Bezpłatna biblioteka techniczna ENCYKLOPEDIA RADIOELEKTRONIKI I INŻYNIERII ELEKTRYCZNEJ Jak działają sieci GSM. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki Encyklopedia radioelektroniki i elektrotechniki /Mobile Communications GSM (lub Globalny System Komunikacji Mobilnej) został opracowany w 1990 roku. Pierwszy operator GSM przyjął abonentów w 1991 roku, do początku 1994 roku sieci oparte na omawianym standardzie miały już 1.3 miliona abonentów, a do końca 1995 roku ich liczba wzrosła do 10 milionów! Zacznijmy od najbardziej złożonego i być może nudnego - schematu blokowego sieci. W opisie zostaną użyte międzynarodowo akceptowane skróty angielskie. Najprostsza część schematu blokowego - telefon przenośny, składa się z dwóch części: samej „słuchawki” - ME (Mobile Equipment - urządzenie mobilne) i karty SIM (Subscriber Identity Module - moduł identyfikacji abonenta), uzyskanej po zakończeniu umowa z operatorem. Jak każdy samochód wyposażony jest w unikalny numer karoserii, tak i telefon komórkowy posiada własny numer – IMEI (International Mobile Equipment Identity – międzynarodowy identyfikator urządzenia mobilnego), który może zostać przesłany do sieci na jego żądanie. SIM z kolei zawiera tzw. IMSI (International Mobile Subscriber Identity – międzynarodowy numer identyfikacyjny abonenta). Tak więc IMEI odpowiada konkretnemu telefonowi, a IMSI - konkretnemu abonentowi. „Centralny układ nerwowy” sieci to NSS (Network and Switching Subsystem – podsystem sieciowy i przełączający), a komponent pełniący funkcje „mózgu” to MSC (Mobile services Switching Center – centrala przełączania). To właśnie tę ostatnią wszyscy nazywają „przełącznikiem”, a także, w przypadku problemów z komunikacją, obwiniają ją za wszystkie grzechy śmiertelne. W sieci może być więcej niż jeden MSC. MSC obsługuje routing połączeń, generowanie danych dla systemu bilingowego, zarządza wieloma procedurami - łatwiej powiedzieć, co nie jest obowiązkiem przełącznika, niż wymienić wszystkie jego funkcje. Kolejne najważniejsze elementy sieci, również zawarte w NSS, nazwałbym HLR (Rejestr Abonentów Macierzystych - rejestr własnych abonentów) oraz VLR (Rejestr Abonentów Gości - rejestr przemieszczeń). Zwróć uwagę na te części, w przyszłości często będziemy się do nich odwoływać. HLR to z grubsza baza danych wszystkich abonentów, którzy podpisali umowę z daną siecią. Przechowuje informacje o numerach użytkowników (liczby oznaczają po pierwsze wspomniany IMSI, po drugie tzw. MSISDN-Mobile Abonent ISDN, czyli numer telefonu w zwykłym znaczeniu), listę dostępnych usług i wiele więcej. - w dalszej części tekst będzie często opisywał parametry, które znajdują się w HLR. W przeciwieństwie do HLR, który jest jednym w systemie, VLR może być kilka – każdy z nich kontroluje swoją część sieci. VLR zawiera dane o abonentach znajdujących się na jego (i tylko na jego!) terytorium (obsługiwani są nie tylko jego abonenci, ale także zarejestrowani w sieci użytkownicy roamingu). Gdy tylko użytkownik opuści zasięg VLR, informacje o nim są kopiowane do nowego VLR i usuwane ze starego. W rzeczywistości jest wiele wspólnego między tym, co dotyczy abonenta w VLR i w HLR - spójrz na tabele, aby uzyskać listę danych długoterminowych (Tabela 1) i tymczasowych (Tabele 2 i 3) o przechowywanych danych subskrybentów w tych rejestrach. Jeszcze raz o różnicy między HLR i VLR: pierwsza zawiera informacje o wszystkich abonentach sieci, niezależnie od ich lokalizacji, a druga zawiera dane tylko o tych, którzy znajdują się na terytorium podległym temu VLR. W HLR dla każdego abonenta zawsze istnieje łącze do VLR, który aktualnie z nim pracuje (abonent) (w tym przypadku sam VLR może należeć do obcej sieci zlokalizowanej np. na drugim końcu Ziemia). Dane długoterminowe przechowywane w HLR i VLR 1. Międzynarodowa tożsamość subskrybenta (IMSI)
Dane tymczasowe przechowywane w HLR
Dane tymczasowe przechowywane w VLR
NSS zawiera jeszcze dwa komponenty - AuC (Centrum Uwierzytelniania – centrum autoryzacji) oraz EIR (Rejestr identyfikacji sprzętu – rejestr identyfikacji sprzętu). Pierwszy blok służy do procedur uwierzytelniania abonentów, a drugi, jak sama nazwa wskazuje, odpowiada za zezwalanie na działanie w sieci tylko autoryzowanym telefonom komórkowym. Wykonawczą niejako częścią sieci komórkowej jest BSS (Base Station Subsystem – podsystem stacji bazowych). Jeśli będziemy kontynuować analogię z ciałem ludzkim, to ten podsystem można nazwać kończynami ciała. BSS składa się z kilku "ramion" i "nóg" - BSC (Base Station Controller - kontroler stacji bazowej), a także wielu "palców" - BTS (Base Transceiver Station - stacja bazowa). Stacje bazowe można zaobserwować wszędzie – w miastach, na polach – w rzeczywistości są to po prostu nadajniki-odbiorniki zawierające od jednego do szesnastu nadajników. Każdy BSC kontroluje całą grupę BTS i odpowiada za zarządzanie i dystrybucję kanałów, poziom mocy stacji bazowej i tym podobne. Zwykle w sieci nie ma jednego BSC, ale cały zestaw (ogólnie są setki i tysiące stacji bazowych). Praca sieci jest zarządzana i koordynowana za pomocą OSS (Operating and Support Subsystem – podsystem zarządzania i wsparcia). OSS składa się z różnego rodzaju usług i systemów kontrolujących działanie i ruch. Za każdym razem, gdy włączysz telefon po wybraniu sieci, rozpoczyna się procedura rejestracji. Rozważmy najbardziej ogólny przypadek - rejestrację nie w domu, ale w czyjejś sieci, tak zwanej gościnnej (założymy, że usługa roamingu jest dozwolona dla abonenta). Niech sieć zostanie znaleziona. Na żądanie sieci telefon przesyła IMSI abonenta. IMSI zaczyna się od kodu kraju „rejestracji” właściciela, po którym następują cyfry identyfikujące sieć domową, a dopiero potem – unikalny numer konkretnego abonenta. Na przykład początek IMSI 25099 ... odpowiada rosyjskiemu operatorowi Beeline. (250-Rosja, 99 - Beeline). W oparciu o numer IMSI, VLR sieci gości identyfikuje sieć domową i kontaktuje się ze swoim HLR. Ten ostatni przesyła wszystkie niezbędne informacje o subskrybencie do VLR, który wysłał żądanie, i umieszcza w sobie łącze do tego VLR, aby w razie potrzeby wiedział, gdzie szukać subskrybenta. Bardzo ciekawy jest proces ustalania autentyczności subskrybenta. Podczas rejestracji sieć domowa AuC generuje 128-bitową liczbę losową - RAND, wysyłaną na telefon. Wewnątrz karty SIM za pomocą klucza Ki (klucz identyfikacyjny - podobnie jak IMSI jest zawarty w karcie SIM) i algorytmu identyfikacji A3 obliczana jest odpowiedź 32-bitowa - SRES (Signed RESult) według wzoru SRES = Ki * RAND. Dokładnie te same obliczenia są wykonywane jednocześnie w AuC (zgodnie z Ki użytkownika wybranym z HLR). Jeżeli SRES obliczony w telefonie jest zgodny z SRES obliczonym przez AuC, wówczas proces autoryzacji uznaje się za udany, a abonentowi przypisywana jest TMSI (tymczasowa tożsamość abonenta mobilnego). TMSI służy wyłącznie poprawie bezpieczeństwa interakcji abonenta z siecią i może od czasu do czasu ulegać zmianie (w tym przy zmianie VLR). Teoretycznie podczas rejestracji numer IMEI również powinien zostać przekazany, ale mam duże wątpliwości co do tego, że miński operator śledzi IMEI telefonów używanych przez abonentów. Zastanówmy się nad jakąś „idealną” siecią, działającą zgodnie z zamierzeniami twórców GSM. Tak więc, gdy IMEI zostanie odebrany przez sieć, jest wysyłany do EIR, gdzie jest porównywany z tak zwanymi „listami” numerów. Biała lista zawiera numery telefonów dopuszczonych do użytku, czarna lista to numery IMEI, telefony skradzione lub z innego powodu nie dopuszczone do użytku, a na końcu szara lista - "słuchawki" z problemami, które system dopuszcza, ale za którym jest stale monitorowany. Po procedurze identyfikacji i interakcji gościa VLR z macierzystym HLR uruchamiany jest licznik czasu, który ustala moment ponownej rejestracji w przypadku braku jakichkolwiek sesji komunikacyjnych. Zwykle obowiązkowy okres rejestracji to kilka godzin. Ponowna rejestracja jest konieczna, aby sieć otrzymała potwierdzenie, że telefon nadal znajduje się w zasięgu. Faktem jest, że w trybie gotowości „słuchawka” monitoruje tylko sygnały przesyłane przez sieć, ale sama niczego nie emituje - proces transmisji rozpoczyna się dopiero po nawiązaniu połączenia, a także podczas znacznych ruchów w stosunku do sieci (szczegółowo zostanie to omówione poniżej) - w takich przypadkach timer odliczający czas do kolejnej ponownej rejestracji jest restartowany. Dlatego jeśli telefon „wypadnie” z sieci (np. bateria została odłączona, albo właściciel urządzenia wszedł do metra bez wyłączania telefonu), system nie będzie o tym wiedział. Wszyscy użytkownicy są losowo podzieleni na 10 klas o równym dostępie (o numerach od 0 do 9). Ponadto istnieje kilka klas specjalnych z numerami od 11 do 15 (różne rodzaje służb ratowniczych i ratowniczych, personel sieci). Informacje o klasie dostępu są przechowywane na karcie SIM. Specjalny dostęp klasy 10 umożliwia wykonywanie połączeń alarmowych (na numer 112), jeśli użytkownik nie należy do żadnej dozwolonej klasy lub w ogóle nie posiada IMSI (SIM). W przypadku sytuacji awaryjnych lub przeciążenia sieci niektórym klasom może zostać czasowo odmówiony dostęp do sieci. Jak już wspomniano, sieć składa się z wielu BTS - stacji bazowych (jeden BTS - jedna "komórka", komórka). Aby uprościć działanie systemu i ograniczyć ruch usługowy, BTS łączy się w grupy - domeny zwane LA (Location Area - location areas). Każde LA ma swój własny kod LAI (identyfikator obszaru lokalizacji). Jeden VLR może kontrolować wiele LA. I to LAI jest umieszczany w VLR, aby ustawić lokalizację abonenta komórkowego. W razie potrzeby abonent będzie wyszukiwany w odpowiednim LA (a nie w oddzielnej komórce). Kiedy abonent przenosi się z jednej komórki do drugiej w tym samym LA, ponowna rejestracja i zmiana rekordów w VLR / HLR nie jest wykonywana, ale gdy tylko on (abonent) wejdzie na terytorium innego LA, telefon zacznie wchodzić w interakcję z siecią. Po zmianie LA kod starego obszaru jest usuwany z VLR i zastępowany przez nowy LAI, ale jeśli następny LA jest kontrolowany przez inny VLR, wówczas VLR zostanie zmieniony, a zapis w HLR zostanie zaktualizowany . Ogólnie rzecz biorąc, dzielenie sieci na LA jest dość trudnym zadaniem inżynierskim, które rozwiązuje się podczas indywidualnego budowania każdej sieci. Zbyt małe LA będą prowadzić do częstych przerejestrowań telefonów, aw efekcie do zwiększenia ruchu różnego rodzaju sygnałów serwisowych i szybszego rozładowywania baterii telefonów komórkowych. Jeśli LA jest duże, to w przypadku konieczności połączenia z abonentem, sygnał wywołania będzie musiał zostać wysłany do wszystkich komórek wchodzących w skład LA, co również prowadzi do nieuzasadnionego wzrostu transmisji informacji o usłudze i przeciążenia wewnętrzne kanały sieci. Przyjrzyjmy się teraz bardzo pięknemu algorytmowi tzw. handover (taką nazwę nadano zmianie kanału używanego podczas procesu połączenia). Podczas rozmowy przez telefon komórkowy, z wielu powodów (usunięcie „słuchawki” ze stacji bazowej, zakłócenia wielościeżkowe, przejście abonenta w tzw. strefę cienia itp.) siły sygnału (i jakości ) może ulec pogorszeniu. W takim przypadku nastąpi przełączenie na kanał (może inny BTS) o lepszej jakości sygnału bez przerywania bieżącego połączenia (dodam - ani sam abonent, ani jego rozmówca z reguły nie zauważają przełączenia, które nastąpiło ). Przekazania są zwykle podzielone na cztery typy: 1. zmiana kanałów w ramach tej samej stacji bazowej
Generalnie przekazanie jest zadaniem MSC. Jednak w pierwszych dwóch przypadkach, zwanych przekierowaniami wewnętrznymi, w celu zmniejszenia obciążenia przełączników i linii serwisowych, proces zmiany kanału jest kontrolowany przez BSC, a MSC jest tylko informowany o tym, co się stało. W trakcie rozmowy telefon komórkowy stale monitoruje poziom sygnału z sąsiednich BTS-ów (lista kanałów (do 16), które mają być monitorowane, ustalana jest przez stację bazową). Na podstawie tych pomiarów wybiera się sześciu najlepszych kandydatów i przekazuje je w sposób ciągły (co najmniej raz na sekundę) do BSC i MSC w celu zorganizowania ewentualnej zmiany. Istnieją dwa główne schematy przekazywania: „Tryb najmniejszego przełączania” (minimalna dopuszczalna wydajność). W takim przypadku, gdy jakość komunikacji pogarsza się, telefon komórkowy jak najdłużej zwiększa moc swojego nadajnika. Jeżeli pomimo wzrostu poziomu sygnału połączenie nie poprawi się (lub moc osiągnęła maksimum), następuje przekazanie. „Tryb oszczędzania energii” (Budżet mocy). Jednocześnie moc nadajnika telefonu komórkowego pozostaje niezmieniona, a w przypadku pogorszenia jakości zmienia się kanał komunikacji (przekazanie).
Porozmawiajmy teraz o tym, jak połączenia przychodzące są kierowane na telefon komórkowy. Tak jak poprzednio, rozważymy najbardziej ogólny przypadek, gdy abonent znajduje się w zasięgu sieci gościnnej, rejestracja się powiodła, a telefon jest w trybie czuwania.
MSC przekazuje numer abonenta (MSISDN) do HLR. HLR z kolei wysyła zapytanie do VLR odwiedzanej sieci, w której znajduje się abonent. VLR przydziela jeden z dostępnych MSRN (Mobile Station Roaming Number - numer „wędrującej” stacji mobilnej). Ideologia przypisywania MSRN jest bardzo podobna do dynamicznego przypisywania adresów IP w dostępie dial-up do Internetu za pośrednictwem modemu. HLR sieci domowej odbiera numer MSRN przypisany do abonenta z VLR i po dołączeniu do IMSI użytkownika przesyła go do przełącznika sieci domowej. Ostatnim etapem nawiązywania połączenia jest skierowanie połączenia, któremu towarzyszą IMSI i MSRN, do przełącznika sieci gościa, który generuje specjalny sygnał transmitowany przez PAGCH (PAGer Channel – kanał wywoławczy) w całym LA, w którym znajduje się abonent. Routing połączeń wychodzących nie przedstawia niczego nowego i interesującego z ideologicznego punktu widzenia. Oto tylko niektóre z sygnałów diagnostycznych, które wskazują na niemożność nawiązania połączenia i które użytkownik może otrzymać w odpowiedzi na próbę połączenia. Podstawowe sygnały diagnostyczne dla błędu połączenia Numer abonenta jest zajęty - 425±15 Hz - 500ms beep, 500ms pauza
Publikacja: cxem.net Zobacz inne artykuły Sekcja Mobile Communications. Czytaj i pisz przydatne komentarze do tego artykułu. Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika: Sztuczna skóra do emulacji dotyku
15.04.2024 Żwirek dla kota Petgugu Global
15.04.2024 Atrakcyjność troskliwych mężczyzn
14.04.2024
Inne ciekawe wiadomości: ▪ Stacja kosmiczna na gigantycznej asteroidzie ▪ TPL5110 — zegar zarządzania energią Nano ▪ Bajkowy robot do zapylania roślin Wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika
Ciekawe materiały z bezpłatnej biblioteki technicznej: ▪ część serwisu Transfer danych. Wybór artykułu ▪ artykuł Śmigło łopatkowe. Wskazówki dla modelarza ▪ artykuł Czy ptaki wąchają? Szczegółowa odpowiedź ▪ artykuł Róg, kość słoniowa. Proste przepisy i porady
Zostaw swój komentarz do tego artykułu: Wszystkie języki tej strony Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn www.diagram.com.ua |