WCDMA e GSM sono standard di comunicazione di rete mobile. Oggi in Russia il più popolare è il GSM, in cui opera la maggior parte degli operatori russi. E molto raramente gli utenti possono sentire parlare di WCDMA, ad esempio, quando hanno notato accidentalmente le tariffe degli operatori WCDMA o volevano acquistare un telefono che supporta solo questo standard di comunicazione. Finora, il GSM non si sposterà nel mercato russo, ma alcuni dei vantaggi della rete WCDMA fanno riflettere gli utenti su quale sia meglio: WCMDA o GSM. Qual è la differenza tra questi standard di comunicazione e quale è meglio scegliere? Proviamo a capirlo.

Cosa sono WCDMA e GSM in un telefono?

È impossibile spiegare la differenza senza descrivere l'essenza stessa di questi standard. Pertanto, prima di capire qual è la differenza, prenderemo in considerazione gli standard WCDMA o GSM in modo più dettagliato.

Cominciamo con il GSM. Questa abbreviazione sta per Global System for Mobile Communications. Ed è il primo standard globale per le comunicazioni cellulari digitali, che è in una certa misura un modello.

È stato sviluppato dall'Istituto ETSI (Europa) negli anni '90 e si basava sui principi della divisione del canale TDMA, della sicurezza, della crittografia e della trasmissione dei dati. GMS consente di trasferire:

1. Discorso.
2. Messaggi di testo.
3. Fax.
4. Pacchetti dati (GPRS).

Inoltre, grazie a questo standard, per la prima volta, è stato possibile determinare il numero di cellulare da cui si riceve una chiamata, inoltrandola a un altro numero. Non dobbiamo dimenticare la possibilità di creare una chiamata in conferenza, in cui è possibile unire più telefoni cellulari contemporaneamente, e mettere in attesa la chiamata in modalità standby. Un tempo, il GSM ha creato una rivoluzione nel campo delle comunicazioni cellulari.

Cos'è WCMDA?

Parlando di WCDMA o GSM e qual è la differenza tra loro, è sempre opportuno ricordare che WCMDA è in una certa misura un add-on che migliora lo standard GSM. Piuttosto, tutto era originariamente inteso in questo modo, ma oggi WCDMA è uno standard di comunicazione di terza generazione, che si basa su sette progetti internazionali. Ma il GSM è rimasto lo standard di comunicazione di seconda generazione (leggi 2G).

WCDMA si basa sulla tecnologia DS-CDMA, che, rispetto a TDMA, è più resistente alle interferenze e ha una larghezza di banda maggiore. I telefoni che funzionano in ambiente WCMDA possono svolgere le stesse funzioni dello standard GSM (trasmissione di informazioni vocali o digitali), tuttavia, la qualità e la velocità saranno molto più elevate. Pertanto, gli operatori che supportano WCMDA forniscono servizi di accesso a Internet a una velocità maggiore.

WCDMA vs GSM: qual è la differenza?

La differenza più importante e fondamentale è nelle tecnologie utilizzate (TDMA e DS-CDMA), cioè nelle modalità di separazione dei canali. In GSM, la separazione dei canali è temporanea e, per questo motivo, all'abbonato viene assegnata una piccola banda di frequenza per un certo periodo di tempo.

In WCMDA, le cose sono diverse: utilizza la divisione del codice del flusso, in modo che le informazioni tra i dispositivi vengano trasmesse su un'ampia banda di frequenza. Di conseguenza, la velocità di trasferimento dei dati aumenta notevolmente. Da qui il nome Wideband Code Division Multiple Access.

Questa è la principale differenza tra gli standard GSM, WCDMA LTE. Qual è la differenza per l'utente? Avrà una maggiore velocità di Internet e molte meno interferenze durante la conversazione. Nonostante tutti questi vantaggi, il GSM rimane lo standard cellulare più diffuso. Ma tieni presente che ogni anno ci sono più abbonati WCDMA e molti operatori di telecomunicazioni stanno gradualmente passando a questo standard per fornire una velocità di trasferimento dati più elevata. Oggi le aree e i villaggi disabitati non sono coperti dalla rete WCMDA, quindi i residenti di tali aree non hanno ancora un'alternativa al GSM.

Quale scegliere?

Tutto diventa ovvio ora che sai qual è la differenza. Entrambi i modem WCDMA e GSM forniranno l'accesso a Internet, ma a velocità diverse. Vivendo in una grande città, è più logico privilegiare lo standard di comunicazione WCDMA a causa della maggiore velocità di trasferimento dei dati. Allo stesso tempo, dovrebbe essere chiaro che quando si viaggia, il telefono non catturerà la rete in molte regioni del paese, poiché la copertura WCMDA è attualmente scarsa.

È necessario effettuare una scelta tra questi standard a seconda delle esigenze. In generale, il GSM è un tipo di comunicazione "economico e allegro". Sarà garantito ovunque, anche nelle regioni più remote. Come bonus, puoi evidenziare la possibilità di navigare in Internet. Nel caso in cui Internet veloce sia sempre necessario a portata di mano e non siano previsti lunghi viaggi, puoi tranquillamente dare la preferenza allo standard WCMDA. È vero, dovresti prima chiarire se il tuo telefono e il tuo operatore cellulare lo supportano.

Di conseguenza, il canale fisico tra il ricevitore e il trasmettitore è determinato dalla frequenza, dai frame allocati e dal numero di slot temporali in essi contenuti. Tipicamente, le stazioni base utilizzano uno o più canali ARFCN, uno dei quali viene utilizzato per identificare la presenza dei BTS in onda. Il primo timeslot (indice 0) dei frame di questo canale viene utilizzato come canale di controllo di base (canale di controllo di base o canale beacon). Il resto dell'ARFCN è assegnato dall'operatore per i canali CCH e TCH a sua discrezione.

2.3 Canali logici

I canali logici sono formati sulla base dei canali fisici. L'interfaccia Um implica lo scambio di informazioni sia sull'utente che sul servizio. Secondo la specifica GSM, ogni tipo di informazione corrisponde a un tipo speciale di canali logici implementati tramite fisici:

• canali di traffico (TCH - Traffic Channel),
• canali informativi di servizio (CCH - Control Channel).

I canali di traffico si dividono in due tipi principali: TCH / FA- Canale full rate con una velocità massima fino a 22,8 Kbps e TCH / H- Canale Half rate con velocità massima fino a 11,4 Kbps. Questi tipi di canali possono essere utilizzati per la trasmissione vocale (TCH / FS, TCH / HS) e dati utente (TCH / F9.6, TCH / F4.8, TCH / H4.8, TCH / F2.4, TCH / H2 4), ad esempio SMS.

I canali informativi di servizio si suddividono in:

• Trasmissione (BCH - Canali di trasmissione).
  • FCCH - Canale di correzione della frequenza. Fornisce le informazioni richieste dal telefono cellulare per la correzione della frequenza.
  • SCH - Canale di sincronizzazione. Fornisce al telefono cellulare le informazioni necessarie per la sincronizzazione TDMA con una stazione base (BTS) e la sua identità BSIC.
  • BCCH - Canale di controllo della trasmissione. Trasmette informazioni di base sulla stazione base, come il modo di organizzare i canali di servizio, il numero di blocchi riservati ai messaggi di concessione e il numero di multiframe (51 frame TDMA ciascuno) tra le richieste di paging.
• Canali di controllo comuni (CCCH)
  • PCH - Canale di paging. Guardando al futuro, ti dirò che il paging è una sorta di ping di un telefono cellulare, che consente di determinarne la disponibilità in una determinata area di copertura. Questo canale è progettato proprio per questo.
  • RACH - Canale ad accesso casuale. Utilizzato dai telefoni cellulari per richiedere il proprio SDCCH. Canale esclusivamente Uplink.
  • AGCH - Accesso al canale di concessione. Su questo canale, le stazioni base rispondono alle richieste RACH dei telefoni cellulari, assegnando SDCCH, o immediatamente TCH.
• Canali di controllo dedicati (DCCH)
  I propri canali, come TCH, sono assegnati a telefoni cellulari specifici. Esistono diverse sottospecie:
  • SDCCH - Canale di controllo dedicato autonomo. Questo canale viene utilizzato per l'autenticazione del telefono cellulare, lo scambio di chiavi di crittografia, la procedura di aggiornamento della posizione, nonché per effettuare chiamate vocali e scambiare messaggi SMS.
  • SACCH - Canale di controllo associato lento. Utilizzato durante una conversazione o quando il canale SDCCH è già in uso. Con il suo aiuto, il BTS invia istruzioni periodiche al telefono per modificare i tempi e la potenza del segnale. Nella direzione opposta, ci sono dati sulla potenza del segnale ricevuto (RSSI), sulla qualità TCH, nonché sulla potenza del segnale delle stazioni base più vicine (misurazioni BTS).
  • FACCH - Canale di controllo veloce associato. Questo canale è fornito insieme al TCH e consente la trasmissione di messaggi urgenti, ad esempio, durante il passaggio da una stazione base all'altra (Handover).

2.4 Che cos'è lo scoppio?

I dati in onda vengono trasmessi sotto forma di sequenze di bit, il più delle volte chiamate "burst", all'interno di fasce orarie. Il termine "burst", il cui analogo più adatto è la parola "burst", dovrebbe essere familiare a molti radioamatori e molto probabilmente è apparso durante la compilazione di modelli grafici per l'analisi delle trasmissioni radio, dove qualsiasi attività è come cascate e spruzzi d'acqua . Puoi leggere di più su di loro in questo meraviglioso articolo (fonte delle immagini), ci concentreremo sulla cosa più importante. Una rappresentazione schematica di un burst potrebbe assomigliare a questa:

Periodo di guardia
Per evitare interferenze (ovvero la sovrapposizione di due busrt), la durata del burst è sempre inferiore alla durata della finestra temporale di un certo valore (0,577 - 0,546 = 0,031 ms), chiamato "periodo di guardia". Questo periodo è una sorta di margine di tempo per compensare eventuali ritardi nella trasmissione del segnale.

bit di coda
Questi marcatori definiscono l'inizio e la fine del burst.

Informazioni
Burst payload, come i dati dell'abbonato o il traffico del servizio. Consiste di due parti.

Rubare le bandiere
Questi due bit vengono impostati quando entrambi i pezzi dei dati burst TCH vengono trasmessi sul FACCH. Un bit trasmesso invece di due significa che solo una parte del burst è trasmessa sul FACCH.

Sequenza di allenamento
Questa parte del burst viene utilizzata dal ricevitore per determinare le caratteristiche fisiche del canale tra il telefono e la stazione base.

2.5 Tipi di burst

Ogni canale logico corrisponde a determinati tipi di burst:

Scoppio normale
Sequenze di questo tipo implementano canali di traffico (TCH) tra la rete e gli abbonati, nonché tutti i tipi di canali di controllo (CCH): CCCH, BCCH e DCCH.

Burst di correzione della frequenza
Il nome parla da solo. Implementa un FCCH downlink unidirezionale che consente ai telefoni cellulari di sintonizzarsi con maggiore precisione sulla frequenza BTS.

Sincronizzazione Burst
Burst di questo tipo, come Frequency Correction Burst, implementa un canale downlink, solo SCH, che è progettato per identificare la presenza di stazioni base in aria. Simile ai pacchetti beacon nelle reti WiFi, ogni burst viene trasmesso a piena potenza e contiene anche informazioni sul BTS necessarie per sincronizzarsi con esso: frame rate, dati di identificazione (BSIC) e altro.

Esplosione fittizia
Un burst fittizio inviato dalla stazione base per riempire le fasce orarie non utilizzate. Il fatto è che se non c'è attività sul canale, la potenza del segnale dell'attuale ARFCN sarà significativamente inferiore. In questo caso, il telefono cellulare potrebbe sembrare lontano dalla stazione base. Per evitare ciò, BTS inonda le fasce orarie inutilizzate con traffico insignificante.

Accesso Burst
Quando si stabilisce una connessione con il BTS, il telefono cellulare invia una richiesta SDCCH dedicata sul RACH. La stazione base, dopo aver ricevuto tale burst, assegna all'abbonato i suoi tempi di sistema FDMA e risponde sul canale AGCH, dopodiché il telefono cellulare può ricevere ed inviare Normal Burst. Vale la pena notare l'aumento della durata del tempo di guardia, poiché inizialmente né il telefono né la stazione base erano a conoscenza dei ritardi temporali. Se la richiesta RACH non raggiunge la fascia oraria, il telefono cellulare la invia nuovamente dopo un intervallo di tempo pseudo-casuale.

2.6 Salto di frequenza

Citando da Wikipedia:

Lo spettro diffuso a salto di frequenza (FHSS) è un metodo di trasmissione di informazioni via radio, la cui particolarità è il frequente cambiamento della frequenza portante. La frequenza cambia secondo una sequenza pseudocasuale di numeri noti sia al mittente che al destinatario. Il metodo aumenta l'immunità al rumore del canale di comunicazione.

3.1 Vettori di attacco di base

Poiché l'interfaccia Um è un'interfaccia radio, tutto il suo traffico è "visibile" a chiunque si trovi nel raggio del BTS. Inoltre, puoi analizzare i dati trasmessi via etere senza nemmeno uscire di casa, utilizzando attrezzature speciali (ad esempio, un vecchio telefono cellulare supportato dal progetto OsmocomBB, o una piccola chiavetta RTL-SDR) e le mani dirette di un normale computer .

Esistono due tipi di attacchi: passivi e attivi. Nel primo caso, l'attaccante non interagisce in alcun modo con la rete o l'abbonato attaccato, ma solo ricevendo ed elaborando informazioni. Non è difficile intuire che è quasi impossibile rilevare un tale attacco, ma non ha tante prospettive quanto uno attivo. Un attacco attivo comporta l'interazione dell'attaccante con l'abbonato attaccato e/o la rete cellulare.

I tipi di attacchi più pericolosi a cui sono esposti gli abbonati alle reti cellulari possono essere identificati:

• annusando
• Perdita di dati personali, SMS e chiamate vocali
• Fuga di dati sulla posizione
• Spoofing (FakeBTS o IMSI Catcher)
• Acquisizione SIM remota, esecuzione di codice arbitrario (RCE)
• Denial of Service (DoS)

3.2 Identificazione dell'abbonato

Come accennato all'inizio dell'articolo, gli abbonati vengono identificati utilizzando IMSI, che viene registrato nella carta SIM dell'abbonato e nell'HLR dell'operatore. I telefoni cellulari sono identificati dal loro numero di serie - IMEI. Tuttavia, dopo l'autenticazione, né IMSI né IMEI volano apertamente in aria. Dopo la procedura di aggiornamento della posizione, all'abbonato viene assegnato un identificatore temporaneo - TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) e viene eseguita un'ulteriore interazione con il suo aiuto.

Metodi di attacco
Idealmente, il TMSI dell'abbonato è conosciuto solo dal telefono cellulare e dalla rete cellulare. Tuttavia, ci sono modi per aggirare questa protezione. Se si chiama ciclicamente un abbonato o si inviano messaggi SMS (o meglio SMS silenziosi), guardando il canale PCH ed effettuando la correlazione, è possibile selezionare con una certa precisione il TMSI dell'abbonato attaccato.

Inoltre, avendo accesso alla rete di comunicazione tra operatori SS7, è possibile conoscere l'IMSI e il LAC del suo proprietario tramite il numero di telefono. Il problema è che nella rete SS7 tutti gli operatori "si fidano" l'uno dell'altro, riducendo così il livello di riservatezza dei dati dei propri abbonati.

3.3 Autenticazione

Per proteggersi dallo spoofing, la rete autentica l'abbonato prima di iniziare a servirlo. Oltre all'IMSI, la scheda SIM memorizza una sequenza generata casualmente chiamata Ki, che restituisce solo in forma hash. Ki è anche memorizzato nell'HLR dell'operatore e non viene mai trasmesso in chiaro. In generale, il processo di autenticazione si basa sul principio dell'handshake a quattro vie:

1. L'abbonato effettua una richiesta di aggiornamento della posizione, quindi fornisce l'IMSI.
2. La rete invia un valore RAND pseudo-casuale.
3. La scheda SIM del telefono esegue l'hashing di Ki e RAND utilizzando l'algoritmo A3. A3 (RAND, Ki) = SRAND.
4. La rete esegue anche l'hashing di Ki e RAND utilizzando l'algoritmo A3.
5. Se il valore SRAND lato abbonato coincide con quello calcolato lato rete, allora l'abbonato è stato autenticato.

Metodi di attacco
L'iterazione su Ki con i valori RAND e SRAND può richiedere molto tempo. Inoltre, gli operatori possono utilizzare i propri algoritmi di hashing. Ci sono molte informazioni in rete sui tentativi di forza bruta. Tuttavia, non tutte le schede SIM sono perfettamente protette. Alcuni ricercatori sono riusciti ad accedere direttamente al file system della SIM card e quindi ad estrarre il Ki.

3.4 Crittografia del traffico

Secondo la specifica, ci sono tre algoritmi per crittografare il traffico utente:

• LA5/0- designazione formale della mancanza di crittografia, proprio come OPEN nelle reti WiFi. Io stesso non ho mai visto una rete senza crittografia, tuttavia, secondo gsmmap.org, A5/0 è utilizzato in Siria e Corea del Sud.
• LA5 / 1è l'algoritmo di crittografia più comune. Nonostante il fatto che il suo hacking sia già stato ripetutamente dimostrato in varie conferenze, viene utilizzato ovunque e ovunque. Per decifrare il traffico basta avere 2 TB di spazio libero su disco, un normale personal computer con a bordo Linux e il programma Kraken.
• LA5 / 2- un algoritmo di crittografia con protezione deliberatamente indebolita. Se è usato dove, è solo per bellezza.
• LA5 / 3è attualmente l'algoritmo di crittografia più sicuro, sviluppato nel 2002. Su Internet è possibile trovare informazioni su alcune vulnerabilità teoricamente possibili, ma in pratica nessuno ha ancora dimostrato come decifrarle. Non so perché i nostri operatori non vogliano utilizzarlo nelle loro reti 2G. Dopotutto, questo è lungi dall'essere un ostacolo, tk. le chiavi di crittografia sono note all'operatore e il traffico può essere decifrato abbastanza facilmente da parte sua. E tutti i telefoni moderni lo supportano perfettamente. Fortunatamente, le moderne reti 3GPP lo usano.

Metodi di attacco
Come già accennato, disponendo di un'apparecchiatura di sniffing e di un computer con 2 TB di memoria e del programma Kraken, è possibile trovare rapidamente (pochi secondi) le chiavi di crittografia della sessione A5/1 e quindi decrittografare il traffico di chiunque. Il crittologo tedesco Karsten Nohl ha dimostrato nel 2009 come hackerare A5 / 1. Alcuni anni dopo, Karsten e Sylvian Muno hanno dimostrato l'intercettazione e la decrittazione di una conversazione telefonica utilizzando diversi vecchi telefoni Motorola (progetto OsmocomBB).

Conclusione

La mia lunga storia è giunta al termine. Più in dettaglio e da un punto di vista pratico, sarà possibile conoscere i principi delle reti cellulari nella serie di articoli Conoscenza di OsmocomBB, non appena aggiungerò le parti rimanenti. Spero di essere riuscito a dirti qualcosa di nuovo e interessante. Aspetto i vostri feedback e commenti! Aggiungi i tag

Capitolo 1. SISTEMA RADIO CELLULARE DIGITALE CELLULARE DI STANDARD GSM

1.1. Caratteristiche generali dello standard GSM

In conformità con la raccomandazione CEPT del 1980 relativa all'uso dello spettro mobile nella gamma di frequenze 862-960 MHz, lo standard GSM per il sistema mobile terrestre cellulare digitale paneuropeo (globale) prevede il funzionamento dei trasmettitori in due gamme di frequenza: 890-915 MHz (per trasmettitori della stazione mobile - MS), 935-960 MHz (per trasmettitori della stazione base - BTS).

Lo standard GSM utilizza l'accesso multiplo a divisione di tempo a banda stretta (NB TDMA). La struttura del frame TDMA contiene 8 posizioni temporali su ciascuna delle 124 portanti.

Per proteggersi dagli errori nei canali radio durante la trasmissione di messaggi informativi, viene utilizzata la codifica interleaving a blocchi e convoluzionale. Il miglioramento dell'efficienza della codifica e dell'interlacciamento a bassa velocità di movimento delle stazioni mobili viene ottenuto mediante commutazione lenta delle frequenze operative (SFH) durante una sessione di comunicazione a una velocità di 217 salti al secondo.

Per combattere la dissolvenza delle interferenze dei segnali ricevuti causata dalla propagazione multipercorso delle onde radio in condizioni urbane, l'apparecchiatura di comunicazione utilizza equalizzatori che forniscono l'equalizzazione dei segnali a impulsi con una deviazione standard del tempo di ritardo fino a 16 μs.

Il sistema di sincronizzazione è progettato per compensare il tempo di ritardo assoluto del segnale fino a 233 μs, che corrisponde al raggio di comunicazione massimo o al raggio massimo della cella (cella) di 35 km.

Nello standard GSM, è selezionato Gaussian Frequency Shift Keying (GMSK). L'elaborazione del parlato avviene nell'ambito del sistema adottato di trasmissione discontinua del parlato (DTX), che assicura che il trasmettitore sia acceso solo in presenza di un segnale vocale e il trasmettitore sia spento durante le pause e alla fine del una conversazione. Un codec vocale con eccitazione dell'impulso regolare/previsione a lungo termine e codifica predittiva lineare con previsione (RPE/LTR-LTP-codec) viene selezionato come dispositivo di trasformazione del parlato. La velocità totale di conversione del parlato, su un segnale è di 13 kbps.

Lo standard GSM raggiunge un alto grado di sicurezza per la trasmissione dei messaggi; i messaggi vengono crittografati utilizzando l'algoritmo di crittografia a chiave pubblica (RSA).

In generale, il sistema di comunicazione che opera nello standard GSM è progettato per il suo utilizzo in vari campi. Fornisce agli utenti un'ampia gamma di servizi e la possibilità di utilizzare una varietà di apparecchiature per la trasmissione di messaggi vocali e dati, chiamate e segnali di allarme; connettersi a reti telefoniche pubbliche commutate (PSTN), reti dati (PDN) e reti digitali a servizi integrati (ISDN).

Principali caratteristiche dello standard GSM

Frequenze di trasmissione di una stazione mobile e ricezione di una stazione base, MHz	890-915
Frequenze di ricezione di una stazione mobile e trasmissione di una stazione base, MHz	935-960
Spaziatura duplex delle frequenze di ricezione e trasmissione, MHz	45
Velocità di trasmissione dei messaggi nel canale radio, kbit/s	270, 833
Tasso di conversione del codec vocale, kbps	13
Larghezza di banda del canale di comunicazione, kHz	200
Numero massimo di canali di comunicazione	124
Il numero massimo di canali organizzati nella stazione base	16-20
Tipo di modulazione	GMSK
Indice di modulazione	BT 0,3
Larghezza di banda del filtro gaussiano di pre-modulazione, kHz	81,2
Salti di frequenza al secondo	217
Frame TDMA a diversità di tempo (trasmissione/ricezione) per una stazione mobile	2
Tipo di codec vocale	RPE / LTP
Raggio massimo della cella, km	fino a 35
Disposizione dei canali combinata TDMA / FDMA

1.2. Schema strutturale e composizione degli apparati per reti di comunicazione

La struttura funzionale e le interfacce adottate nello standard GSM sono illustrate dallo schema a blocchi di Fig, 1.1, in cui MSC (Mobile Switching Center) è un centro di commutazione mobile; BSS (Base Station System) - apparecchiature della stazione base; OMC (Operations and Maintenance Center) - centro di controllo e assistenza; MS (stazioni mobili) - stazioni mobili.

L'interfacciamento funzionale degli elementi del sistema viene effettuato da una serie di interfacce. Tutti i componenti funzionali di rete nello standard GSM interagiscono secondo il sistema di segnalazione CCITT SS N 7 (CCITT SS. N 7).

Il centro di commutazione mobile serve un gruppo di celle e fornisce tutti i tipi di connessioni di cui una stazione mobile ha bisogno nel processo. MSC è simile all'ufficio di commutazione ISDN ed è un'interfaccia tra reti fisse (PSTN, PDN, ISDN, ecc.) e una rete mobile. Fornisce funzioni di instradamento e controllo delle chiamate. Oltre a svolgere le funzioni di una stazione di commutazione ISDN convenzionale, l'MSC è responsabile delle funzioni di commutazione dei canali radio. Questi includono "handover", durante il quale si ottiene la continuità della comunicazione quando una stazione mobile si sposta da una cella all'altra, e la commutazione dei canali di lavoro in una cella quando si verificano interferenze o malfunzionamenti.

Ogni MSC fornisce servizi agli abbonati mobili situati all'interno di una determinata area geografica (ad esempio Mosca e la regione). L'MSC gestisce le procedure di impostazione e instradamento delle chiamate. Per la rete telefonica pubblica commutata (PSTN), MSC fornisce segnalazione SS N 7, trasferimento di chiamata o altri tipi di interfacce come richiesto da un progetto specifico.

MSC genera i dati necessari alla fatturazione dei servizi di comunicazione forniti dalla rete, accumula i dati sulle conversazioni avvenute e li trasferisce al centro di liquidazione (centro di fatturazione). Il MSC compila anche le statistiche necessarie per monitorare e ottimizzare la rete.

Il MSC mantiene anche le procedure di sicurezza utilizzate per controllare l'accesso ai collegamenti radio.

Il MSC non solo partecipa al controllo delle chiamate, ma gestisce anche la registrazione della posizione e le procedure di consegna, oltre alla consegna del sottosistema della stazione base (BSS). La registrazione della posizione della stazione mobile è necessaria per garantire la consegna delle chiamate agli abbonati mobili in roaming da abbonati PSTN o altri abbonati mobili. La procedura di passaggio di chiamata consente di mantenere le connessioni e mantenere una conversazione quando una stazione mobile si sposta da un'area di servizio all'altra. Le chiamate nelle celle controllate da un controller della stazione base (BSC) sono gestite da questo BSC. Quando le chiamate vengono trasferite tra due reti controllate da diversi BSC, il controllo principale è sull'MSC. Lo standard GSM prevede anche procedure di trasferimento di chiamata tra reti (controllori) appartenenti a MSC differenti. Il centro di commutazione monitora continuamente le stazioni mobili utilizzando registri di posizione (HLR) e registri di movimento (VLR). L'HLR memorizza quella parte delle informazioni sulla posizione di una stazione mobile che consente al centro di commutazione di consegnare la chiamata alla stazione. L'HLR contiene l'International Mobile Subscriber Identity (IMSI). Viene utilizzato per identificare la stazione mobile presso il Centro di autenticazione (AUC) (Fig. 1.2, 1.3).

Composizione dei dati temporanei archiviati in HLR e VLR

In pratica, HLR è un database di riferimento degli abbonati permanentemente registrati nella rete. Contiene numeri di identificazione e indirizzi, nonché parametri di autenticità dell'abbonato, la gamma di servizi di comunicazione e informazioni di routing speciali. Vengono registrati i dati di roaming (vagabondaggio) dell'abbonato, incluso il numero di identificazione dell'abbonato mobile temporaneo (TMSI) e il VLR associato.

Tutte le reti MSC e VLR hanno accesso remoto ai dati contenuti nell'HLR e, se nella rete sono presenti più HLR, il database contiene un solo record di abbonato, quindi ogni HLR rappresenta una certa parte del database di abbonati alla rete complessiva. L'accesso al database degli abbonati avviene tramite IMSI o MSISDN (numero dell'abbonato mobile nella rete ISDN). È possibile accedere al database da MSC o VLR appartenenti ad altre reti come parte della fornitura di roaming tra reti agli abbonati.

Il secondo dispositivo principale che fornisce il controllo sul movimento di una stazione mobile da zona a zona è il registro di movimento VLR. Consente il funzionamento della stazione mobile al di fuori dell'area controllata dall'HLR. Quando, nel processo di spostamento, una stazione mobile si sposta dalla copertura di un controller della stazione base BSC, che unisce un gruppo di stazioni base, alla copertura di un altro BSC, viene registrata con un nuovo BSC e le informazioni sulla comunicazione il numero di area viene inserito nel VLR, che garantirà la consegna delle chiamate

stazione mobile. Per la sicurezza dei dati che si trovano negli HLR e VLR, in caso di guasti, i dispositivi di memoria di questi registri sono protetti.

Il VLR contiene gli stessi dati dell'HLR, tuttavia, questi dati sono contenuti nel VLR solo finché l'abbonato si trova nell'area controllata dal VLR.

In una rete mobile GSM, le celle sono raggruppate in aree geografiche (LA), alle quali viene assegnato un proprio numero di identificazione (LAC). Ogni VLR contiene i dati dell'abbonato in più LA. Quando un abbonato mobile si sposta da un LA a un altro, i suoi dati sulla posizione vengono aggiornati automaticamente nel VLR. Se il vecchio e il nuovo LA sono gestiti da VLR diversi, i dati sul vecchio VLR vengono cancellati dopo essere stati copiati sul nuovo VLR. Viene aggiornato anche l'indirizzo VLR corrente dell'abbonato contenuto nell'HLR.

Il VLR fornisce anche un'assegnazione di un numero di stazione mobile in roaming (MSRN). Quando la stazione mobile riceve una chiamata in arrivo, il VLR seleziona il suo MSRN e lo trasmette all'MSC, che instrada la chiamata alle stazioni base vicino all'abbonato mobile.

Il VLR alloca anche i numeri di consegna quando si trasferiscono le connessioni da un MSC a un altro. Inoltre, il VLR gestisce la distribuzione di nuovi TMSI e li sottopone all'HLR. Gestisce inoltre le procedure di autenticazione durante l'elaborazione delle chiamate. A decisione dell'operatore, il TMSI può essere periodicamente modificato per complicare la procedura di identificazione dell'abbonato. È possibile accedere al database VLR tramite IMSI, TMSI o MSRN. In generale, il VLR è un database di abbonati mobili locali per l'area in cui si trova l'abbonato, che elimina le richieste HLR persistenti e riduce il tempo di gestione delle chiamate.

Per escludere l'uso non autorizzato delle risorse del sistema di comunicazione, vengono introdotti meccanismi di autenticazione: autenticazione dell'abbonato. Il Centro di autenticazione è costituito da diversi blocchi e genera chiavi e algoritmi di autenticazione. Con il suo aiuto, viene verificata l'autorità dell'abbonato e viene effettuato il suo accesso alla rete di comunicazione. L'AUC decide i parametri del processo di autenticazione e determina le chiavi di cifratura delle postazioni abbonati sulla base del database concentrato nell'Equipment Identification Register (EIR).

Ogni abbonato mobile per il tempo di utilizzo del sistema di comunicazione riceve un modulo di autenticazione dell'abbonato standard (SIM), che contiene: un numero di identificazione internazionale (IMSI), la propria chiave di autenticazione individuale (Ki), un algoritmo di autenticazione (A3).

Con l'ausilio delle informazioni registrate nella SIM, a seguito del reciproco scambio di dati tra la stazione mobile e la rete, viene effettuato un ciclo di autenticazione completo e viene consentito l'accesso dell'abbonato alla rete.

La procedura per il controllo dell'identità dell'abbonato da parte della rete è implementata come segue. La rete trasmette un numero casuale (RAND) alla stazione mobile. Su di esso, utilizzando Ki e l'algoritmo di autenticazione A3, viene determinato il valore di risposta (SRES), ad es.

SRES = Ki * [RAND]

La stazione mobile invia il valore SRES calcolato alla rete, che confronta il valore SRES ricevuto con il valore SRES calcolato dalla rete. Se entrambi i valori sono uguali, la stazione mobile inizia a inviare messaggi. In caso contrario, la comunicazione viene interrotta e l'indicatore della stazione mobile indica che l'identificazione non è avvenuta. Per garantire la privacy, il SRES viene calcolato all'interno della SIM. Le informazioni non classificate (es. Ki) non vengono elaborate nel modulo SIM.

EIR - Equipment Identification Register, contiene un database centralizzato per la conferma dell'autenticità dell'International Mobile Station Equipment Identification Number (1ME1). Questo database si applica esclusivamente all'equipaggiamento della stazione mobile. La banca dati EIR è costituita da elenchi di numeri 1ME1, organizzati come segue:

WHITE LIST - Contiene i numeri 1ME1 che sono noti per essere assegnati alle stazioni mobili autorizzate.

BLACK LIST - contiene i numeri 1ME1 di stazioni mobili che sono state rubate o negate il servizio per un altro motivo.

GRAY LIST - contiene i numeri 1ME1 delle stazioni mobili che hanno problemi identificati dai dati del software, motivo per cui non sono inclusi nella "lista nera".

Al database EIR accedono in remoto gli MSC della rete e gli MSC di altre reti mobili.

Come con l'HLR, una rete può avere più di un EIR, con ogni EIR che gestisce gruppi 1ME1 specifici. L'MSC include un traduttore che, alla ricezione del numero 1ME1, restituisce l'indirizzo EIR che controlla la parte corrispondente del database dell'apparecchiatura.

L'IWF è un giunto funzionale di internetworking, che è una delle parti costitutive del MSC. Fornisce agli abbonati l'accesso al protocollo e alle conversioni della velocità dei dati in modo che possano essere trasferiti tra la sua apparecchiatura terminale GSM (DIE) e l'apparecchiatura terminale di rete fissa convenzionale. Il gateway inoltre "estrae" il modem dal proprio banco di apparati per l'interfacciamento con il corrispondente modem di rete fissa. L'IWF fornisce anche interfacce di tipo a connessione diretta per le apparecchiature fornite dal cliente, come i dati a pacchetto PAD sul protocollo X.25.

EC - cancellatore d'eco, utilizzato da MSC lato PSTN per tutti i canali telefonici (indipendentemente dalla loro lunghezza) dovuti a ritardi fisici nei percorsi di propagazione, compreso il canale radio, delle reti GSM. Un tipico cancellatore di eco può fornire 68 millisecondi di cancellazione tra l'uscita EC e il telefono di rete fissa. Il ritardo totale nel canale GSM nelle direzioni avanti e indietro causato dall'elaborazione del segnale, codifica/decodifica vocale, codifica canale, ecc. è di circa 180 ms. Questo ritardo non sarebbe avvertibile dall'abbonato mobile se il trasformatore ibrido non fosse incluso nel canale telefonico con una conversione di percorso da modalità a due fili a modalità a quattro fili, la cui installazione è necessaria nel MSC, poiché il collegamento standard a la PSTN è a due fili. Quando due utenti di una rete fissa sono collegati, non ci sono echi. Senza accendere l'UE, il ritardo dalla propagazione dei segnali nel percorso GSM irriterà gli abbonati, interromperà il discorso e distrarrà l'attenzione.

OMC - il centro di funzionamento e manutenzione, è l'elemento centrale della rete GSM, che fornisce il controllo e la gestione di altri componenti di rete e il controllo della qualità del suo lavoro. OMC si connette con altri componenti della rete GSM tramite canali di trasmissione di pacchetti X.25. L'OMC fornisce funzioni di gestione degli allarmi per allertare il personale di manutenzione e registra le informazioni di emergenza su altri componenti di rete. A seconda della natura del malfunzionamento, l'OMC consente di garantirne l'eliminazione automaticamente o con l'intervento attivo del personale. OMC può fornire una verifica dello stato delle apparecchiature di rete e dell'andamento della chiamata alla stazione mobile. OMC permette di gestire il carico in rete. L'efficiente funzione di gestione prevede la raccolta di dati statistici sul carico dai componenti della rete GSM, la loro registrazione in file su disco e la loro visualizzazione per l'analisi visiva. OMC fornisce la gestione delle modifiche software e dei database sulla configurazione degli elementi di rete. Il software può essere caricato in memoria dall'OMS ad altri elementi di rete o da questi all'OMS.

NMC è un centro di gestione della rete che consente una gestione gerarchica razionale della rete GSM. Fornisce operazioni e manutenzione a livello di rete, supportate dai centri CHI responsabili della gestione delle reti regionali. L'NMC fornisce la gestione del traffico per l'intera rete e fornisce il controllo di supervisione della rete per emergenze complesse come il guasto o il sovraccarico del nodo. Inoltre, monitora lo stato dei dispositivi di controllo automatico utilizzati nelle apparecchiature di rete e visualizza lo stato della rete per gli operatori NMC. Ciò consente agli operatori di controllare i problemi regionali e, se necessario, fornire assistenza agli organi di autogoverno locali responsabili di una specifica regione. In questo modo, il personale NMC è a conoscenza dello stato dell'intera rete e può istruire il personale MHO a modificare la propria strategia per risolvere un problema regionale.

L'NMC si concentra sulla segnalazione di rotte e connessioni tra i nodi per evitare condizioni di congestione sulla rete. Anche monitorato

percorsi di connessione tra rete GSM e PSTN per evitare la propagazione di condizioni di congestione tra le reti. In tal modo, il personale NMC coordina i problemi di gestione della rete con altro personale NMC. L'NMC fornisce anche capacità di gestione del traffico per le apparecchiature di rete del sottosistema della stazione base (BSS). Gli operatori NMC in situazioni estreme possono impiegare procedure di gestione come "accesso prioritario", in cui solo gli abbonati ad alta priorità (servizi di emergenza) possono accedere al sistema.

L'NMC può assumere la responsabilità in qualsiasi regione quando l'MLA locale non è presidiato, con l'MLA che funge da punto di transito tra l'NMC e l'apparecchiatura di rete. L'NMC fornisce agli operatori funzioni simili a quelle dell'OMC.

L'NMC è anche un importante strumento di pianificazione della rete, poiché l'NMC monitora la rete e il modo in cui opera a livello di rete, e quindi fornisce ai pianificatori di rete i dati che ne determineranno lo sviluppo ottimale.

BSS - apparecchiatura della stazione base, consiste in un controller della stazione base (BSC) e stazioni base ricetrasmittenti (BTS). Il controller della stazione base può controllare più unità di trasmissione/ricezione. Il BSS gestisce l'assegnazione dei canali radio, monitora le connessioni, regola la loro sequenza, fornisce modalità di salto di frequenza, modulazione e demodulazione del segnale, codifica e decodifica dei messaggi, codifica del parlato, adattamento della velocità di trasmissione per voce, dati e chiamata e determina la sequenza di trasmissione di messaggi di paging.

Il BSS insieme a MSC, HLR, VLR svolge alcune funzioni, ad esempio: il rilascio del canale è principalmente sotto il controllo del MSC, ma il MSC può richiedere alla stazione base di fornire il rilascio del canale se la chiamata lo fa non passare a causa di interferenze radio. Il BSS e l'MSC insieme danno la priorità alla trasmissione di informazioni per alcune categorie di stazioni mobili.

TCE è un transcoder che converte i segnali di uscita del canale di trasmissione voce e dati MSC (PCM a 64 kbps) nella forma corrispondente alle raccomandazioni GSM per l'interfaccia radio (Rec. GSM 04.08). In conformità con questi requisiti, la velocità di trasmissione del parlato digitale è di 13 kbps. Questo canale per la trasmissione di segnali vocali digitali è chiamato "full rate". In futuro, lo standard prevede l'utilizzo di un canale vocale a velocità dimezzata (velocità di trasmissione 6,5 kbps).

La riduzione della velocità di trasmissione si ottiene utilizzando uno speciale dispositivo di conversione vocale che utilizza la codifica predittiva lineare (LPC), la previsione a lungo termine (LTP), l'eccitazione dell'impulso residuo (RPE - a volte chiamata RELP).

Il transcoder si trova solitamente insieme all'MSC, quindi la trasmissione di messaggi digitali nella direzione al controller della stazione base - BSC viene eseguita con l'aggiunta di bit aggiuntivi (stuffing) allo stream con una velocità di trasmissione di 13 kbit / s fino a una velocità di trasmissione dati di 16 kbit/s. Viene quindi compresso con un fattore di 4 su un canale standard a 64 kbps. Si forma così la linea PCM a 30 canali definita dalle Raccomandazioni GSM, che prevede la trasmissione di 120 canali voce. Un sedicesimo canale (64 kbps), un "time slot", è assegnato separatamente per le informazioni di segnalazione e spesso contiene traffico SS N7 o LAPD. L'altro canale (64 kbit/s) può trasportare anche pacchetti dati conformi al protocollo CCITT X.25.

Pertanto, la velocità di trasmissione risultante per l'interfaccia specificata è 30x64 kbps + 64 kbps + 64 kbps = 2048 kbps.

MS - una stazione mobile, costituita da apparecchiature che servono a organizzare l'accesso per gli abbonati alle reti GSM alle reti di telecomunicazioni fisse esistenti. Nell'ambito dello standard GSM vengono adottate cinque classi di stazioni mobili dal modello di 1a classe con una potenza di uscita di 20 W installato sul veicolo al modello portatile di 5a classe con una potenza massima di 0,8 W (Tabella 1.1). Quando si trasmettono messaggi, viene fornito un controllo adattativo della potenza del trasmettitore per garantire la qualità di comunicazione richiesta.

L'abbonato mobile e la stazione sono indipendenti l'uno dall'altro. Come già notato, ogni abbonato ha il proprio numero di identificazione internazionale (IMSI) registrato sulla sua smart card. Questo approccio consente di installare radiotelefoni, ad esempio, nei taxi e nelle auto a noleggio. Ad ogni stazione mobile viene inoltre assegnato il proprio numero di identificazione internazionale (1ME1). Questo numero viene utilizzato per impedire a una stazione rubata o non autorizzata di accedere alle reti GSM.

Tabella 1.1

Classe di potenza	Livello massimo di potenza del trasmettitore	Deviazioni consentite
1	20 watt	1,5dB
2	8 watt	1,5dB
3	5 watt	1,5dB
4	2 watt	1,5dB
5	0,8 watt	1,5dB

1.3. Interfacce di rete e radio

Quando si progettano sistemi cellulari digitali per la comunicazione mobile dello standard GSM, vengono considerati tre tipi di interfacce: per la connessione con reti esterne; tra diversi apparati di reti GSM; tra la rete GSM e le apparecchiature esterne. Tutte le interfacce interne esistenti delle reti GSM sono mostrate nello schema a blocchi di Fig. 1.1. Sono pienamente conformi ai requisiti delle Raccomandazioni ETSI / GSM 03.02.

Interfacce di rete esterne

Connessione PSTN

Il collegamento alla rete telefonica pubblica viene effettuato da MSC su linea di comunicazione a 2 Mbit/s secondo il sistema di segnalazione SS N 7. Le caratteristiche elettriche dell'interfaccia a 2 Mbit/s sono conformi alle Raccomandazioni CCITT G.732.

Connessione ISDN

Per la connessione alle reti ISDN in fase di realizzazione sono previste quattro linee di comunicazione da 2 Mbit/s, supportate dal sistema di segnalamento SS N 7 e rispondenti alle Raccomandazioni CCITT Blue Book Q.701-Q.710, Q.711-Q.714, Q.716, Q.781, 0.782, 0.791, 0.795, 0.761-0.764, 0.766.

Connessione alla rete NMT-450 esistente

Il centro di commutazione mobile si connette alla rete NMT-450 tramite quattro linee standard da 2 Mbps e sistemi di segnalazione SS N7. Allo stesso tempo, dovrebbero essere soddisfatti i requisiti delle Raccomandazioni CCITT sulla parte utente telefonica (TUP) e la parte trasferimento messaggi (MTP) del Libro giallo. Le caratteristiche elettriche della linea 2 Mbit/s sono conformi alle Raccomandazioni CCITT G.732.

Connessioni a reti GSM internazionali

Attualmente, la rete GSM di Mosca è collegata alle reti GSM paneuropee. Queste connessioni sono basate su Signaling System Protocols (SCCP) e Mobile Internet Switching Protocols (GMSC).

Interfacce GSM interne

L'interfaccia tra MSC e BSS (interfaccia A) fornisce il trasferimento dei messaggi per il controllo BSS, il trasferimento delle chiamate, il controllo del traffico. L'interfaccia A combina canali di comunicazione e linee di segnalazione. Questi ultimi utilizzano il protocollo CCITT SS N7. La specifica completa dell'interfaccia A è conforme alla serie 08 delle raccomandazioni ETSI / GSM.

L'interfaccia tra l'MSC e l'HLR è condivisa con il VLR (interfaccia B). Quando l'MSC ha bisogno di localizzare una stazione mobile, fa riferimento al VLR. Se la stazione mobile avvia la procedura di posizionamento con l'MSC, informa il suo VLR, che registra tutte le informazioni di modifica nei suoi registri. Questa procedura si verifica ogni volta che la SM si sposta da un'area di localizzazione all'altra. Nel caso in cui l'abbonato richieda servizi aggiuntivi speciali o modifichi alcuni suoi dati, il MSC informa anche il VLR, che registra le modifiche e, se necessario, ne informa l'HLR.

L'interfaccia tra l'MSC e l'HLR (C-interface) viene utilizzata per fornire l'interoperabilità tra l'MSC e l'HLR. Il MSC può inviare un'indicazione (messaggio) all'HLR al termine della sessione in modo che l'abbonato possa pagare la chiamata. Quando la rete di telefonia fissa non è in grado di eseguire la procedura di impostazione della chiamata dell'abbonato mobile, l'MSC può richiedere all'HLR di localizzare l'abbonato per effettuare la chiamata all'MS.

L'interfaccia tra HLR e VLR (interfaccia D) viene utilizzata per espandere lo scambio di dati sulla posizione della stazione mobile, controllare il processo di comunicazione. I principali servizi forniti all'abbonato mobile sono la possibilità di inviare o ricevere messaggi indipendentemente dalla posizione. Per questo, l'HLR deve integrare i suoi dati. Il VLR informa l'HLR della posizione dell'MS, controllandolo e riassegnandogli i numeri nel processo di vagabondaggio, e invia tutti i dati necessari per fornire il servizio alla stazione mobile.

L'interfaccia tra MSC (E-interface) prevede l'interazione tra diversi MSC durante l'attuazione della procedura HANDOVER - "trasferire" un utente da una zona all'altra quando si sposta durante una sessione di comunicazione senza interruzioni.

L'interfaccia tra BSC e BTS (interfaccia A-bis) viene utilizzata per la comunicazione tra BSC e BTS ed è definita dalle Raccomandazioni ETSI / GSM per l'instaurazione della connessione e i processi di controllo delle apparecchiature, la trasmissione viene effettuata in flussi digitali a una velocità di 2.048 Mbit / S. È possibile utilizzare un'interfaccia fisica a 64 kbps.

L'interfaccia tra il BSC e l'OMC (O-interface) è destinata alla comunicazione tra il BSC e l'OMC ed è utilizzata nelle reti a commutazione di pacchetto CCITT X.25.

L'interfaccia BSC interna del controller della stazione base fornisce la comunicazione tra varie apparecchiature BSC e apparecchiature di transcodifica (TCE); Utilizza lo standard di trasmissione PCM da 2.048 Mbit/s e consente di organizzare da quattro canali alla velocità di 16 kbit/s un canale alla velocità di 64 kbit/s.

L'interfaccia tra MS e BTS (interfaccia radio Um) è definita nelle serie 04 e 05 delle Raccomandazioni ETSI/GSM.

L'interfaccia di rete tra l'OMC e la rete, la cosiddetta interfaccia di controllo tra l'OMC e gli elementi di rete, è definita dalle Raccomandazioni ETSI/GSM 12.01 ed è analoga all'interfaccia Q.3, che è definita nel livello ISO OSI modello di rete aperta.

La connessione di rete con l'OMC può essere fornita dal sistema di segnalazione CCITT SS N7 o dal protocollo di rete X.25. La rete X.25 può connettersi a reti Internet o PSDN in modalità aperta o chiusa.

Il GSM è un protocollo di gestione della rete e dei servizi che deve soddisfare anche i requisiti di interfaccia Q.3 come definito nelle Raccomandazioni ETSI / GSM 12.01.

Interfacce tra rete GSM e apparecchiature esterne

L'interfaccia tra MSC e Service Center (SC) è necessaria per implementare il servizio di messaggistica breve. È definito nelle Raccomandazioni ETSI/GSM 03.40.

Interfaccia con altri OMC. Ciascun centro di controllo e manutenzione della rete deve essere connesso ad altre reti operative OMC in altre regioni o altre reti. Queste connessioni sono fornite da interfacce X in conformità con le Raccomandazioni CCITT M.ZO. L'interfaccia OMC viene utilizzata per interagire con reti di livello superiore.

1.4. Struttura del servizio e trasmissione dati in standard GSM

Lo standard GSM contiene due classi di servizi: servizi di base e teleservizi. I principali servizi prevedono: trasmissione dati (asincrona) in modalità duplex a velocità di 300, 600, 1200, 2400, 4800 e 9600 bit/s tramite le reti telefoniche pubbliche; trasmissione dati (sincrona) in modalità duplex a velocità di 1200, 2400, 4800 e 9600 bps tramite reti telefoniche pubbliche, reti dati commutate pubbliche (CSPDN) e ISDN; accesso tramite un adattatore per la trasmissione di dati asincrona a pacchetti con velocità standard di 300-9600 bps tramite reti di dati a pacchetto commutate pubbliche (PSPDN), ad esempio Datex-P; accesso sincrono full-duplex alla rete dati a pacchetto con velocità standard di 2400-9600 bps.

Quando si trasmettono dati a 9,6 kbps, viene sempre utilizzato il collegamento full rate. In caso di trasmissione a velocità inferiori a 9,6 kbps, è possibile utilizzare canali di comunicazione a velocità dimezzata.

Le funzioni elencate dei canali di trasmissione dati sono fornite per apparecchiature terminali che utilizzano interfacce CCITT con specifiche della serie V.24 o X.21. Queste specifiche definiscono i problemi della trasmissione dei dati sui canali telefonici convenzionali. I Teleservizi forniscono i seguenti servizi:

1) comunicazione telefonica (associata ad un servizio di allarme: sicurezza appartamento, segnali di soccorso, ecc.);

2) trasmissione di brevi messaggi;

3) accesso ai servizi "Videotex", "Teletex";

4) Servizio "Facsimile" (gruppo 3).

Inoltre, è stata standardizzata un'ampia gamma di servizi speciali (trasferimento di chiamata, notifica di addebiti tariffari, inclusione in un gruppo chiuso di utenti).

Poiché si prevede che la maggior parte degli abbonati utilizzi i servizi GSM per scopi aziendali, viene prestata particolare attenzione agli aspetti di sicurezza e alla qualità dei servizi forniti.

Lo schema a blocchi dei servizi di comunicazione in GSM PLMN è mostrato in Fig. 1.4 (GSM PLMN - GSM Public Land Mobile Network - rete di comunicazione con oggetti mobili terrestri; TE (Terminal Equipment) - apparecchiatura terminale, MT (Mobile Terminal) - terminale mobile, IWF (Interworking Function) - giunto funzionale gateway). La trasmissione dati comprende anche un nuovo tipo di servizio utilizzato nel GSM: la trasmissione di messaggi brevi (trasmissione di messaggi alfanumerici di servizio per determinati gruppi di utenti).

La trasmissione di messaggi brevi utilizza la larghezza di banda dei canali di segnalazione. I messaggi possono essere trasmessi e ricevuti dalla stazione mobile. È possibile utilizzare canali di controllo comuni per la trasmissione di messaggi brevi. Il volume dei messaggi è limitato a 160 caratteri, che possono essere ricevuti durante la chiamata in corso o in un ciclo di inattività. V

controllo dei canali radio, protezione da errori nel canale radio, codifica e decodifica della voce, monitoraggio e distribuzione di dati e chiamate utente, adattamento della velocità di trasmissione tra canale radio e dati, garanzia del funzionamento parallelo dei carichi (terminali), garantendo un funzionamento continuo durante la guida.

Vengono utilizzati tre tipi di apparecchiature terminali di una stazione mobile: MTO (Mobile Termination 0) - una stazione mobile multifunzionale, che include un terminale dati con la capacità di trasmettere e ricevere dati e voce: MT1 (Mobile Termination 1) - una stazione mobile con la possibilità di comunicare tramite terminale con ISDN; МТ2 (Mobile Termination 2) è una stazione mobile con la possibilità di collegare un terminale per la comunicazione utilizzando il protocollo CCITT serie V o X.

Le apparecchiature terminali possono essere costituite da uno o più tipi di apparecchiature quali un dialer, apparecchiature per la trasmissione di dati (DTE), telex, ecc.

Esistono i seguenti tipi di terminali: TE1 (Terminal Equipment 1) - apparecchiatura terminale che fornisce la comunicazione con ISDN; TE2 (Terminal Equipment 2) - apparecchiatura terminale che fornisce comunicazione con qualsiasi apparecchiatura tramite i protocolli CCITT serie V o X (la comunicazione con ISDN non prevede). Il terminale TE2 può essere collegato come carico a MT1 (stazione mobile con capacità di comunicazione ISDN) tramite un adattatore TA.

Il sistema di caratteristiche dello standard GSM, lo schema funzionale adottato delle reti di comunicazione e un insieme di interfacce garantiscono elevati parametri di trasmissione dei messaggi, compatibilità con le reti di informazione esistenti e future e forniscono agli abbonati un'ampia gamma di servizi di comunicazione digitale.

1.6. Struttura del frame TDMA e generazione del segnale nello standard GSM

Come risultato dell'analisi di varie opzioni per la costruzione di sistemi cellulari digitali per la comunicazione mobile (SSMS) nello standard GSM, viene adottato l'accesso multiplo a divisione di tempo (TDMA). La struttura generale dei tempi è mostrata in Fig. 1.6. La lunghezza del periodo della sequenza in questa struttura, che è chiamata hyperframe, è uguale a Tr = 3 h 28 min 53 s 760 ms (12.533,76 s). Un hyperframe è diviso in 2048 superframe, ognuno dei quali ha una durata Te = 12533,76 / 2048 = 6,12 s.

Un superframe è composto da multiframe. Per organizzare vari canali di comunicazione e controllo nello standard GSM, vengono utilizzati due tipi di multiframe:

1) Telai multiframe TDMA a 26 posizioni;

2) Telai multiframe TDMA a 51 posizioni.

Un superframe può contenere 51 multiframe di primo tipo o 26 multiframe di secondo tipo. Durata dei multiframe, rispettivamente:

1) Tm = 6120/51 = 120 ms;

2) Tm = 6120/26 = 235,385 ms (3060/13 ms). Durata di ogni frame TDMA

Tc = 120/26 = 235,385 / 51 = 4,615 ms (60/13 ms).

Nel periodo di sequenza, ogni frame TDMA ha il proprio numero di sequenza (NF) da O a NFmax, dove NFmax = (26x51x2048) -1 = 2715647.

Pertanto, un hyperframe è costituito da 2.715.647 frame TDMA. La necessità di un periodo di hyperframe così ampio è dovuta ai requisiti del processo di protezione crittografica applicato, in cui il numero di frame NF viene utilizzato come parametro di input. Il frame TDMA è diviso in otto posizioni temporali con un punto

A = 60/13: 8 = 576,9 μs (15/26 ms)

Ogni posizione temporale è designata TN con un numero da 0 a 7. Il significato fisico delle posizioni temporali, dette anche finestre, è il tempo durante il quale la portante viene modulata con un flusso di informazioni digitali corrispondente ad un messaggio vocale o dati.

Un flusso di informazioni digitali è una sequenza di pacchetti posizionati in questi intervalli di tempo (finestre). I pacchetti si formano leggermente più brevi degli intervalli, la loro durata è di 0,546 ms, necessaria per ricevere un messaggio in presenza di dispersione temporale nel canale di propagazione.

Il messaggio informativo viene trasmesso sul canale radio alla velocità di 270.833 kbit/s.

Ciò significa che lo slot di tempo di un frame TDMA contiene 156,25 bit.

La durata di un bit di informazione è 576,9 μs / 156,25 = 3,69 μs.

Ciascun time slot corrispondente ad una durata di bit è designato BN con un numero da 0 a 155; l'ultimo intervallo di 1/4 bit è numerato 156.

Per trasmettere informazioni sui canali di comunicazione e controllo, regolare le frequenze portanti, fornire la sincronizzazione temporale e accedere al canale di comunicazione nella struttura del frame TDMA, vengono utilizzati cinque tipi di intervalli di tempo (finestre):

NB viene utilizzato per trasmettere informazioni sui canali di comunicazione e controllo, ad eccezione del canale di accesso RACH. Consiste di 114 bit di messaggio crittografato e include un intervallo di guardia (GP) di 8,25 bit della durata di 30,46 μs. Il blocco di informazione 114 bit è diviso in due blocchi indipendenti di 57 bit, separati da una sequenza di addestramento di 26 bit, che viene utilizzata per impostare l'equalizzatore nel ricevitore in base alle caratteristiche del canale di comunicazione in un dato momento.

NB include due bit Steeling Flag che indicano se il gruppo trasmesso contiene informazioni vocali o di segnalazione. In quest'ultimo caso, il Traffic Channel viene "rubato" per fornire segnalazioni.

Tra i due gruppi di bit crittografati nel NB, c'è una sequenza di addestramento di 26 bit nota al ricevitore. Questa sequenza prevede:

Stima della frequenza di occorrenza di errori nelle cifre binarie in base ai risultati del confronto tra le sequenze ricevute e quelle di riferimento. Nel processo di confronto viene calcolato il parametro RXQUAL, che viene adottato per valutare la qualità della comunicazione. Naturalmente, stiamo parlando solo della valutazione della connessione e non di misurazioni precise, poiché viene verificata solo una parte delle informazioni trasmesse. Il parametro RXQUAL viene utilizzato quando si entra in una comunicazione, quando si esegue una procedura di "handover" e quando si valuta l'area di copertura radio;

Stima della risposta all'impulso del canale radio nell'intervallo di trasmissione NB per la successiva correzione del percorso di ricezione del segnale mediante l'utilizzo di un equalizzatore adattativo nel percorso di ricezione;

Determinazione dei ritardi di propagazione del segnale tra stazioni base e mobili per stimare il raggio di comunicazione. Questa informazione è necessaria affinché i pacchetti di dati provenienti da differenti stazioni mobili non si sovrappongano quando ricevuti alla stazione base. Pertanto, le stazioni mobili più distanti devono trasmettere i loro pacchetti prima delle stazioni nelle immediate vicinanze della stazione base. L'FB è progettato per sincronizzarsi con la frequenza della stazione mobile. Tutti i 142 bit in questo intervallo di tempo sono zero, il che corrisponde a una portante non modulata con un offset di 1625/24 kHz al di sopra della frequenza portante nominale. Questo è necessario per verificare se funziona.

il suo trasmettitore e ricevitore con una piccola separazione di frequenza dei canali (200 kHz), che è circa lo 0,022% del valore nominale della larghezza di banda di 900 MHz. L'FB contiene un intervallo di guardia di 8,25 bit, proprio come una normale finestra temporale. Gli slot di controllo della frequenza ripetuta (FB) formano un canale di impostazione della frequenza (FCCH).

SB viene utilizzato per la sincronizzazione dell'ora tra le stazioni base e mobili. Consiste in una sequenza di sincronizzazione a 64 bit, trasporta informazioni sul numero di frame TOM e il codice di identificazione della stazione base. Questo intervallo viene trasmesso insieme all'intervallo di impostazione della frequenza. Gli intervalli di sincronizzazione ripetuti formano un cosiddetto canale di sincronizzazione (SCH).

DB fornisce la creazione e il test del collegamento. Nella sua struttura, DB è lo stesso di NB (Fig. 1.6) e contiene una sequenza beacon a 26 bit. Non ci sono bit di controllo nel DB e non viene trasmessa alcuna informazione. DB informa solo che il trasmettitore è in funzione.

AB fornisce l'autorizzazione alla stazione mobile per accedere alla nuova stazione base. AB viene trasmesso dalla stazione mobile quando si richiede un canale di segnalazione. Questo è il primo pacchetto trasmesso dalla stazione mobile, quindi il tempo di transito del segnale non è stato ancora misurato. Pertanto, il pacchetto ha una struttura specifica. Il pattern finale a 8 bit viene trasmesso per primo, seguito dalla sequenza di sincronizzazione per la stazione base (41 bit), che consente alla stazione base di ricevere correttamente i successivi 36 bit crittografati. L'intervallo contiene un ampio intervallo di guardia (68,25 bit, durata 252 μs), che fornisce (indipendentemente dal tempo di transito del segnale) una separazione temporale sufficiente dai pacchetti di altre stazioni mobili,

Questo intervallo di guardia corrisponde al doppio del ritardo di segnale massimo possibile all'interno di una cella e quindi imposta la dimensione massima consentita della cella. Una caratteristica dello standard GSM è la capacità di fornire comunicazioni per abbonati mobili in celle con un raggio di circa 35 km. Il tempo di propagazione del segnale radio nelle direzioni avanti e indietro è di 233,3 μs.

Nella struttura GSM sono strettamente definite le caratteristiche temporali dell'inviluppo del segnale emesso dai pacchetti sul time slot della trama TDMA, e la caratteristica spettrale del segnale. La maschera temporale dell'inviluppo per i segnali emessi nell'intervallo AV di un frame TDMA completo è mostrata in Fig. 1.7 e la maschera di inviluppo per i segnali NB, FB, DB e SB di un frame TDMA completo è mostrata in Fig. 1.8. Le differenti forme di inviluppo dei segnali emessi corrispondono a differenti lunghezze dell'intervallo AV (88 bit) rispetto agli altri intervalli indicati del frame TDMA completo (148 bit). Le norme per la caratteristica spettrale del segnale emesso sono mostrate in Fig. 1.9.

Una delle caratteristiche della formazione del segnale nello standard GSM è l'uso del salto di frequenza lento durante una sessione di comunicazione. Lo scopo principale di tali salti (SFH - Slow Frequency Hopping) è quello di fornire diversità di frequenza nei canali radio operanti in condizioni di propagazione multipercorso delle onde radio. SFH viene utilizzato in tutte le reti mobili, il che migliora la codifica e l'efficienza dell'interlacciamento quando le stazioni degli abbonati si muovono lentamente. Il principio per formare salti di frequenza lenti è che un messaggio trasmesso in un intervallo di tempo di un frame TDMA (577 μs) assegnato a un abbonato viene trasmesso (ricevuto) a una nuova frequenza fissa in ciascun frame successivo. In base alla struttura del frame, il tempo per la regolazione della frequenza è di circa 1 ms.

Durante il salto di frequenza, viene mantenuta una separazione duplex di 45 MHz tra i canali di trasmissione e ricezione. A tutti gli abbonati attivi situati nella stessa cella vengono assegnate sequenze di forma ortogonali, che eliminano l'interferenza reciproca durante la ricezione di messaggi da parte degli abbonati nella cella. I parametri della sequenza di salto di frequenza (matrice tempo-frequenza e frequenza di avvio) sono assegnati a ciascuna stazione mobile durante la creazione del canale. L'ortogonalità delle sequenze di commutazione di frequenza nella cella è fornita dallo spostamento di frequenza iniziale della sequenza stessa (secondo l'algoritmo di formazione). Nelle celle adiacenti vengono utilizzate diverse sequenze di formatura.

Lo schema combinato TDMA / FDMA dell'organizzazione del canale nello standard GSM e il principio dell'utilizzo di salti a bassa frequenza durante la trasmissione di messaggi in intervalli di tempo sono mostrati in Fig. 1.10,1.11.

Per confronto, si può notare che secondo i risultati di studi sperimentali condotti su reti GSM esistenti, la diversità spaziale delle antenne riceventi alla stazione base fornisce un guadagno di 3-4 dB.

La struttura adottata delle trame TDMA e i principi di formazione del segnale nello standard GSM, combinati con i metodi di codifica a goccia, hanno permesso di ridurre il rapporto segnale-rumore necessario per la ricezione a 9 dB, mentre negli standard dei cellulari analogici reti di comunicazione è di 17-18 dB.

Letteratura per il capitolo 1

1.1 M. Mouly, M.B. Pautet. Il sistema GSM per le comunicazioni mobili. 1992. p.p. 702.

1.2 Yu.A. Gromakov. Sistemi di comunicazione radiomobile cellulare. Tecnologie della comunicazione elettronica. Volume 48. Eco-tendenze. Mosca. 1994.

1.3 A. Mehrotra. Radio Cellulare: Sistemi Analogici e Digitali. Artech House, Boston-Londra. 1994. p.p. 460.

1.4 Yu.A. Gromakov. Struttura del frame TDMA e segnalazione nello standard GSM. "Elettrovyaz". N 10. 1993. p. 9-12.

Questo articolo è il primo di una serie di articoli sulle comunicazioni cellulari. In questa serie, vorrei descrivere in dettaglio i principi di funzionamento delle reti cellulari di seconda, terza e quarta generazione. Lo standard GSM appartiene alla seconda generazione (2G).

La comunicazione cellulare di prima generazione era analogica e non viene utilizzata ora, quindi non la considereremo. La seconda generazione è digitale e questa caratteristica ha permesso di soppiantare completamente le reti 1G. Il segnale digitale è più anti-jamming rispetto al segnale analogico, che è un grande vantaggio nelle comunicazioni radiomobili. Inoltre il segnale digitale, oltre alla fonia, permette la trasmissione dei dati (SMS, GPRS). Va notato che questa tendenza alla transizione da un segnale analogico a un segnale digitale è caratteristica non solo delle comunicazioni cellulari.

GSM (Global System Mobile) è uno standard globale per le comunicazioni mobili digitali, con divisione dei canali per tempo TDMA e frequenza FDMA. Sviluppato sotto gli auspici dell'Istituto europeo di normalizzazione delle telecomunicazioni (ETSI) alla fine degli anni '80.

GSM fornisce supporto per i servizi:

• Trasmissione dati GPRS
• Trasmissione vocale
• Trasmissione di SMS brevi
• Invio di un fax

Inoltre, ci sono servizi aggiuntivi:

• Determinazione del numero
• Inoltro chiamata
• Avviso di chiamata e attesa
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Architettura di rete GSM

Consideriamo più in dettaglio da quali elementi è costruita la rete GSM e come interagiscono tra loro.

La rete GSM è suddivisa in due sistemi: SS (Switching System) - sottosistema di commutazione, BSS (Base Station System) - sistema della stazione base. SS svolge le funzioni di gestione delle chiamate e di collegamento, ed è inoltre responsabile dell'attuazione di tutti i servizi assegnati all'abbonato. Il BSS è responsabile delle funzioni relative all'interfaccia radio.

SS include:

• MSC (Mobile Switching Center) - Nodo di commutazione di rete GSM
• GMSC (Gate MSC) - uno switch che gestisce le chiamate da reti esterne
• HLR (Registro della posizione della casa) - database degli abbonati della casa
• VLR (Registro della posizione dei visitatori) - database degli abbonati ospiti
• AUC (Authentication Cetner) - Centro di autenticazione (autenticazione dell'abbonato)

BSS include:

• BSC (Controller della stazione base) - controller della stazione base
• BTS (stazione base ricetrasmittente) - stazione ricetrasmittente
• MS (stazione mobile) - stazione mobile

La composizione del sottosistema di commutazione SS

L'MSC esegue funzioni di commutazione per le comunicazioni mobili. Questo centro monitora tutte le chiamate in entrata e in uscita da altre reti telefoniche e dati. Queste reti includono PSTN, ISDN, reti dati pubbliche, reti aziendali e reti mobili di altri operatori. Anche le funzioni di autenticazione dell'abbonato vengono eseguite nell'MSC. MSC fornisce funzioni di instradamento e controllo delle chiamate. L'MSC è responsabile delle funzioni di commutazione. MSC genera i dati necessari alla tariffazione dei servizi di comunicazione forniti dalla rete, accumula i dati sulle conversazioni avvenute e li trasmette al centro di liquidazione (centro di fatturazione). Il MSC compila anche le statistiche necessarie per monitorare e ottimizzare la rete. Il MSC non solo partecipa al controllo delle chiamate, ma gestisce anche la registrazione della posizione e le procedure di consegna.

Nel sistema GSM, ogni operatore dispone di un database contenente le informazioni su tutti gli abbonati appartenenti alla propria PLMN. Nella rete di un operatore, logicamente HLR è uno, ma fisicamente ce ne sono molti, poiché esso
banca dati distribuita. Le informazioni sull'abbonato vengono inserite in HLR al momento della registrazione dell'abbonato (l'abbonato conclude un contratto di servizio) e vengono archiviate fino a quando l'abbonato non rescinde il contratto e viene rimosso dal registro HLR.
Le informazioni memorizzate nell'HLR includono:

• Identificatori dell'abbonato (numeri).
• Servizi aggiuntivi assegnati all'abbonato
• Informazioni sulla posizione dell'abbonato, accurate al numero MSC / VLR
• Informazioni di autenticazione dell'abbonato (triplette)

HLR può essere eseguito come funzione integrata in MSC/VLR o separatamente. Se la capacità dell'HLR è esaurita, è possibile aggiungere un altro HLR. E nel caso di organizzazione di più HLR, il database rimane unificato - distribuito. Il record di dati dell'abbonato è sempre l'unico. I dati archiviati nell'HLR sono accessibili da MSC e VLR appartenenti ad altre reti nell'ambito della fornitura di roaming tra le reti degli abbonati.

Il database VLR contiene informazioni su tutti gli abbonati mobili attualmente ubicati nell'area di servizio MSC. Pertanto, esiste un VLR per ogni MSC sulla rete. Il VLR memorizza temporaneamente le informazioni di servizio in modo che l'MSC associato possa servire tutti gli abbonati all'interno dell'area di servizio di tale MSC. HLR e VLR memorizzano informazioni molto simili su un abbonato, ma ci sono alcune differenze che verranno discusse nei capitoli seguenti. Quando un abbonato si sposta nell'area di servizio di un nuovo MSC, il VLR connesso a questo MSC richiede le informazioni sull'abbonato dall'HLR che memorizza i dati dell'abbonato. L'HLR invia una copia delle informazioni al VLR e si aggiorna con le informazioni sulla posizione dell'abbonato. Dopo che le informazioni sono state aggiornate, la MS può effettuare connessioni in uscita/in entrata.

Per escludere l'uso non autorizzato delle risorse del sistema di comunicazione, vengono introdotti meccanismi di autenticazione: autenticazione dell'abbonato. AUC - centro di autenticazione dell'abbonato, è costituito da diversi blocchi e genera chiavi di autenticazione e crittografia (vengono generate password). Con il suo aiuto, MSC verifica l'identità dell'abbonato e, una volta stabilita la connessione, la crittografia delle informazioni trasmesse sarà abilitata sull'interfaccia radio.

Composizione del sottosistema della stazione base BSS

Il BSC gestisce tutte le funzioni relative al funzionamento dei canali radio nella rete GSM. Si tratta di uno switch che fornisce funzioni come l'handover MS, l'assegnazione del canale radio e la raccolta dei dati di configurazione della cella. Ogni MSC può controllare più BSC.

Il BTS gestisce l'interfaccia radio con la MS. Il BTS include apparecchiature radio come ricetrasmettitori e antenne, necessarie per servire ogni cella della rete. Il BSC controlla più BTS.

Costruzione geografica di reti GSM

Ogni rete telefonica necessita di una struttura specifica per instradare le chiamate alla stazione desiderata e quindi all'abbonato. In una rete mobile, questa struttura è particolarmente importante, poiché gli abbonati si spostano nella rete, cioè cambiano la loro posizione e questa posizione deve essere costantemente monitorata.

Nonostante il fatto che la cella sia l'unità base del sistema di comunicazione GSM, è molto difficile dare una definizione chiara. È impossibile associare questo termine con un'antenna o una stazione base, perché ci sono diversi favi. Tuttavia, una cella è un'area geografica servita da una o più stazioni base e nella quale opera un gruppo di canali logici di controllo GSM (i canali stessi verranno discussi nei capitoli seguenti). Ad ogni cella viene assegnato un numero univoco chiamato Global Cell Identifier (CGI). In una rete che copre, ad esempio, un intero paese, il numero di celle può essere molto elevato.

Un'area di localizzazione (LA) è definita come un gruppo di celle in cui verrà effettuata una chiamata a una stazione mobile. La posizione dell'abbonato all'interno della rete è associata alla LA in cui si trova attualmente l'abbonato. L'identificatore dell'area (LAI) è memorizzato nel VLR. Quando la MS attraversa il confine tra due celle appartenenti a LA differenti, trasmette alla rete informazioni sulla nuova LA. Questo accade solo se l'MS è in modalità Idle. Le informazioni sulla nuova posizione non vengono trasmesse durante la connessione stabilita, questo processo avverrà dopo la fine della connessione. Se la MS attraversa il confine tra celle all'interno della stessa LA, non informa la rete della sua nuova posizione. All'arrivo di una chiamata alla MS, il messaggio di paging viene propagato all'interno di tutte le celle appartenenti alla stessa LA.

L'area di servizio di un MSC è costituita da un numero di LA e rappresenta la porzione geografica della rete sotto il controllo di un MSC. Per instradare una chiamata al MS, sono necessarie anche le informazioni sull'area di servizio MSC, quindi anche l'area di servizio viene tracciata e registrata in un database (HLR).

L'area di servizio PLMN è un insieme di celle servite da un operatore ed è definita come l'area in cui l'operatore fornisce all'abbonato la copertura radio e l'accesso alla sua rete. Ogni paese può avere più PLMN, uno per ogni operatore. La definizione di roaming viene utilizzata quando uno Stato membro si sposta da un'area di servizio PLMN a un'altra. Il cosiddetto roaming intra-rete è un cambiamento MSC / VLR.

L'area del servizio GSM è l'intera area geografica in cui un abbonato può accedere alla rete GSM. La copertura GSM si sta espandendo man mano che nuovi operatori firmano contratti per lavorare insieme al servizio degli abbonati. Attualmente, l'area del servizio GSM copre, con alcuni intervalli, molti paesi dall'Irlanda all'Australia e dal Sud Africa all'America.

Roaming internazionale è il termine utilizzato quando uno Stato membro si sposta da una PLMN nazionale a un'altra PLMN nazionale.

Piano di frequenza GSM

Il GSM include diverse gamme di frequenza, le più comuni: 900, 1800, 1900 MHz. Inizialmente, la banda 900 MHz era assegnata allo standard GSM. Attualmente, questa gamma rimane in tutto il mondo. In alcuni paesi vengono utilizzate bande di frequenza estese per fornire una maggiore capacità di rete. Le bande di frequenza estese sono chiamate E-GSM e R-GSM, mentre la banda normale è chiamata P-GSM (primaria).

• P-GSM900 890-915 / 935-960 MHz
• E-GSM900 880-915 / 925-960 MHz
• R-GSM900 890-925 / 935-970 MHz
• R-GSM1800 1710-1785 / 1805-1880 MHz

Nel 1990, al fine di aumentare la concorrenza tra gli operatori, il Regno Unito ha iniziato a sviluppare una nuova versione di GSM, adattata alla gamma di frequenze 1800. Subito dopo l'approvazione di questa gamma, diversi paesi hanno richiesto l'utilizzo di questa gamma di frequenze. L'introduzione di questa gamma ha aumentato la crescita del numero di operatori, determinando un aumento della concorrenza e, di conseguenza, un miglioramento della qualità.
servizio. L'utilizzo di questa gamma consente di aumentare la capacità della rete aumentando la larghezza di banda e, di conseguenza, aumentando il numero di vettori. La banda di frequenza 1800 utilizza le seguenti bande di frequenza: GSM 1710-1805 / 1785-1880 MHz. Fino al 1997 lo standard 1800 era chiamato Digital Cellular System (DCS) 1800 MHz, ora si chiama GSM 1800.

Nel 1995, negli USA è stato specificato il concetto di PCS (Personal Cellular System). L'idea principale di questo concetto è la capacità di fornire comunicazione personale, ovvero comunicazione tra due abbonati e non tra due stazioni mobili. PCS non richiede che questi servizi siano implementati utilizzando la tecnologia cellulare, ma questa tecnologia è attualmente riconosciuta come la più efficace per questo concetto. Le frequenze disponibili per l'implementazione PCS sono nella regione di 1900 MHz. Poiché GSM 900 non può essere utilizzato in Nord America a causa del fatto che questa banda di frequenza è occupata da un altro standard, GSM 1900 è un'opportunità per colmare questa lacuna. La principale differenza tra lo standard americano GSM 1900 e GSM 900 è che GSM 1900 supporta la segnalazione ANSI.

Tradizionalmente, la banda 800 MHz è stata occupata dallo standard statunitense TDMA (AMPS e D-AMPS). Come nel caso dello standard GSM 1800, questo standard consente di ottenere licenze aggiuntive, ovvero amplia il campo di applicazione dello standard sulle reti nazionali fornendo agli operatori capacità aggiuntiva.

Reti GSM. Vista interna.

Un po' di storia

All'alba dello sviluppo delle comunicazioni mobili (e non è stato molto tempo fa - all'inizio degli anni ottanta), l'Europa era coperta da reti analogiche di vari standard: la Scandinavia ha sviluppato i suoi sistemi, la Gran Bretagna ha sviluppato i propri ... Ora è difficile dire chi abbia avviato la rivoluzione che seguì molto presto - i "top" sotto forma di produttori di apparecchiature, costretti a sviluppare i propri dispositivi per ogni rete, o "classi inferiori" come utenti, insoddisfatti della portata limitata del proprio telefono. In un modo o nell'altro, nel 1982, la Commissione europea delle telecomunicazioni (CEPT) ha creato un gruppo speciale per sviluppare un sistema di comunicazione mobile paneuropeo fondamentalmente nuovo. I requisiti principali per il nuovo standard erano: uso efficiente dello spettro di frequenza, possibilità di roaming automatico, migliore qualità della voce e protezione da accessi non autorizzati rispetto alle tecnologie precedenti, nonché, ovviamente, compatibilità con altri sistemi di comunicazione esistenti (tra cui cablato) ecc.

Il frutto del duro lavoro di molte persone provenienti da diversi paesi (a dire il vero, ho persino paura di immaginare la mole di lavoro che hanno svolto!) era la specifica di una rete di comunicazione mobile paneuropea, presentata nel 1990, chiamata Sistema globale per le comunicazioni mobili o solo GSM. E poi tutto è balenato come un caleidoscopio: il primo operatore GSM ha ricevuto abbonati nel 1991, all'inizio del 1994 le reti basate sullo standard in questione avevano già 1,3 milioni di abbonati e alla fine del 1995 il loro numero era aumentato a 10 milioni! In effetti, "GSM cammina per il pianeta" - attualmente, circa 200 milioni di persone hanno telefoni di questo standard e le reti GSM possono essere trovate in tutto il mondo.

Proviamo a capire come sono organizzate le reti GSM e su quali principi. Devo dire subito che il compito non è facile, tuttavia, credetemi - di conseguenza, trarremo vero piacere dalla bellezza delle soluzioni tecniche utilizzate in questo sistema di comunicazione.

Due questioni molto importanti rimarranno fuori dall'ambito della considerazione: in primo luogo, la divisione tempo-frequenza dei canali (ci si può familiarizzare con questo) e, in secondo luogo, i sistemi di crittografia e protezione della voce trasmessa (questo è un argomento così specifico ed esteso che, forse, in futuro gli sarà dedicato un materiale separato).

Le parti principali del sistema GSM, il loro scopo e l'interazione tra loro.

Iniziamo con la più difficile e, forse, noiosa - considerazione dello scheletro (o, come si dice al dipartimento militare della mia Alma Mater, dei diagrammi a blocchi) della rete. Nel descrivere, aderirò alle abbreviazioni in lingua inglese accettate in tutto il mondo, ovviamente, dando loro un'interpretazione russa.

Dai un'occhiata alla fig. uno:

Fig. 1 Architettura semplificata della rete GSM.

La parte più semplice dello schema strutturale - un telefono portatile, è composta da due parti: il "tubo" stesso - io(Apparecchiature mobili - dispositivo mobile) e smart card SIM (Modulo Identità Abbonato - modulo identificazione abbonato) ottenuto alla conclusione di un contratto con un operatore. Proprio come ogni auto ha un numero di carrozzeria univoco, un cellulare ha il suo numero... IMEI(International Mobile Equipment Identity - identificatore internazionale di un dispositivo mobile), che può essere trasmesso alla rete su sua richiesta (più in dettaglio su IMEI si può scoprire). SIM , a sua volta, contiene il cosiddetto IMSI(Identità dell'abbonato mobile internazionale). Immagino che la differenza tra IMEI e IMSI chiaro - IMEI corrisponde a un telefono specifico e IMSI- a un abbonato specifico.

Il "sistema nervoso centrale" della rete è NSS(Sottosistema di rete e commutazione - una rete e sottosistema di commutazione) e viene chiamato il componente che svolge le funzioni del "cervello" MSC(Centro di smistamento servizi mobili). È quest'ultimo che viene invano chiamato (a volte aspirato) "centralino", e anche, in caso di problemi di comunicazione, è accusato di tutti i peccati mortali. MSC potrebbe essercene più di uno nella rete (in questo caso, l'analogia con i sistemi informatici multiprocessore è molto appropriata) - ad esempio, al momento della stesura di questo documento, l'operatore di Mosca Beeline stava implementando un secondo switch (prodotto da Alcatel). MSC si occupa dell'instradamento delle chiamate, della generazione dei dati per il sistema di fatturazione, gestisce molte procedure - è più facile dire cosa NON è responsabilità dello switch che elencare tutte le sue funzioni.

I prossimi componenti di rete più importanti, inclusi anche in NSS, chiamerei HLR(Home Location Register - registro dei propri iscritti) e VLR(Registro della posizione dei visitatori - registro dei movimenti). Fate attenzione a queste parti, in futuro le menzioneremo spesso. HLR, grosso modo, è un database di tutti gli abbonati che hanno stipulato un contratto con la rete in questione. Memorizza le informazioni sui numeri degli utenti (i numeri significano, in primo luogo, quanto sopra IMSI e in secondo luogo, il cosiddetto MSISDN-Abbonato mobile ISDN, ad es. numero di telefono nel suo senso comune), un elenco dei servizi disponibili e molto altro - di seguito, i parametri situati in HLR.

a differenza di HLR, che è uno nel sistema, VLR Potrebbero essercene diversi: ognuno di essi controlla la propria parte della rete. V VLR contiene dati sugli abbonati che si trovano sul suo (e solo sul suo!) territorio (e non vengono serviti solo i loro abbonati, ma anche i roamers registrati nella rete). Non appena l'utente lascia la gamma di alcuni VLR, le informazioni su di esso vengono copiate in una nuova VLR, e viene rimosso da quello vecchio. In effetti, tra ciò che riguarda l'abbonato in VLR e in HLR, c'è molto in comune: guarda le tabelle per un elenco di dati degli abbonati a lungo termine (tabella 1) e temporanei (tabelle 2 e 3) archiviati in questi registri. Ancora una volta attiro l'attenzione del lettore sulla differenza fondamentale HLR a partire dal VLR: il primo contiene informazioni su tutti gli abbonati alla rete, indipendentemente dalla loro posizione, e il secondo contiene solo dati su coloro che sono subordinati a questo VLR territorio. V HLR per ogni iscritto c'è sempre un link a quello VLR che sta attualmente lavorando con lui (l'abbonato) (allo stesso tempo VLR può appartenere alla rete di qualcun altro, situata, ad esempio, dall'altra parte della Terra).

1.	Numero di identificazione dell'abbonato internazionale ( IMSI)
2.	Il numero di telefono dell'abbonato nel senso comune ( MSISDN)
3.	Categoria di stazioni mobili
4.	Chiave di identificazione dell'abbonato ( Ki)
5.	Tipologie di prestazione con servizi aggiuntivi
6.	Indice del gruppo di utenti chiuso
7.	Codice di blocco del gruppo di utenti chiuso
8.	La composizione dei principali bandi trasferibili
9.	Annuncio del chiamante
10.	Identificazione del numero della parte chiamata
11.	Programma
12.	Annuncio abbonato chiamato
13.	Controllo della segnalazione durante il collegamento degli abbonati
14.	Caratteristiche del gruppo chiuso di utenti
15.	Vantaggi del gruppo chiuso di utenti
16.	Chiamate in uscita bloccate in un gruppo chiuso di utenti
17.	Numero massimo di iscritti
18.	Password utilizzate
19.	Classe di accesso prioritario

Tabella 1. Composizione completa dei dati a lungo termine archiviati in HLR e VLR.

1.	Opzioni di autenticazione e crittografia
2.	Numero di cellulare provvisorio ( TMSI)
3.	L'indirizzo del registro di movimento in cui si trova l'abbonato ( VLR)
4.	Aree mobili della stazione mobile
5.	Numero di cellulare durante la consegna
6.	Stato della registrazione
7.	Nessuna risposta timer
8.	La composizione delle password attualmente utilizzate
9.	Attività di comunicazione

Tabella 2. La composizione completa dei dati temporanei archiviati in HLR.

Tabella 3. Composizione completa dei dati temporanei archiviati in VLR.

NSS contiene altri due componenti - AuC(Centro di autenticazione) e EIR(Registro di identità delle apparecchiature). Il primo blocco viene utilizzato per le procedure di autenticazione degli abbonati e il secondo, come suggerisce il nome, è responsabile di consentire il funzionamento sulla rete solo dei telefoni cellulari autorizzati. Il funzionamento di questi sistemi sarà discusso in dettaglio nella prossima sezione sulla registrazione degli abbonati nella rete.

L'esecutivo, per così dire, parte della rete cellulare è BSS(Sottosistema della stazione base - sottosistema della stazione base). Se continuiamo l'analogia con il corpo umano, allora questo sottosistema può essere chiamato gli arti del corpo. BSS consiste di diverse "braccia" e "gambe" - Bsc(Controller della stazione base - controller della stazione base), così come molte "dita" - bts(Stazione base ricetrasmittente - stazione base). Le stazioni base possono essere osservate ovunque - nelle città, nei campi (ho quasi detto "e fiumi") - infatti sono solo dispositivi trasmittenti e riceventi contenenti da uno a sedici emettitori. Ogni Bsc controlla l'intero gruppo bts ed è responsabile della gestione e dell'allocazione dei canali, dei livelli di potenza della stazione base e simili. Solitamente Bsc non ce n'è uno nella rete, ma un intero set (ci sono centinaia di stazioni base in generale).

La rete è gestita e coordinata tramite l'OSS (Operating and Support Subsystem). OSS consiste in tutti i tipi di servizi e sistemi che controllano il lavoro e il traffico - per non sovraccaricare il lettore di informazioni, il lavoro di OSS non sarà considerato di seguito.

Registrazione in rete.

Ad ogni accensione del telefono dopo aver selezionato una rete, inizia la procedura di registrazione. Consideriamo il caso più generale: la registrazione non a casa, ma nella cosiddetta rete ospite di qualcun altro (assumeremo che all'abbonato sia consentito il roaming).

Lascia che la rete sia trovata. Su richiesta della rete, il telefono trasmette IMSI abbonato. IMSI inizia con il codice del paese della "casa" del suo proprietario, seguito dai numeri che definiscono la rete domestica e solo allora - il numero univoco di un particolare abbonato. Ad esempio inizia IMSI 25099… corrisponde all'operatore russo Beeline. (250-Russia, 99 - Beeline). Per numero IMSI VLR la rete ospite identifica la rete domestica e ad essa si associa HLR... Quest'ultimo trasmette tutte le informazioni necessarie sull'abbonato a VLR, che ha fatto la richiesta, e pubblica un link a questo VLR, in modo che, se necessario, sappia "dove cercare" l'abbonato.

Il processo per determinare l'autenticità dell'abbonato è molto interessante. Al momento della registrazione AuC la rete domestica genera un numero casuale a 128 bit - RAND, inviato al telefono. Dentro SIM con una chiave Ki(chiave di identificazione - così come IMSI, è contenuto in SIM) e l'algoritmo di identificazione A3, viene calcolata una risposta a 32 bit - SRES(Risultato firmato) dalla formula SRES = Ki * RAND. Esattamente gli stessi calcoli vengono eseguiti contemporaneamente in AuC(secondo il selezionato HLR Ki utente). Se SRES calcolato nel telefono corrisponderà SRES calcolato AuC, quindi il processo di autorizzazione è considerato riuscito e l'abbonato viene assegnato TMSI(Identità dell'abbonato mobile temporaneo). TMSI serve esclusivamente a migliorare la sicurezza dell'interazione dell'abbonato con la rete e può cambiare di volta in volta (anche quando si cambia VLR).

In teoria, in fase di registrazione, dovrebbe essere trasmesso anche il numero IMEI, ma ho grossi dubbi sul fatto che gli operatori di Mosca stiano monitorando IMEI telefoni utilizzati dagli abbonati. Consideriamo una sorta di rete "ideale" che funzioni come concepita dai creatori del GSM. Quindi, al ricevimento IMEI rete, va a EIR, dove viene confrontato con le cosiddette "liste" di numeri. La lista bianca contiene i numeri dei telefoni autorizzati, la lista nera è composta da IMEI telefoni, rubati o per qualsiasi altro motivo non approvato per l'uso e, infine, una lista grigia - "tubi" con problemi, il cui lavoro è risolto dal sistema, ma che vengono costantemente monitorati.

Dopo la procedura di identificazione e interazione dell'ospite VLR con casa HLR viene avviato il contatore del tempo, che fissa il momento della nuova registrazione in assenza di sessioni di comunicazione. In genere, il periodo di registrazione obbligatorio è di diverse ore. La nuova registrazione è necessaria affinché la rete riceva la conferma che il telefono è ancora nell'area di copertura. Il fatto è che in modalità standby, il "tubo" monitora solo i segnali trasmessi dalla rete, ma non emette nulla di per sé: il processo di trasmissione inizia solo se viene stabilita una connessione, nonché durante i movimenti significativi relativi alla rete ( questo sarà discusso in dettaglio di seguito) - in tal In alcuni casi, viene riavviato il conto alla rovescia fino alla successiva ri-registrazione. Pertanto, se il telefono "cade" dalla rete (ad esempio, la batteria è stata scollegata o il proprietario del dispositivo è entrato nella metropolitana senza spegnere il telefono), il sistema non lo saprà.

Tutti gli utenti sono divisi casualmente in 10 classi di accesso uguale (con numeri da 0 a 9). Inoltre, esistono diverse classi speciali con numeri da 11 a 15 (servizi di emergenza e di emergenza di vario genere, personale di rete). Le informazioni sulla classe di accesso sono memorizzate in SIM... Una speciale, 10a classe di accesso, permette di effettuare chiamate di emergenza (al 112) se l'utente non appartiene a nessuna classe consentita, o non ha IMSI (SIM). In caso di emergenza o congestione della rete, ad alcune classi potrebbe essere temporaneamente negato l'accesso alla rete.

Divisione territoriale della rete e devolvere.

Come già accennato, la rete è composta da molti bts- stazioni base (una bts- una "cella", cella). Per semplificare il funzionamento del sistema e ridurre il traffico aereo, bts combinati in gruppi - domini denominati LA(Area di localizzazione). Ogni LA corrisponde al tuo codice LAI(Identità dell'area geografica). Uno VLR può controllarne diversi LA... E esattamente LAI si adatta VLR per impostare la posizione dell'abbonato mobile. Se necessario, è nell'apposito LA(e non in una cella separata, badate bene) verrà cercato un iscritto. Quando un abbonato si sposta da una cella all'altra all'interno di una LA reimmatricolazione e modifica dei registri in VLR/HLR non è prodotto, ma ne vale la pena (l'abbonato) per entrare nel territorio di un altro LA come il telefono inizierà a interagire con la rete. Ogni utente, probabilmente, più di una volta ha dovuto sentire interferenze periodiche (come grunt-grunt - grunt-grunt - grunt-grunt :-)) nell'impianto musicale della sua auto da un telefono in modalità standby - questa è spesso una conseguenza della reimmatricolazione all'attraversamento delle frontiere LA... Quando si cambia LA il vecchio prefisso viene cancellato da VLR e viene sostituito da uno nuovo LAI se il prossimo LA controllato da un altro VLR, allora ci sarà un cambiamento VLR e aggiornando la voce in HLR.

In generale, suddividere una rete in LA un problema di ingegneria piuttosto difficile, che viene risolto individualmente durante la costruzione di ciascuna rete. Troppo piccolo LA comporterà frequenti ri-registrazioni dei telefoni e, di conseguenza, un aumento del traffico di segnali di servizio di vario genere e una scarica più rapida delle batterie dei telefoni cellulari. Se fate LA grande, quindi, se è necessario connettersi con l'utente, il segnale di chiamata dovrà essere inviato a tutte le celle comprese in LA, che comporta anche un aumento ingiustificato della trasmissione delle informazioni di servizio e un sovraccarico dei canali interni della rete.

Ora diamo un'occhiata a un bellissimo algoritmo del cosiddetto devolvere`ra (questo nome è stato dato al cambio del canale utilizzato durante il processo di connessione). Durante una conversazione su un telefono cellulare a causa di una serie di motivi (rimozione del "microtelefono" dalla stazione base, interferenza multiraggio, movimento dell'abbonato nella zona della cosiddetta ombra, ecc.) l'alimentazione ( e qualità) del segnale potrebbe deteriorarsi. In questo caso, si verificherà un passaggio al canale (forse un altro bts) con una migliore qualità del segnale senza interrompere la connessione corrente (aggiungerò - né l'abbonato stesso né il suo interlocutore, di regola, non si accorgono di cosa è successo devolvere«a). Le consegne sono generalmente divise in quattro tipi:

• cambiare canale all'interno di una stazione base
• cambiare il canale di una stazione base nel canale di un'altra stazione, ma sotto il patrocinio della stessa Bsc.
• commutazione dei canali tra stazioni base controllate da differenti Bsc ma uno MSC
• commutazione dei canali tra stazioni base, per cui non solo diverso Bsc, ma anche MSC.

In generale, tenendo devolvere"un - compito" MSC... Ma nei primi due casi, detti interni devolvere`s, al fine di ridurre il carico sull'interruttore e sulle linee di servizio, il processo di cambio canale è controllato Bsc, un MSC informato solo di quanto accaduto.

Durante una chiamata, il telefono cellulare monitora costantemente la potenza del segnale del vicino bts(l'elenco dei canali (fino a 16) da monitorare è impostato dalla stazione base). Sulla base di queste misurazioni, vengono selezionati i sei migliori candidati, i cui dati vengono trasmessi costantemente (almeno una volta al secondo). Bsc e MSC organizzare un eventuale cambio. Ci sono due schemi principali devolvere`un:

• "Modo di minima commutazione" (Prestazioni minime accettabili). In questo caso, quando la qualità della comunicazione peggiora, il telefono cellulare aumenta la potenza del suo trasmettitore il più a lungo possibile. Se, nonostante l'aumento del livello del segnale, la connessione non migliora (o la potenza ha raggiunto il massimo), allora devolvere.
• "Modalità risparmio energetico" (Bilancio energetico). In questo caso, la potenza del trasmettitore del telefono cellulare rimane invariata e, in caso di deterioramento della qualità, cambia il canale di comunicazione ( devolvere).

È interessante notare che non solo un telefono cellulare può avviare un cambio di canale, ma anche MSC, ad esempio, per distribuire meglio il traffico.

Instradamento delle chiamate.

Ora parliamo di come vengono instradate le chiamate in arrivo a un telefono cellulare. Come prima, considereremo il caso più comune quando l'abbonato si trova all'interno dell'area di copertura della rete ospite, la registrazione è andata a buon fine e il telefono è in modalità standby.

Alla ricezione di una richiesta (Fig. 2) di connessione da un sistema telefonico cablato (o altro cellulare) a MSC rete domestica (la chiamata "trova" il centralino richiesto dal numero composto dall'abbonato mobile MSISDN che contiene il codice del paese e della rete).

Fig.2 Interazione dei principali blocchi della rete all'arrivo di una chiamata.

MSC invia a HLR Camera ( MSISDN) abbonato. HLR, a sua volta, fa una richiesta a VLR la rete ospite in cui si trova l'abbonato. VLR mette in evidenza uno dei disponibili MSRN(Numero in roaming della stazione mobile - numero della stazione mobile in roaming). Ideologia dell'appuntamento MSRN molto simile all'assegnazione dinamica degli indirizzi IP per l'accesso remoto a Internet tramite modem. HLR la rete domestica riceve da VLR assegnato all'abbonato MSRN e accompagnandolo IMSI utente, trasmette allo switch della rete domestica. La fase finale nello stabilire una chiamata è dirigere la chiamata seguita da IMSI e MSRN, allo switch di rete ospite, che genera un segnale speciale trasmesso su PAGCH(CANALE PAGer - canale di chiamata) in tutto LA dove si trova l'abbonato.

L'instradamento delle chiamate in uscita non è niente di nuovo e interessante da un punto di vista ideologico. Darò solo alcuni dei segnali diagnostici (Tabella 4) che indicano l'impossibilità di stabilire una connessione e che l'utente può ricevere in risposta a un tentativo di stabilire una connessione.

Tabella 4. Principali segnali diagnostici relativi all'errore di creazione della connessione.

Conclusione

Ovviamente niente al mondo è perfetto. I sistemi cellulari GSM discussi sopra non fanno eccezione. Il numero limitato di canali crea problemi nei centri commerciali delle megalopoli (e di recente, contrassegnati da una rapida crescita della base di abbonati, e nelle loro periferie) - per effettuare una chiamata, spesso è necessario attendere che il carico del sistema diminuire. Bassa, per gli standard moderni, la velocità di trasferimento dei dati (9600 bps) non consente l'invio di file di grandi dimensioni, per non parlare dei materiali video. E le possibilità di roaming non sono così infinite: l'America e il Giappone stanno sviluppando i propri, incompatibili con il GSM, sistemi di comunicazione wireless digitali.

Certo, è presto per dire che i giorni del GSM sono contati, ma non si può non notare la comparsa all'orizzonte dei cosiddetti 3G- sistemi che rappresentano l'inizio di una nuova era nello sviluppo della telefonia cellulare e sono privi degli svantaggi elencati. Come voglio guardare avanti di qualche anno e vedere quali opportunità otteniamo tutti dalle nuove tecnologie! Tuttavia, non c'è molto da aspettare: l'inizio delle operazioni commerciali della prima rete di terza generazione è previsto per l'inizio del 2001 ... Ma quale destino è in serbo per i nuovi sistemi: una crescita esplosiva, come il GSM, o rovina e distruzione , come Iridium, il tempo lo dirà ...