used.
The present invention relates to an improved telecommunications network.
The current telecommunications market is, as is well known, built around three successful telecommunications networks and associated services, namely fixed telephony, cellular telephony and the internet.
Each of these three known telecommunication networks is based on an infrastructure specially constructed for that network, the infrastructure for each network consisting essentially of five components, namely:
end devices for end users, such as landline telephones, cellular telephones such as GSMs, personal computers and the like;
- switches for fixed telephony and for cellular telephony and routers for the internet;
- transmission infrastructure between the switches or routers;
- an access network which forms the connection between the last switch and the user, which for internet and telephony typically consists of braided pairs, coaxial cable, optical fiber or radio, which access network possibly active components for inter alia multiplexing of multiple channels on one physical carrier and which for cellular telephony consists of a radio connection over cellular base stations and again possibly active components for inter alia multiplexing; and,
an intelligence in the form of functionalities, such as billing and value-added services such as call forwarding, calling back and the like.
There is a market for each of these three known telecommunication networks and their associated services, where fixed telephony is mainly used for high quality speech with a relatively low cost, while cellular telephony is more suitable for mobile speech at a higher cost but often with a lower quality and while the internet is more likely to apply for access to information and services offered on the internet.
A disadvantage of such separate networks is that the development and maintenance of three parallel networks is an expensive business for the operators who operate these networks.
Another disadvantage is that the use of separate networks is also not practical for the end user, who requires a separate subscription, a separate and specific end device, and the like for each network.
The internet protocol (IP) is seen as the technology par excellence that will play an important role in the convergence of the three telecommunications networks. IP is often presented as the unique technology that will satisfy all our telecommunications needs.
Indeed, the world of the internet is taking the first steps towards convergence today with the introduction of internet telephony or IP telephony or so-called "voice over IP" (VoIP). Internet telephony is a step in the direction of internet convergence and telephony services, even including mobile telephony services with internet telephony over wireless local networks.
The internet telephony solutions that are being developed today reuse certain existing parts of the internet infrastructure, namely the transmission facilities; the routing facilities and the aforementioned local loop.
However, in addition to the reuse of existing internet infrastructure, the current internet telephony solutions also require the introduction of new infrastructure that is specific to internet telephony and that involves both specific hardware and specific software, which works together with certain specific hardware or software end devices that have at least one of supports internet telephony standards such as H.323, SIP (Session Initiation Protocol), MGCP (Media Gateway Control Protocol), and the like, and with specific call management intelligence, in other words for establishing, maintaining and canceling a connection and specific intelligence for authentication; encryption;
"roaming"; "interfacing" to the existing networks, such as "gateways" to a fixed telephony network, ...; value-added services such as call forwarding, call waiting, and the like; valuation and invoicing.
The current implementation methods and proposals for internet telephony do not therefore lead to convergence in the areas of terminal equipment and intelligence, so that separate terminal equipment and intelligence are still required.
The present invention has for its object to provide a solution to one or more of the aforementioned and other disadvantages.
To this end, the invention relates to an improved telecommunication network consisting essentially of terminal devices, switches or routers, access networks between terminal devices and switches or routers, a transmission infrastructure that can interconnect the switches or routers with one or more switches being cellular switches of a cellular network and one or more end devices are cellular end devices of a cellular network that are provided with a radio interface and intelligence with which they can establish a radio connection with a cellular switch over an access network,
characterized in that one or more switches and one or more cellular terminals are provided with an internet interface that allows a respective cellular terminal to be connected via internet to a relevant switch to establish a telecommunications connection to another terminal via the aforementioned transmission infrastructure and access network to bring.
Thus a hybrid network is obtained in which for a telecommunications connection between a cellular terminal and another terminal, whether or not cellular, one is no longer limited to the traditional expensive connection over the cellular radio interface, but that this telecommunication is also via a cheaper internet connection can be achieved.
Preferably, the intelligence used in the cellular network, more particularly in the cellular terminals and / or in the cellular switches, is also at least partially used in the connection over the internet between a cellular terminal and a switch.
More specifically, the intelligence used in the cellular network for call management, in other words for establishing, maintaining and canceling a connection with another terminal device, is also used for call management and thus for establishing, maintaining and terminating the connection over the internet.
More specifically, the intelligence used in the cellular network for one or more functionalities of the cellular network is also used for similar functionalities when using the internet, namely:
- intelligence for mobility management for identification, authentication and localization within the network;
- source coding intelligence, wherein the speech signal is digitally coded and compressed and converted back to an analog speech signal on receipt;
- intelligence for encryption or encryption of the sent messages to make them unrecognizable to third parties and decryption or decryption with an appropriate key of the received messages;
- intelligence for the so-called "handover" which, when moving along the cells of the cellular network, ensures switching from one cell of the network to the next cell of the network without interrupting communication;
- intelligence for the so-called "roaming" that offers a cellular network subscriber the possibility to make and receive calls anywhere on that network and on other networks with which there is a "roaming" agreement;
- intelligence for interfacing to existing networks, for example via so-called "gateways" to a fixed telephone network or the like;
- intelligence with regard to value-added services such as call forwarding, exchange use, etc.
- intelligence for valuation and invoicing of communication.
In contrast to the current internet telephony standards (H.323, SIP, ...), this hybrid solution therefore does not require the introduction of new intelligence in terminal equipment and network. Subject to limited changes, the intelligence of existing terminal equipment and networks can be reused.
The invention described here thus makes it possible to go a step further on the road to an integrated infrastructure by offering internet telephony on a platform in which not only switches / routers, transmission infrastructure and local loop of existing infrastructure are reused, but also the terminal equipment and the intelligence of cellular networks.
Such an improved network according to the invention can provide the basis for voice services, but also for data services.
This invention, which culminates in a hybrid IP cellular network, allows reuse of the cellular communication protocols, more specifically from layers 3 and higher, while the internet infrastructure, more specifically layers 1 to 3, is used for transparent transport of the data associated with those communication protocols, as well as for transport of user data.
This reuse of cellular intelligence leads to inexpensive integrated end devices that give access to the cellular network, both over the standard radio interfaces and over the internet.
In addition, it leads to a more efficient and intensive use of the core of the cellular network, because, in addition to the cellular radio access that is expensive due to the limited availability of radio spectrum, cheaper internet access is also available.
The invention also relates to a cellular terminal device and to a cellular switch suitable for use in an improved communication network as described above.
With the insight to better demonstrate the features of the invention, a preferred embodiment of an improved telecommunications network according to the invention is described below as an example without any limiting character, with reference to the accompanying drawings, in which:
Figure 1 schematically represents an improved telecommunications network according to the invention; figure 2 represents a telecommunication connection realized via the internet with a network as shown in figure 1; figures 3 and 4 represent a variant of figure 2; figure 5 schematically represents a geographical spread of a telecommunications network according to the invention.
Figure 1 shows a simplified improved telecommunications network 1 according to the invention which in this case is based, for example, solely on the telephone service offered via the GSM cellular standard.
However, it is clear that the invention can also be applied to other services, such as video communication, and to other types of cellular networks, such as UMTS
(universal mobile telecommunications system), CDMA (code division multiple acces) and the like.
In what follows, use is mainly made of English-language terms customary in telecommunication and their associated abbreviations which are clear to the skilled person and which are described in more detail in the reference work entitled "Mobile radio networks, networking and protocols" by the author Bernhard H Walke, published in 1999 by John Wiley and Sons Ltd, under the number ISBN 0-471-975958 and in the GSM standards of the "European Telecommunication Standards Institute" (ETSI).
The network 1 of figure 1 consists of a GSM cellular network which, as is known, is essentially composed of end devices 2A-2B in the form of so-called "mobile stations" (MS), for example in the form of GSM devices; from cellular switches 3A-3B in the form of so-called "mobile-service switching centers" (MSC) interconnected by means of a transmission infrastructure 4; and from so-called "base station systems" (BSS) 5A-5B which provide the access networks between the end devices 2 (MS) and the switches 3 (MSC).
The switches 3 (MSC) are provided with a certain intelligence 6 in the form of software or the like which is used inter alia for realizing the connections between the switches 3 (MSC) and the "base station systems" 5 (BSS). The intelligence 6 is integrated in the hardware / software of the switch 3
(MSC), or in the peripheral equipment 3 'of the switch 3 (MSC) which is shown in dotted line in Figure 1 and which includes, among others, databases such as VLR and HLR, appraisal systems, intelligent network servers provided in Camel, and the like.
Each switch 3 (MSC) groups a number of base station systems 5 (BSS), which in turn each have a number of base stations 7 or so-called "base tranceiver stations"
(BTS) in the form of antenna stations which are connected via a central so-called "base station controller" 8 (BSC) to a aforementioned cellular switch 3
(MSC) and which each cover a geographical area or cell of the cellular network and are geographically dispersed such that, by overlapping the cells, complete coverage of a territory can be achieved.
The cellular end devices 2 (MS) are, as is known, provided with a radio interface 9 and with an intelligence
10 in the form of software or the like that allows a radio connection 11 to be established and maintained between a respective cellular terminal 2 (MS) and an adjacent switch 3 (MSC) and this over a base station system 5 (BSS) ).
According to the invention, the cellular end devices 2 are additionally equipped with an internet interface 12, the so-called "mobile station internet interface" (MSII) and the switches 3 (MSC) are coupled to an additional internet interface 13, or so-called "mobile services switching center internet interface (MSCII), wherein the intelligence 10 of the terminal device 2 makes it possible to establish a connection 15 via an internet access 15 'over the internet 14 between the terminal device 2 (MS) concerned and the switch 3 (MSC) and this via the internet interface 12-13 of both devices 2-3.
The internet interface 12 (MSII) of the terminal devices 2 (MS) provides inter alia the services on physical layer 1 and on the data link layer 2, along which a connection between the terminal device 2 (MS) and the internet 14 can be realized. In a typical embodiment, this part of the internet interface 12 (MSII) can take the form of an ethernet interface over a braided pair or of a wireless LAN interface.
The internet interface 13 (MSCII) of the switch 3 (MSC) provides analogous services for the layers 1 and 2 of the internet 14. In a typical embodiment, the interface 13 (MSCII) will be based on a 34 or 155 megabits per second (Mbps) connection and the interface can be designed as a separate device or as a device that is integrated into the relevant switch 3 (MSC) and that is connected to the switch 3 (MSC) via a connection 16 over a standard A-interface, as defined in the GSM standard GSM 03.02.
The use of such telecommunication network 1 is as follows.
If the user of a first cellular terminal 2A (MS) wishes to have a conversation with a user of a second cellular terminal 2B (MS), this can be done by contacting the cellular network via the traditional radio link 11 or to choice via an internet connection 15 with the nearest switch 3A
(MSC). The communication then proceeds via the transport infrastructure 4 and a switch 3B (MSC) in the vicinity of the called user and thus up to the second terminal device 2B (MS), either via a traditional radio connection 11 or via an internet connection 15.
For communication between end device 2 (MS) and switch 3
(MSC) over the internet 14, apart from the fact that the end device 2 (MS) and the switch 3 (MSC) with internet interfaces 12 (MSII) and 13
(MSCII) must be equipped, a number of limited adjustments must still be made to the standard GSM terminal devices 2 (MS) and switches 3 (MSC). These adjustments mainly concern the following functionalities:
- the transmission of speech;
- the transmission of signaling;
mobility management (Mobility Management);
the call control;
encryption / decryption;
taxation;
use within company buildings;
the extension to data applications; and
handovers.
We will then go into more detail about each of the aforementioned functionalities.
A first type of adaptation relates to the transmission of speech.
The transmission of speech over the radio connection 11 takes place in the following known manner:
the microphone integrated in the calling end device 2A (MS) generates an analog speech signal which is digitally coded and compressed, which is called source coding;
- the source code is then adapted by so-called channel coding for transmission over an unreliable radio channel, with bits being added that allow to detect transmission errors and possibly correct them;
- "interleaving" or mixing of bits takes place, which means that successive bits from the channel code are distributed over different packets that are each sent over the radio interface 9 during a short burst (in the Engèls "burst"), whereby the distribution of consecutive bits over different radio bursts limits the damage caused by the loss of data from one burst;
after mixing, the resulting bit stream is encrypted to guarantee the confidentiality of the calls; and,
for the transmission, a radio formatting takes place in which the bit stream delivered by the encryption module is divided into packets of 57 bits and two of such packets are combined with a 26-bit training sequence, with 3 bits around the beginning of the packet with 3 bits to indicate the end of the package and with two more control bits to indicate an elemental package of
148 bits for burst transmission over the radio channel.
The same operations as described above are of course also applied to incoming speech signals in the called end device 2B (MS), but in the reverse order:
- decryption;
- demixing;
- decoding the channel code;
- decoding the source code (digital to analogue conversion); and,
- delivery of the analog signal to the loudspeaker of the terminal device 2B.
For the transmission of speech over the internet 14, the following adjustments must be made to the end devices 2 (MS):
- in a typical embodiment, the channel coding can be omitted in the case of transmission over the internet 14, since the extra bits involve an excessive burden for use on the internet and these extra bits are less necessary <EMI ID = 1.1>
- the radio format is replaced by an internet format, whereby the bit stream delivered by the encryption is divided into packets that typically encode 10 to 20 milliseconds of speech and these packets are recorded in so-called "RTP messages" (real time transport protocol), which are included in so-called "UDP segments" (user datagram protocol), which are transported by "IP datagrams".
On the side of the switches 3 (MSC) the following adjustments must be made:
- an internet format must be provided for the implementation of the RTP / UDP / IP stacks;
- the source coded signal is not converted into an analog speech signal, but into a 64 kilobits per second (kbps) digital speech signal compatible with the A-interface as defined in the standard GSM
03.02.
A second type of adaptation relates to mobility management and call control, both of which are contained in the GSM standard for the transmission of signaling, more specifically all other signals than those related to speech and which are required for communication over a cellular network, more in particular a GSM network.
More specifically, the GSM standard has a three-layer protocol reference model that is defined in the ETSI standard documents GSM 04.07 and GSM 04.08, namely:
- an upper layer for call management or so-called "Call Management" (CM);
- a middle layer for mobility management or so-called "Mobility Management" (MM); and,
- a lower layer for the management of radio resources or the so-called "Radio Resource Management" (RRM).
The layer for call management or "Call Management" (CM) itself contains three sub-layers, namely:
- a call control sub-layer or so-called "Call Control" (CC) which is used for establishing, maintaining and terminating circuit-based calls;
- a sublayer for message services (SMS); and,
- a sublayer for value-added services or so-called "Supplementary services", of which, for the example discussed here with regard to telephony services, only the sublayer for call control or "Call Control" (CC) is of further importance.
When replacing the radio interface 9 with the internet interface 12 (MSII), the aforementioned RRM layer is no longer used and is replaced by the management of so-called TCP connections over the internet 14, and by the management of the transmission of so-called UDP segments (User Datagram Protocol) over the internet 14.
The layers 14 are used for mobility management (MM) and call control (CC) over the internet 14, as in standard GSM networks.
This requires a few adjustments to the functionalities within these two layers.
These adjustments are discussed in more detail below in two separate sections.
The first section relates to the adjustments in the Mobility Management (MM) layer.
Each time a cellular terminal 2A (MS) connects to the Internet 14, this terminal 2A (MS) must have the ability to identify, authenticate, and locate itself to make clear where it is on the network.
Once the connection to the internet 14 is established, the cellular terminal 2A (MS) will take the initiative to identify itself at the nearest switch 3A (MSC) on the internet 14.
The closest switch 3A (MSC) can be found by applying one of the methods defined in ITU recommendation H.510 (Mobility for multimedia systems and services based on H.323).
One of these methods is based on "multicast" where a request with a short TTL ("Time To Live") is sent to the group address of a group of servers and where, by increasing the value of the TTL, one can search in any growing circles.
According to an alternative method, DNS (Domain Name System) -based techniques can be used as applied by the operators of "content delivery networks" or so-called "Content Distribution Networks" (CDNs) to identify the nearest "streaming media" server. Such techniques are described in the publication "Computer networks, a top-down approach" by James F. Kurose and Keith W. Ross, 2003 Pearson Education Benelux, ISNB 90 4030 08060.
Once the closest switch 3A (MSC) is found, the procedures from the GSM layer for mobility management can be found
(MM) are applied, in particular:
- registration can be done by running the "IMSI Attach" procedure whereby the end device 2A
(MS) is identified as available on the network;
- for authentication, the switch 3A (MSC), once the switch 3A knows that the cellular terminal 2A (MS) is available, can initiate an authentication procedure based on the one hand on the data in the SIM of the terminal 2A (MS) ) and, on the other hand, of data in the so-called "Home Location Register" (HLR) as defined in the ETSI standard GSM 01.02 and in which the data of the subscriber of the terminal 2A (MS) are stored at the operator where the subscriber at connected;
after authentication, the switch 3A (MSC) can assign a temporary number or so-called "temporary mobile subscriber identity" (TMSI) to the cellular terminal 2A (MS), which number is used locally to keep the identity of the mobile user confidential. in subsequent communications; and,
renewal of location information "Location update").
With regard to the last procedure for updating the location update, there will be a difference between a GSM radio connection and an internet connection.
According to the standard GSM procedure:
- the location of the cellular terminal device 2A
(MS) stored in the SIM in the form of a so-called "location area identity" (LAI);
- when the cellular terminal 2A (MS) is switched on in a new location, the local LAI is broadcast by the base station 7 (BTS) on the so-called "broadcast control channel" (BCCH)); and the terminal LA 2A (MS) compares the broadcast LAI with the LAI in the SIM, where, if both are different, the terminal LA 2A (MS) starts the procedure for refreshing the location information.
When the cellular terminal 2A (MS) is connected via the Internet 14, no broadcaster is received from the local LAI, so that the standard GSM procedure cannot be fully applied.
To solve this problem, according to the invention, the cellular terminal 2 (MS) is equipped with the so-called "dynamic host control protocol" (DHCP) and the concept of LAI is extended to internet addresses.
The extension of the concept of LAI to internet addresses requires both adaptation on the part of the cellular terminal 2A (MS) with an implementation of a new type of LAI in the SIM, and on the network side with an implementation of the new type LAI in the so-called "visitor location register"
(VLR) and the aforementioned "home location register" (HLR), wherein the VLR is a database associated with each cellular switch 3 (MSC) and used to manage the GSM subscribers located at a particular are currently in the area of the switch 3 and are registered with this switch 3.
In the case of an internet connection 15, the location update is realized as follows:
- when making a connection between the cellular terminal 2A (MS) and the internet 14, via cable or wireless, the terminal 2A (MS) receives an internet address from the local DHCP server which may be part of a LAN infrastructure whether it can be owned by an internet provider;
- the cellular terminal 2A (MS) compares the obtained internet address with the LAI stored in the SIM;
- when the obtained address differs from the LAI stored in the SIM, the terminal 2A (MS) starts the aforementioned procedure for updating the location information.
In the above method, it is assumed that the address assigned to the cellular terminal device 2A (MS) is a public internet address from the address range assigned to a company or an internet provider.
However, if non-public internet addresses are used with so-called "network address translation" (NAT), a port number is also part of the address required to locate the terminal device 2A (MS).
In the remainder of this discussion, it is assumed for simplicity that the terminal device 2A (MS) has a public internet address. However, communication specialists will understand that this invention can also be realized with non-public internet addresses and NAT, with reference to specific solutions developed for this purpose by firm companies such as Ridgeway Systems. Such specific solutions as described in the Ridgeway patent CN1444815T fall outside the scope of this invention.
If the cellular terminal 2A (MS) is connected to a data network behind a firewall, a solution must be worked out for passing the firewall. In a typical configuration, a firewall does not allow packets to enter from outside the protected network unless they are associated with a connection established from within the protected network. Such a typical configuration prevents a call from being made outside the protected network to a terminal device 2A (MS) within the protected network. Again, specific solutions are elaborated for this purpose by companies such as Ridgeway Systems, as also described, in the aforementioned Ridgeway patent CN1444815T. For the sake of simplicity, we assume that the terminal 2A (MS) is not located behind a firewall.
However, communication specialists will understand that the invention can also be realized if a firewall is present.
A second section relates to the adjustments in the call control or "call control" (CC) layer.
The exchange of messages between cellular terminal 2 (MS) and cellular switch 3 (MSC) takes place over the internet 14 in the same traditional way that that exchange would take place over a cellular radio link 11, except that the messages relating to assignment of a radio channel can be replaced by establishing a TCP / IP connection for the signaling, namely by the following steps such as those described in detail in the aforementioned reference work "Mobile radio networks, networking and protocols" of BH
Walcke:
service request by the terminal device 2 (MS) in the case of outgoing call from the MS or paging and paging response in the case of call to the MS;
- request for authentication;
- answer to question for authentication;
- command to proceed to ciphering;
- implementation of encryption;
- establishing a connection;
- confirm call;
- assignment command;
- allocation made;
- alarm;
- link; and
- confirmation of connection.
Referring now to Figure 2, we now go more deeply into making an outgoing call from a first cellular terminal 2A (MS) connected via the Internet 14 to a first switch 3A of a first public network or so-called "public land mobile network "
(PLMN).
The call from the first terminal device 2A can be directed to:
- a user of the fixed telephone network, in which case the switch 3A (MSC) uses the so-called "gateway MSC" (GMSC) of the GSM network to transfer the call to the fixed telephone network;
- a second cellular terminal 2B (MS) that is currently registered via a classical GSM radio link 11 with a second cellular switch 3B (MSC) of a second public network (PLMN); or
- a second cellular terminal 2B (MS) which is connected via the internet 14 to such second switch 3B and which is registered at this second switch 3B of a second public network in a database or so-called "visitor location register" (VLR) 18 of the relevant switch 3B.
By way of example, the latter case is described in more detail below, wherein a call must be established between a first calling cellular terminal 2A (MS) and a second called cellular terminal 2B (MS) that are both via the Internet 14 connected to a switch 3A and 3B, respectively.
As is known, the identification data of the second terminal device 2B is stored in a database, the so-called "home location register" HLR 17, at the operator of the public home network (PLMN) to which the user of this terminal device 2B is subscribed, which home network is different can be from the aforementioned first two public networks.
In the case of Figure 2, it is shown how a call is made in a traditional GSM network without any modifications except access via the internet
14, where solid lines indicate exchange of speech and signaling, while dashed lines indicate exchange of signaling only.
The call is made as follows:
- the caller selects with the first cellular terminal 2A (MS) the MSISDN number of the second terminal 2B (MS) of the called party;
the signaling for establishing a connection is sent over the internet 14 to the first cellular switch 3A (MSC);
- this first switch 3A (MSC) reads the country code and the national destination code (National Destination Code) within the MSISDN, whereby, based on this information, it knows the operator to whom the second cellular terminal device 2B of the called party is subscribed, and forwards the signaling to the public home network of this operator, more specifically to the relevant "home location register" HLR 17 of this operator, and this over a transmission infrastructure 4 that over an SS7 (signaling system) network the first public network (PLMN) connects to the called home network (PLMN) via an intermediate cellular switch 3C (MSC) of the home network of the terminal device 2B giving access to the HLR 17;
the HLR 17 knows where the called subscriber is currently located and asks the "visitor location register" VLR 18 of the second switch 3B (MS) for a "mobile station roaming number (MSRN) that has a geographical meaning and a number is that is only known within the GSM network and is therefore not known by the end user;
based on the obtained MSRN, the intermediate cellular switch 3C (MSC) further transmits the signal to the second switch 3B via a transport infrastructure 4 with an SS7 network connecting the called home network to the switch 2B of the second public network;
the second switch 3B establishes a standard TCP / IP connection via the internet 14 with the called end device 2B based on knowledge of the internet address of the called second end device 2B stored in the aforementioned "visitor location register" VLR 18;
the call control (Call Control CC) in the called second terminal 2B (MS) starts the standard GSM exchange of messages with the switch 3B and, when the call is accepted by the called second terminal 2B (MS), the second switch 3B informs the first switch 3A thereof, the latter alarming the calling first end device 2A;
at that time the two cellular terminals 2A and 2B can start the exchange of speech information, the speech being carried by RTP / UDP / IP packets between the terminals 2A and 2B (MS) and the respective switches 3A and 3B (MSC), while between the switches 3A and 3C (MSC) the speech is transmitted via the usual mobile networks and their interconnections as with a standard call between cellular terminal devices 2A and 2B (MS).
If no changes are made to the making of calls and the routing in the GSM networks, transport of the speech signal will take place as described above, in which case the internet is only used to store the bottleneck of scarce and expensive radio access release.
Just like the implementation of the current GSM networks, the above implementation suffers from the so-called trombone effect whereby the connection must always be made over the home network, notwithstanding the caller and the person called may be a short distance apart and in the same network and, consequently, if the home network is on a different continent, the call will be routed to the other continent and then to the place where the called party is located.
Future developments based on CAMEL that is an intelligent network that is equipped for the so-called 2.5 generation of GSM and forms a basis for the third generation of cellular communication in the form of the so-called "universal mobile telecommunications system"
(UMTS) which is the successor of the second generation GSM, will help to prevent the trombone effect, whereby only the signaling will undergo the trombone effect.
This is illustrated with reference to Figure 3, wherein in this case, via the path of the signaling shown in dashed line, the internet address of the called second cellular terminal 2B (MS) is requested and transmitted to the switch 3A (MSC) of the caller ", while from that moment on this switch 3A sends the signaling and speech directly via the way in bold over the internet 14 to the second called end device 2B, using RTP / UDP / IP.
The first cellular calling end device 2A (MS) does not send the speech directly to the second called cellular end device 2B (MS), but via the switch 3A where the caller is registered. The reason for this is that the speech is encrypted, the two end devices 2A and 2B each using their own key which is only known within the switch 3 where they are registered. In the case of Figure 3, that key must be transmitted via signaling to the VLR 19 associated with the caller switch 3A (MSC), so that this switch 3A can communicate directly over the internet 14 with the second called end device 2B.
In the exchange of speech and signaling between the cellular end devices 2A and 2B, a decryption / encryption is carried out in the first switch 3A of the caller, so that each end device 2 (MS) can maintain its own encryption on the basis of the key in its SIM.
The transition from the current situation of the second generation GSM according to Figure 2 to the next generation of cellular communication according to Figure 3 can take place gradually. Telephony over the internet does indeed require the availability of an internet that meets certain quality requirements in terms of available bandwidth, delay and cell loss. With the introduction of the solutions based on the invention proposed here, the transmission of speech over the internet can be limited to the local parts, for example from the calling end device 2A (MS) to the relevant switch 3A
(MSC) and of the switch 3B (MSC) of the called to the respective end device 2B (MS). Once larger parts of the internet meet the quality requirements, gradual migration to the situation of Figure 3 becomes possible.
As becomes clear from the discussion of making a call, the "internet interface" plays 12
(MSII) of the terminal device 2 the role of both client and server, where, when making an outgoing call, the "internet interface" 12 (MSII) plays the role of client taking the initiative to establish a TCP / IP connection with the nearest switch 3 (MSC), while receiving an incoming call, the "internet interface" 12 plays the role of server constantly listening for incoming requests to establish a TCP / IP connection.
A third type of adjustment relates to the encryption of the communication.
As is known, the radio part of the GSM standard uses synchronous communication that runs over the radio interface 9. In this synchronous communication, a hierarchy of frames, multiframes, superframes and hyperframes is used. Transmission of a hyperframe takes 3h 28min 53s 760ms, where frames within a hyperframe are numbered from 0 to 2,715,647 and the frame number is used as a counter for the encryption or encryption of signaling and speech and the long duration of the counter of almost guarantees a very high level of security for three and a half hours.
As a cellular end device 2 (MS) and a switch 3
(MSC) communicating over the internet 14, however, the matter becomes different, since the communication then proceeds asynchronously and the aforementioned counter based on the frame number is no longer available.
According to the invention there is provided an adaptation which consists in defining a new counter with a period of approximately three and a half hours within which counting is carried out from zero to approximately 2715647.
When communicating over the internet 14, such a counter must be generated, both at the level of the terminal 2 (MS) and at the level of the switch 3
(MSC), more specifically in the relevant internet interfaces 12 and 13. The 16-bit sequence number of the RTP messages can be used as part of the solution, as well as the
32-bit sequence number of the TCP segments.
A fourth type of adjustment relates to valuation and invoicing of the communication.
When communicating over the internet, the use of the scarce GSM spectrum is avoided. Calls over the internet should therefore be charged at a lower rate than comparable calls over the radio interface 12.
However, the problem here is that the caller does not know whether the person called can be reached via the cheaper rate from the internet or via the more expensive GSM rate, so that he cannot estimate in advance what the communication will cost him.
To solve this problem, the invention proposes to assign two numbers to each terminal (MS), namely the standard MSISDN as it is used in GSM networks and a second number. In a typical embodiment, this second number can be either a transferred geographic number that is transferred from a fixed network operator to a mobile network operator, or a new geographic number.
If the caller dials the second number, he can only make a call if the called end device 2B (MS) is connected via the internet. If the caller chooses the MSISDN, he pays a higher amount, but then the call is made in all cases, either via the internet or via a cellular base station 7, wherever the called party may be located.
In all cases, the called end device 2B (MS) may decide to forward calls on its second number to its MSISDN number. In that case the called party pays the extra costs for the cellular termination.
A fifth type of adaptation relates to communication in company buildings.
As described above, all calls are routed over at least one switch 3 (MSC) of the public mobile network.
Within a company building, however, users also want to be able to call each other without having to pay a network operator.
To make this possible, a company can invest in a private automatic branch exchange (PABX) which, as shown in Figure 4, can take the form of a private switch 20 or private MSC (P-MSC) is located in the company buildings and should be seen as a private extension of the public mobile network, with a private visitor location register 21 (P-VLR) associated with this private switch 20 (P-PSC).
An important difference with a public switch (MSC) is that there is no Base Station System (BSS) 5 connected to such a private switch (P-MSC) and that this private switch
(P-MSC) sends internal calls over the corporate LAN, whether wireless or not, while external calls are sent over the internet 14 or over a fixed connection to the nearest public switch 3 (MSC).
A sixth type of adjustment relates to the expansion of communication to data.
As is known, GPRS (general packet radio service) is based on the introduction of three new elements in the GSM architecture, namely SGSN (serving GPRS support node), GGSN (gateway GPRS support node) and GR (GPRS registers).
A terminal device 2 (MS) using GPRS communicates over the SGSN that plays a role similar to that of a cellular switch 3 (MSC), but then for packet data instead of for telephony.
Just as a switch 3 (MSC) can be equipped with an internet interface 13 to enable communication with an end device 2 (MS) over the internet, according to the invention the SGSN can also be equipped with an internet interface.
The introduction of such an internet interface allows mobile users to use the GPRS service via the internet. The advantage is that the SIM can be used for authentication, encryption and the like.
A seventh and final type of adjustment relates to handovers.
Figure 5 shows an improved telecommunications network 1 according to the invention that contains a cellular network with overlapping cells 22 covering a specific geographical area.
The cells 22 represent the range of a aforementioned decision station 7 (BTS) of a "base station system" 5 (BSS) within which a cellular terminal device 2 can communicate via a radio link 11 over the respective "base station system" 5 (BSS) come with the closest switch 3 (MSC).
In this case, the telecommunications network 1 also comprises an access point to a wireless LAN interface, the range of which is represented by the circle 23 via which a terminal 2 connects an internet connection 15 over the internet.
14 can establish.
When a user moves with his terminal 2 in the aforementioned zone, for example along the path T indicated in Figure 5, he will be in successive cells in other cells 22 and, when using his terminal 2, the connection successively across different cells 22.
For example, at point A, communication will be via cell 22A, while at point B, communication will be past cell 22B, and at point C in the overlapping zone between cells 22A and 22B, a choice is possible to communicate via one of the cells concerned 22A or 22B.
At the point D which is in the range of cell 22B and in the range 23 of the wireless LAN interface, communication is possible, either via a radio connection or via the internet 14.
The mechanism that controls the transition from one cell to another cell or from a radio connection to an internet connection or vice versa is called handover.
<EMI ID = 2.1>
move from point A to point B, as follows:
- the terminal device 2 (MS) continuously measures the signal level and the quality of the channel used in cell 22 A, and continuously measures the signal level of the neighboring cells 22B, ...;
- the terminal device 2 (MS) continuously transmits measurement reports <EMI ID = 3.1>
"base station controller" 8A (BSC) of the respective "base station system" 5A;
- based on measurement results, the "base station controller" 8A (BSC) submits a request for <EMI ID = 4.1> sent to the switch 3 (MSC);
the decision to perform the handover is made by the switch 3 (MSC) based on the information provided in the "handover_required" message, based on availability of channels in the new cell 22B, based on interference levels in the new cell 22B and other network criteria,
the switch 3 (MSC) initiates the handover by one
<EMI ID = 5.1>
necessary capacity is reserved in the new cell 22B;
the new cell 22B reserves the necessary capacity and responds with a
<EMI ID = 6.1>
forward the same message to the terminal 2
(MS);
the terminal 2 (MS) switches to the new cell 22B and sends a "handover_complete" message to the switch 2 (MSC) via the new cell 22B;
the switch 3 (MSC) eventually sends a "clear command" message to the old cell 22A that
<EMI ID = 7.1>
When moving from point B to D, the terminal device 2 (MS) will end up in the range 23 of the wireless LAN.
Since the cellular frequencies are scarce, according to the invention, the terminal device 2 (MS) is programmed to switch from the cellular "base station system" 5B of the cell 22B to the wireless LAN.
To this end, the interfaces 12-13 of the cellular end devices 2 (MS) and of the switches 3 (MSC) are provided with means that allow to choose the most suitable connection between possible radio connections 11 with one or more cells 22 and possible wireless internet connections
15 with one or more LAN interfaces.
These aforementioned means may be formed, for example, by the fact that the cellular terminal 2 (MS) is provided to transmit a test signal via the wireless LAN interfaces to the internet interfaces 13
(MSCII) of the switches 3 and to receive and compare the test signals sent back through these interfaces to determine the most suitable signal.
This can be done in the following way:
- when detecting the wireless LAN within the range 23, the terminal device 2 (MS) establishes a connection with the internet 14;
- immediately afterwards a TCP / IP connection with the internet interface 13 (MSCII) of the nearest switch 3 (MSC) is established;
the terminal 2 (MS) sends a test pattern over the internet 14 to the internet interface 13 (MSCII) which sends the test pattern back to allow the terminal 2 (MS) to transmit delay and quality (number of bit errors) of the connection 15 measure the internet 14;
<EMI ID = 8.1>
message to the "base station controller" 8B (BSC), the terminal device 2 (MS) also reports on the quality of the connection 15 over the internet 14, for example in the form of a composite quality parameter encoded in 6 bits, sent in the field RXLEV NCELL N that in a standard GSM network contains the signal level of one of the neighboring cells 22, wherein the "measurement_report" message further states that the measurement is a connection
15 over the internet 14 and it passes on the identification of the internet interface 13
(MSCII) to which the terminal device 2 (MS) is connected over the internet 14;
- the "base station controller" 8B (BSC) receives the measurement report and is programmed to a <EMI ID = 9.1>
switch 3 (MSC) if an internet alternative exists and if the quality of that alternative
<EMI ID = 10.1>
message states that the purpose of the handover is a connection 15 over the internet 14, as well as the quality of the internet connection 15 and the identification of the internet interface 13 (MSCII) with which the connection 15 over the internet 14 must be established.
<EMI ID = 11.1>
network information available in the switch 3 (MSC), inter alia with regard to the availability of capacity on the connection 16 between the internet interface 13 (MSCII) and the connected switch 3 (MSC), the switch 3 decides
(MSC) over the handover, where, if the internet alternative is valid, the switch 3 (MSC)
<EMI ID = 12.1>
internet interface 13 (MSCII) with which the connection must be made and where this internet interface
13 (MSCII) then reserves the necessary capacity and a
<EMI ID = 13.1>
returns;
then the switch 3 (MSC) transmits one
<EMI ID = 14.1>
(MS) via the cellular "base station system" 5B (BSS) and the terminal device 2 (MS) performs the handover and
<EMI ID = 15.1>
internet connection 15 and starts sending and receiving over the internet connection 15;
the switch 3 (MSC) closes the operation by sending a "clear command" message to the "base station system" 5B (BSS) which frees up the capacity used for the terminal 2 (MS)
<EMI ID = 16.1>
After completing the handover, the location information is refreshed by the following steps:
- after completion of the handover, the internet address of the terminal device 2 (MS) assigned by a DHCP server and stored in the internet interface 12 (MSII) of the terminal device 2, compared to the LAI stored in the SIM ;
if the internet address differs from the LAI in the SIM, the terminal device 2 (MS) starts the procedure for renewing the location information, as already described above;
after the location information has been refreshed, the telecommunications network 1 is capable of making calls to the terminal 2 (MS) via the internet 14.
As long as the terminal 2 (MS) is connected via the internet 14, it continues to measure the quality of the connection 15 over the internet 14 and continues to send quality reports to the internet interface 13 (MSCII) of the switch 3 (MSC) ). Upon leaving the area 23 covered by the wireless LAN, the quality of the internet connection 15 will deteriorate and the internet interface 13 (MSCII) will decide to send a "handover_required" message to the switch 3
(MSC), so that you can switch back to a cellular base station system 5B.
To make this possible, the internet interface 13 (MSCII) of the switch 3 must be used
(MSC) support the handover-related protocols of a standard base station system (BSS), namely:
- interpretation of the measurement reports sent by the terminal device 2 (MS); <EMI ID = 17.1> generate and send to a switch 3 (MSC);
receive a "clear command" because of the switch 3
(MSC); and
<EMI ID = 18.1>
(MSC).
It is clear that an analogous procedure can be followed when, for example, the terminal 2A is connected during a radio connection 11, for example over the cell 22B, to a fixed internet access 15 "instead of a wireless internet access.
Furthermore, it is clear that the invention is not only limited to end devices 2 that can establish a connection via a cellular access network, but also relates to a network with end devices 2 that can access the network via any type of access network to get.
The present invention is by no means limited to the embodiments described as examples and shown in the figures, but an improved telecommunications network according to the invention can be realized in all kinds of forms without departing from the scope of the invention.