Особенности сотовой системы подвижной связи стандарта GSM

Особенности сотовой системы подвижной связи  стандарта GSM

Аннотация    

 Общевропейский  стандарт GSM (Groupe Special Mobile) - первый в  мире стандарт на цифровые  сотовые системы подвижной связи,  создаваемых в диапазоне 900 Мгц.  Система связи, действующая в  стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования, сетям передачи данных  и цифровым сетям с интеграцией служб.    

 В данном  материале рассмотрены структурные  схемы, состав оборудования, функциональное  построение и интерфейсы, принятые  в стандарте GSM. Определено функционирование логических каналов двух типов: каналов связи для передачи кодированной речи или данных; каналов управления для передачи сигналов управления и синхронизации. Описаны аспекты безопасности в стандарте GSM.   

 Приведены  эксплуатационные характеристики портативных радиотелефонов стандарта GSM. 
 
 

Общие характеристики стандарта GSM

 
    В соответствии с рекомендацией  СЕРТ 1980 г., касающейся использования  спектра частот подвижной связи  в диапазоне частот 862-960 МГц, стандарт GSM на цифровую общеевропейскую (глобальную) сотовую систему наземной подвижной связи предусматривает работу передатчиков в двух диапазонах частот: 890-915 МГц (для передатчиков подвижных станций - MS), 935-960 МГц (для передатчиков базовых станций - BTS).   

 В стандарте  GSM используется узкополосный многостанционный доступ с временным разделением каналов (NB TDMA). В структуре TDMA кадра содержится 8 временных позиций на каждой из 124 несущих.    

 Для защиты  от ошибок в радиоканалах при  передаче информационных сообщений  применяется блочное и сверточное кодирование с перемежением. Повышение эффективности кодирования и перемежения при малой скорости перемещения подвижных станций достигается медленным переключением рабочих частот (SFH) в процессе сеанса связи со скоростью 217 скачков в секунду.   

 Для борьбы  с интерференционными замираниями  принимаемых сигналов, вызванными  многолучевым распространением  радиоволн в условиях города, в аппаратуре связи используются  эквалайзеры, обеспечивающие выравнивание  импульсных сигналов со среднеквадратическим отклонением времени задержки до 16 мкс.    

 Система синхронизации  рассчитана на компенсацию абсолютного  времени задержки сигналов до 233 мкс, что соответствует максимальной  дальности связи или максимальному  радиусу ячейки (соты) 35 км.   

 В стандарте  GSM выбрана гауссовская частотная  манипуляция с минимальным частотным  сдвигом (GMSK). Обработка речи осуществляется  в рамках принятой системы  прерывистой передачи речи (DTX), которая  обеспечивает включение передатчика  только при наличии речевого сигнала и отключение передатчика в паузах и в конце разговора. В качестве речепреобразующего устройства выбран речевой кодек с регулярным импульсным возбуждением/долговременным предсказанием и линейным предикативным кодированием с предсказанием (RPE/LTR-LTP-кодек). Общая скорость преобразования речевого сигнала - 13 кбит/с.   

 В стандарте  GSM достигается высокая степень  безопасности передачи сообщений;  осуществляется шифрование сообщений  по алгоритму шифрования с  открытым ключом (RSA).   

 В целом  система связи, действующая в стандарте GSM, рассчитана на ее использование в различных сферах. Она предоставляет пользователям широкий диапазон услуг и возможность применять разнообразное оборудование для передачи речевых сообщений и данных, вызывных и аварийных сигналов; подключаться к телефонным сетям общего пользования (PSTN), сетям передачи данных (PDN) и цифровым сетям с интеграцией служб (ISDN).

Таблица 1 
( Основные характеристики стандарта GSM )

Структурная схема и состав оборудования сетей связи

 
    Функциональное построение и  интерфейсы, принятые в стандарте  GSM, иллюстрируются структурной схемой (рис.1), на которой MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной  связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции; ОМС (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) - подвижные станции.

 Рисунок 1.Функциональное построение и интерфейсы стандарта GSM .   

 Функциональное  сопряжение элементов системы  осуществляется рядом интерфейсов.  Все сетевые функциональные компоненты  в стандарте GSM взаимодействуют  в соответствии с системой  сигнализации МСЭ-Т (ранее МККТТ) SS N 7 (CCITT SS. N 7)). 
Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы подвижная станция. MSC аналогичен коммутационной станции ISDN и представляет собой интерфейс между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т.д.) и сетью подвижной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной коммутационной станции ISDN, на MSC возлагаются функции коммутации радиоканалов. К ним относятся "эстафетная передача", в процессе которой достигается непрерывность связи при перемещении подвижной станции из соты в соту, и переключение рабочих каналов в соте при появлении помех или неисправностях.   

 Каждый MSC обеспечивает  обслуживание подвижных абонентов, расположенных в пределах определенной географической зоны (например, Москва и область). MSC управляет процедурами установления вызова и маршрутизации. Для телефонной сети общего пользования (PSTN) MSC обеспечивает функции сигнализации по протоколу SS N 7, передачи вызова или другие виды интерфейсов в соответствии с требованиями конкретного проекта.   

MSC формирует  данные, необходимые для выписки  счетов за предоставленные сетью  услуги связи, накапливает данные  по состоявшимся разговорам и  передает их в центр расчетов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети.   

MSC поддерживает  также процедуры безопасности, применяемые  для управления доступами к  радиоканалам.   

MSC не только  участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления, кроме передачи управления в подсистеме базовых станций (BSS). Регистрация местоположения подвижных станций необходима для обеспечения доставки вызова перемещающимся подвижным абонентам от абонентов телефонной сети общего пользования или других подвижных абонентов. Процедура передачи вызова позволяет сохранять соединения и обеспечивать ведение разговора, когда подвижная станция перемещается из одной зоны обслуживания в другую. Передача вызовов в сотах, управляемых одним контроллером базовых станций (BSC), осуществляется этим BSC. Когда передача вызовов осуществляется между двумя сетями, управляемыми разными BSC, то первичное управление осуществляется в MSC. В стандарте GSM также предусмотрены процедуры передачи вызова между сетями (контроллерами), относящимися к разным MSC. Центр коммутации осуществляет постоянное слежение за подвижными станциями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR хранится та часть информации о местоположении какой-либо подвижной станции, которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр HLR содержит международный идентификационный номер подвижного абонента (IMSI). Он используется для опознавания подвижной станции в центре аутентификации (AUC).   

 Практически  HLR представляет собой справочную  базу данных о постоянно прописанных  в сети абонентах. В ней содержатся  опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности  абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации. Ведется регистрация данных о роуминге (блуждании) абонента, включая данные о временном идентификационном номере подвижного абонента (TMSI) и соответствующем VLR.    

 К данным, содержащимся в HLR, имеют дистанционный доступ все MSC и VLR сети и, если в сети имеются несколько HLR, в базе данных содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой определенную часть общей базы данных сети об абонентах. Доступ к базе данных об абонентах осуществляется по номеру IMSI или MSISDN (номеру подвижного абонента в сети ISDN). К базе данных могут получить доступ MSC или VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.   

 Второе основное  устройство, обеспечивающее контроль за передвижением подвижной станции из зоны в зону, - регистр перемещения VLR. С его помощью достигается функционирование подвижной станции за пределами зоны, контролируемой HLR. Когда в процессе перемещения подвижная станция переходит из зоны действия одного контроллера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону действия другого BSC, она регистрируется новым BSC, и в VLR заносится информация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов подвижной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.   

VLR содержит  такие же данные, как и HLR, однако  эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент  находится в зоне, контролируемой VLR. 
В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах нескольких LA. Когда подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся под управлением различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.    

VLR обеспечивает  также присвоение номера "блуждающей" подвижной станции (MSRN). Когда  подвижная станция принимает  входящий вызов, VLR выбирает его  MSRN и передает его на MSC, который  осуществляет маршрутизацию этого  вызова к базовым станциям, находящимся рядом с подвижным абонентом.   

VLR также распределяет  номера передачи управления при  передаче соединений от одного MSC к другому. Кроме того, VLR управляет  распределением новых TMSI и передает  их в HLR. Он также управляет  процедурами установления подлинности во время обработки вызова. По решении оператора TMSI может периодически изменяться для усложнения процедуры идентификации абонентов. Доступ к базе данных VLR может обеспечиваться через IMSI, TMSI или MSRN. В целом VLR представляет собой локальную базу данных о подвижном абоненте для той зоны, где находится абонент, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.   

 Для исключения  несанкционированного использования  ресурсов системы связи вводятся  механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. Центр аутентификации состот из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования абонентских станций на основе базы данных, сосредоточенной в регистре идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Register).   

 Каждый подвижный  абонент на время пользования системой связи получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: международный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3).   

 С помощью  записанной в SIM информации в результате взаимного обмена данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.   

 Процедура  проверки сетью подлинности абонента  реализуется следующим образом.  Сеть передает случайный номер (RAND) на подвижную станцию. На ней с помощью Ki и алгоритма аутентификации A3 определяется значение отклика (SRES), т.е.

SRES = Ki * [RAND]     

 Подвижная  станция посылает вычисленное  значение SRES в сеть, которая сверяет  значение принятого SRES со значением SRES, вычисленным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станция приступает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспечения секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM. Несекретная информация (например, Ki) не подвергается обработке в модуле SIM.   

EIR - регистр  идентификации оборудования, содержит  централизованную базу данных  для подтверждения подлинности  международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IМЕI). Эта база данных относится исключительно к оборудованию подвижной станции. База данных EIR состоит из списков номеров IМЕI, организованных следующим образом: 
    БЕЛЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI, о которых есть сведения, что они закреплены за санкционированными подвижными станциями. 
    ЧЕРНЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI подвижных станций, которые украдены или которым отказано в обслуживании по другой причине. 
    СЕРЫЙ СПИСОК - содержит номера IМЕI подвижных станций, у которых существуют проблемы, выявленные по данным программного обеспечения, что не является основанием для внесения в "черный список".