Более подробно остановимся на стандарте GSM, который является сегодня самым распространенным в нашей стране и который еще долго будет оказывать влияние на информационные технологии во всем мире.

GSM глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением канала по принципу TDMA и высокой степенью безопасности благодаря шифрованию с открытым ключом. Поясним последнее. Известно, что в зависимости от структуры используемых ключей методы шифрования подразделяются:

• на тайнопись: посторонним лицам неизвестен сам алгоритм шифрования, закон преобразования знают только отправитель и получатель сообщения;

• симметричное шифрование: посторонним лицам известен алгоритм шифрования, но он зависит от небольшой порции секретной информации - ключа, одинакового для отправителя и получателя сообщения;

• асимметричное шифрование: посторонним лицам известен алгоритм шифрования, но он зависит от двух небольших порций информации - открытого ключа, известного всем потенциальным отправителям сообщения, и закрытого ключа, известного только получателю.

Разработка нового общеевропейского стандарта цифровой сотовой связи осуществлялась специальной группой - Group Special Mobile. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту. Позд нее GSM, благодаря ее широкому распространению, стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications. К настоящему времени система GSM развилась в глобальный стандарт второго поколения, занимающий лидирующие позиции в мире как по площади покрытия, так и по числу абонентов.

Сети, выполненные в соответствие со стандартом GSM, относятся к сетям второго поколения (2 Generation), (1G - аналоговая сотовая связь, 2G - цифровая сотовая связь, 3G - широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет). Стандарт GSM является самым распространенным стандартом сотовой связи в мире.

В стандарте GSM определены различные диапазона работы: 900/1800 МГц используется в Европе, Азии; в некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880-915 МГц и 925-960 МГц благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось на 50. Такая модификация была названа E-GSM (extended GSM). Частоты 850/1900 МГц используется США, Канаде, отдельных странах Латинской Америки и Африки. Соответственно, сотовые телефоны выпускаются для четырех диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. Характеристика основных диапазонов работы GSM приведена в табл. 9.2.

Основные стандарты GSM-900 - цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890 до 915 МГц (от телефона к базовой Таблица 9.2

Характеристика основных диапазонов работы GSM

станции) и от 935 до 960 М Гц (от базовой станции к телефону). В данном частотном диапазоне наблюдается низкий уровень индустриальных помех.

Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным - от 400 м до 50 км. Направленные антенны установлены на крышах зданий, вышек и т. д.

Данный стандарт отличают меньшие по -сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счет аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подается команда снизить излучаемую мощность.

Максимальная защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путем применения алгоритмов шифрования с открытым ключом. Для кодирования речи используется EFR-технология, которая была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM. Это приводит к несколько неестественному звучанию речи, зато избавляет пользователей от шипения и треска. Даже при использовании усилителей и направленных антенн связь обеспечивается на расстоянии не более 35 км от ближайшей базовой станции Поэтому для покрытия определенной площади необходимо большее количество передатчиков, чем в NMT-450 и AMPS.

GSM-900 несомненно является оптимальным стандартом для крупных индустриальных и густонаселенных районов. На сегодняшний день стандарт GSM поддерживают 228 оператора, официально зарегистрированных в Ассоциации операторов GSM из 110 стран. С учетом сказанного, а также благодаря услуге автоматического роуминга, который доступен абонентам сетей GSM. Это позволяет говорить о едином мировом информационном пространстве на основе GSM.

Роуминг {англ. roam - странствовать, бродить) - означает, что абонент одной из сетей GSM может пользоваться сотовым телефонным номером не только у себя «дома», но и перемещаться по всему миру, переходя из одной сети в другую, не расставаясь со своим абонентским номером. Процесс перехода из сети в сеть происходит автоматически, и пользователю телефона GSM нет необходимости заранее уведомлять оператора о своем отъезде, а нужно лишь не забыть взять аппарат с собой в путешествие.

GSM-1800 - модификация стандарта GSM-900, цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц. Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 - 1 Вт, для сравнения у GSM-900 - 2 Вт. Это обеспечивает большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения.

Высокая рабочая частота обуславливает меньший максимальный радиус соты, что наряду с использованием широкой полосы частот облегчает обслуживание зон с высокой плотностью абонентов. Системы, поддерживающие GSM-1800, идеально подходят для мегаполисов, но экономически невыгодны для обширных территорий из-за необходимости установки большого числа базовых станций.

С появлением двухдиапазонных телефонов GSM - 900/1800 появилась возможность создавать комбинированные сети, в которых каждый из частотных диапазонов применяется там, где его свойства оптимальны. Такой телефон автоматически переключается между диапазонами в зависимости от занятости каналов и уровня сигнала.

Это позволяет оператору рациональнее использовать частотный ресурс, а клиентам - экономить деньги за счет низких тарифов. В обеих сетях абонент пользуется одним номером. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге.

GSM-1900 (Global System for Mobile communications). Стандарт GSM-1900 - это модификация стандарта GSM-900. Наиболее распространен в США. Он абсолютно идентичен GSM-900 по свойствам. С появлением двух и трехдиапазонных телефонов GSM - 900/1800/1900 появилась возможность создавать комбинированные сети, в которых каждый из частотных диапазонов применяется там, где его свойства оптимальны. Такой телефон автоматически переключается между диапазонами в зависимости от занятости каналов и уровня сигнала.

Сегодня количество уже внедренных и находящихся в стадии утверждения услуг в сетях GSM превышает 50. Среди них можно выделить следующие: передача речевой информации, передача коротких сообщений (SMS), передача факсимильных сообщений, определение вызывающего номера и ограничение такого определения, безусловная и условная переадресация вызова на другой номер, ожидание вызова, конференц-связь (одновременная речевая связь между тремя и более подвижными станциями), запрет на определенные пользователем услуги (международные звонки, роуминговые звонки и др.).

В последнее время внедрены: улучшенное программное обеспечение SIM-карты; улучшенное полноскоростное кодирование речи EFR (Enhanced Full Rate); возможность взаимодействия между системами GSM и DECT; повышение скорости передачи данных благодаря пакетной передаче данных GPRS (General Packet RadioService) или за счет системы передачи данных по коммутируемым каналам HSCSD (High Speed Circuit Switched Data); установка при одной подписке на трубку двух телефонных линий и двух абонентских номеров. Это особенно удобно для абонентов, которые пользуются корпоративными аппаратами - один номер рабочий (его оплачивает компания), второй личный, и многие другие услуги.

Структура GSM. Система GSM состоит из трех основных подсистем:

• подсистема базовых станций (BSS - Base Station Subsystem);

• подсистема коммутации (NSS - Network Switching Subsystem);

• центр технического обслуживания (ОМС - Operation and Maintenance Centre).

В отдельный класс оборудования GSM выделены терминальные устройства - подвижные станции (MS -- Mobile Station), также известные, как мобильные (сотовые) телефоны.

Подсистема базовых станций BSS состоит из собственно базовых станций (BTS - Base Transceiver Station) и контроллеров базовых станций (BSC - Base Station Controller). Зона покрытия сотовой связью условно делится на ячейки (соты). Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении ее из одной соты в другую без разрыва соединения. Максимальный радиус ячейки составляет 35 км, что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала.

Поскольку рабочий радиус базовых станций порядка 10-12 км за городом и около 5 км в городе, их строят много и располагают относительно недалеко друг от друга.

Полностью автономные и автоматизированные базовые станции представляют собой небольшие контейнеры, которые устанавливаются, как правило, на крыше зданий. Там обычно находится несколько компьютеров, источник автономного питания и кондиционер - все оборудование базовых станций очень чувствительно к перепадам температуры. Оно снабжено автоматической системой пожаротушения и сигнализацией. В обязательном порядке имеется беспроводной или кабельный канал связи с центром управления се тью, куда передается огромный поток данных - входящие и исходящие вызовы от абонентов.

Мощность излучения антенны базовых станций не постоянна, она меняется в зависимости от нагрузки сети - количества активных сотовых телефонов в зоне обслуживания. При этом для станций, расположенных в различных районах города, загрузка варьируется. В ночные часы она практически равна нулю, к вечеру резко повышается.

Базовая станция (BTS) обеспечивает прием/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций BSC. BTS является автономной и строится по модульному принципу.

Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации NSS. В его полномочия также входит управление очередностью соединений, скоростью передачи данных и распределение радиоканалов.

Подсистема коммутации NSS построена из следующих компонентов: Центр коммутации (MSC - Mobile Switching Centre). MSC контролирует определенную географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП, другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячейки в другую.

После завершения вызова MSC обрабатывает данные по нему и передает их в центр расчетов для формирования счета за предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае ее вызова.

Домашний реестр местоположения (HLR - Ноте Location Registry). Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI - International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC). Каждый абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все MSC и VLR в данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга - и MSC других сетей.

Гостевой реестр местоположения (VLR - Visitor Location Registry). VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM - так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.

Реестр идентификации оборудования (EIR - Equipment Identification Registry). Содержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и черный (MS, запрещенные к применению).

Центр аутентификации (AUC - Authentification Centre). Здесь производится аутентификация абонента, а точнее - SIM (Subscriber Identity Module). Доступ к сети разрешается только после прохождения SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC на MS приходит открытый ключ, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование уникального для данной SIM ключа аутентификации при помощи уникального же алгоритма. Затем с MS и AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики» - SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается успешной.

Подсистема ОМС соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций.

В GSM каналы связи делятся на физические и логические. Передачу речи и данных в физических каналах организуют кадры длительностью 4,615 мс, состоящие из восьми слотов.

Каждый слот соответствует своему каналу речи, т. е. восемь каналов речи передаются в одном частотном канале при полноскоростном кодировании речи (при полускоростном, используемом для повышения емкости сети, но с потерей качества передаваемой речи).

Информационный кадр может быть кадром канала трафика или канала управления. При этом кадры группируются в мультикадры, те в свою очередь в суперкадры, а из суперкадров складывается гиперкадр длительностью 3 часа 28 минут 53,76 секунды. Необходимость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями шифрования данных.

Сотовая система подвижной связи (ССПС) является системой массового обслуживания со случайным потоком вызовов, описывается распределением Пуассона, случайной продолжительностью их обслуживания, подчиняется экспоненциальному распределению и фиксированным количеством каналов связи.

Было бы нерационально ограничивать число абонентов количеством каналов, так как вероятность того, что все абоненты захотят воспользоваться связью, крайне низка.

Поэтому ССПС строят из расчета некоего среднего трафика, который рассчитывается как произведение средней частоты поступления вызовов на среднюю продолжительность обслуживания одного вызова.

Соответственно, если система перегружена и реальный трафик оказался выше среднего, то абонента ждет сообщение - system busy.

В системах сотовой связи используются радиоволны дециметрового диапазона, которые испытывают сильные отражения от окружающих объектов и подстилающей поверхности. Это приводит к многолучевому распространению радиосигнала. Колебания среднего уровня сигнала называются замираниями. Они бывают быстрыми (релеевскими) и медленными. Опасность представляют первые. Для борьбы с релеевскими замираниями используют разнесенный прием и медленные скачки по частоте Slow Frequency Hopping.

Порядок работы сотового телефона. При включении MS происходит ее инициализация, или регистрация, в регистре перемещения BSS, выбор и синхронизация частотного канала. После этого MS переходит в режим ожидания, в котором отслеживает уровень сигнала своей BSS и до 16 смежных, код качества принимаемого в соте сигнала.

При этом MSC фиксирует в своем VLR местоположение MS. После поступления вызова от абонента, например телефонной линии общего пользования (ТфОП), MSC направляет его на ту BSS, в которой зарегистрирована MS. Происходит назначение канала трафика, при этом MS сообщается номер частотного канала.

После этого MS настраивается на номер слота в кадре, синхронизируется по времени с BSS и устанавливает необходимый уровень мощности передатчика, который регулируется в процессе разговора детектором речевой активности VAD, последний включает передатчик на излучение, когда абонент говорит, в остальное время форми руется комфортный шум (это называется прерывистой передачей речи DTX).

Далее BSS выдает сигнал вызова, который подтверждается MS, и вызывающий абонент получает возможность его услышать. Когда вызываемый абонент отвечает (снимает трубку), процесс соединения завершается и начинается сеанс связи. При перемещении абонента в процессе сеанса связи из одной ячейки в другую осуществляется эстафетная передача обслуживания от одной базовой станции к другой (handover). Это происходит, когда качество сигнала, оцениваемое по уровню сигнала или частоте битовой ошибки, падает ниже заданного уровня. При этом MSC выбирает, в какую ячейку передать обслуживание, сообщает об этом новой BSS и через старую BSS - MS, после этого идет переключение. Это так называемый жесткий handover с потерей связи до 300 мс (в CDMA существует мягкий handover, когда связь на границе соты поддерживается с двумя BSS, пока качество связи с одной из них не упадет ниже допустимого уровня).

При переходе абонента из зоны обслуживания одного оператора в зону обслуживания другого включается функция роуминга при наличии роумингового соглашения между операторами.

SIM карта. Наличие специального съемного модуля идентификации абонента SIM (Subscriber Identity Module) в сотовом телефоне значительно упрощает жизнь пользователям сетей GSM по сравнению с пользователями других ССПС, так как благодаря наличию SIM карты достигается независимость телефонных аппаратов от конкретного оператора сотовой связи.

SIM карта содержит международный персональный идентификационный номер IMSI (International Mobile Equipment Identity) абонента, криптографические ключи и алгоритмы шифрования. Она нужна для проведения процедуры аутентификации (подтверждения подлинности абонента) и организации шифрования данных для обеспечения конфиденциальности связи.

Эти достаточно сложные в реализации процедуры направлены на борьбу с несанкционированным доступом к услугам ССПС (фродом) и прослушиванием разговоров пользователей.

Сотовый телефон (MS). В общем виде сотовый телефон состоит из блока управления, приемно-передающего и антенного трактов. Блок управления включает микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей, сигнальный процессор CPU и память МЕМ, а антенный тракт - антенну (в простейшем случае четверть волнового штыря) и электронный коммутатор, подключающий антенну либо на вход приемника, либо на выход передатчика.

Отдельно остановимся на работе приемно-передающего блока (приемные и передающие тракты являются зеркальным отражением друг друга) и рассмотрим его работу на примере обработки речи.

Аналоговый сигнал с выхода микрофона оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП, который осуществляет дискретизацию по времени и квантование по уровню аналогового сигнала, вследствие чего на выходе АЦП появляется последовательность нулей и единиц.

Частота дискретизации должна быть как минимум вдвое больше максимальной частоты спектра обрабатываемого сигнала (в обыкновенной телефонии для передачи речи ограничились полосой частот 300-3400 Гц). В GSM частота дискретизации равна 8 кГц.

Оцифрованный сигнал речи является избыточным сигналом. Для устранения избыточности применяют кодирование или сжатие речи.

Существуют два направления при сжатии речи: кодирование формы (wafeform coding) и источника (source coding) сигнала, причем последнее основано на методе линейного предсказания LPC (Linear Predictive Coding). Первое направление менее эффективно.

Суть кодирования речи на основе LPC заключается в том, что по линии связи передаются не параметры речевого сигнала, а параметры некоторого эквивалентного голосовому тракту фильтра и параметры его возбуждения.

В GSM используется метод линейного предсказания с возбуждением регулярной последовательности импульсов и долговременным предсказанием RPELTP (Regular Pulse Excited Term Predictor). Качество кодирования оценивается по пятибалльной шкале MOS.

Далее происходит помехоустойчивое (канальное) кодирование сигнала Forward Error Correcting coding, которое позволяет на приемной стороне обнаруживать и в значительной мере исправлять ошибки, возникающие при распространении радиосигнала в пространстве. Это достигается путем внесения в состав сигнала довольно большого объема избыточной (контрольной) информации и реализуется в виде трех последовательных процедур: блочного кодирования, сверточного кодирования и перемежения (предназначено для преобразования пакетных ошибок в одиночные ошибки). Речевой кодек GSM уже догнал по качеству передаваемой речи обыкновенную телефонию.

Последним элементом приемопередающего тракта является модулятор, который осуществляет перенос информационного сигнала на несущую частоту. В стандарте GSM применена гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying). Термин «гауссовская» означает дополнительную фильтра цию модулирующей битовой последовательности узкополосным гауссовским фильтром.

Основные конструктивные решения сотовых телефонов. По месту расположения в процессе эксплуатации можно выделить:

• стационарный - аналогичен обычному проводному телефону. Используется вместо обычного телефона там, где его проведение невозможно или нецелесообразно. Интересно, что такие аппараты не являются мобильными телефонами, хотя являются сотовыми;

• автомобильный - аналогичен стационарному, только предназначен для установки в автомобиль и обычно оптимизирован для удобной работы в автомобиле;

• мобильный - предназначен для постоянного ношения абонентом в кармане, на поясе, в личной сумке, на шее с помощью декоративного шнурка.

Существует несколько типов корпусов мобильных телефонов, по которым они классифицируются:

• корпус моноблок (классическая форма) - напоминает обычную телефон-трубку, не содержит никаких движущихся частей;

• корпус с откидной крышкой (флипом) закрывающей клавиатуру. Обычно на этой крышке располагают микрофон, что позволяет телефону иметь удобное расстояние между микрофоном и динамиком, даже при небольшом размере телефона. Одно время такие телефоны были очень популярны. На данный момент эта конструкция почти не используется, это произошло из-за распространения телефонов типа «раскладушка»;

• корпус «раскладушка» («книжка», «лягушка») - складной корпус, состоящий из двух частей и напоминающий блокнот или пудреницу. Обычно на верхней крышке находится дисплей и динамик, а в нижней части - клавиатура и микрофон. Помимо внутреннего (основного) дисплея, телефон в данном форм-факторе часто имеет и внешний дисплей, доступный в сложенном состоянии;

⁰корпус «псевдораскладушка» - похожа на «раскладушку», но экран находится в нижней ее части, а на откидной крышке только динамик. В отличие от флипа, верхняя крышка такого форм-факто-ра закрывает и дисплей. Часто в верхней крышке оставляют отверстие или делают часть крышки (а иногда и всю) прозрачной, чтобы можно было видеть дисплей в закрытом состоянии;

• корпус типа «слайдер» - состоит из двух частей, сдвигающихся друг относительно друга;

• корпус «ротатор» (с поворотным механизмом).

Сотовые телефоны также обычно делят на аппараты с внешней антенной и встроенной антенной.

⇐Сотовые системы технологии сотовой подвижной связи | Информационные системы и технологии | Местоопределение абонентов в сетях сотовой связи⇒