Сотовая связь GSM

Введение

GSM сначала означало Groupe Special Mobile, по названию группы анализа, которая создавала стандарт. Теперь он известен как Global System for Mobile Communications (Глобальная Система для Мобильной Связи), хотя слово «Cвязь» не включается в сокращение. Разработка GSM началась в 1982 году группой из 26 Европейских национальных телефонных компаний. Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных администраций (CEPT), стремились построить единую для всех европейских стран сотовую систему около 900 MГц диапазона. Редкое торжество Европейского союза, достижения GSM стали «одними из наиболее убеждающих демонстраций какое сотрудничество в Европейской промышленности может быть достигнуто на глобальном рынке».

В 1989 году Европейский Телекоммуникационный шнститут Стандартов (ETSI) взял ответственность за дальнейшее развитие GSM. В 1990 году были опубликованы первые рекомендации. Спецификация была опубликована в 1991 году.

Коммерческие сети GSM начали действовать в Европейских странах в середине 1991 г. GSM разработан позже, чем стандартная сотовая связь и во многих отношениях лучше был сконструирован. Северо-Американский аналог — PCS, вырастил от своих корней стандарты включая TDMA и CDMA цифровую технологию.

Глава 1. Общие сведения

«GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation), хотя на 2006 год условно находится в фазе 2,5G (1G — аналоговая сотовая связь, 2G — цифровая сотовая связь, 3G — широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе шнтернет).

Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц.
В зависимости от количества диапазонов, телефоны подразделяются на классы и вариацию частот в зависимости от региона использования.

Однодиапазонные — телефон может работать на одной из частот. В настоящее время не выпускаются, но существует возможность ручного выбора определённой частоты в некоторых моделях телефонов или с помощью инженерного меню телефона.
Двухдиапазонные (Dual Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800 и 850/1900 для Америки и Канады.
Трёхдиапазонные (Tri Band) — для Европы, Азии, Африки, Австралии 900/1800/1900 и 850/1800/1900 для Америки и Канады.
Четырехдиапазонные (Quad Band) — поддерживают все диапазоны 850/900/1800/1900.

В стандарте GSM применяется GMSK модуляция с величиной нормированной полосы ВТ — 0,3, где В — ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т — длительность одного бита цифрового сообщения.

GSM на сегодняшний день является наиболее распространённым стандартом связи. По данным ассоциации GSM (GSMA) на данный стандарт приходится 82 % мирового рынка мобильной связи.»(1)

Глава 2. Этапы развития

GSM Phase 1

1982 (Groupe Special Mobile) — 1990 г. Global System for Mobile Communications. Первая коммерческая сеть в январе 1992 г. Цифровой стандарт, поддерживает скорость передачи данных до 9.6 кбит/с. Полностью устарел, производство оборудования под него прекращено.

В 1991 году были введены услуги стандарта GSM «ФАЗА 1». В них входят:

• Переадресация вызова (Call forwarding).
• Возможность перевода входящих звонков на другой телефонный номер в тех случаях, когда номер занят или абонент не отвечает; когда телефон выключен или находится вне зоны действия сети и т. п. Кроме того, возможна переадресация факсов и данных.
• Запрет вызова (Call barring).
• Ожидание вызова (Call waiting).
• Удержание вызова (Call Holding).
• Глобальный роуминг (Global roaming).

GSM Phase 2

1993 г. Включает диапазон 1900 МГц в 1995 г. Цифровой стандарт, поддерживает скорость передачи данных до 9.6 кбит/с. Устарел. Второй этап развития GSM «ФАЗА 2», который завершился в 1997 г., предусматривает такие услуги:

• Определение номера вызывающей линии (Calling Line Identification Presentation).
• Антиопределитель номера (Calling Line Identification Restriction).
• Групповой вызов (Multi party).
• Режим телеконференции или конференц-связи позволяет объединить до пяти абонентов в группу и вести переговоры между всеми членами группы одновременно.
• Создание закрытой группы до десяти абонентов (Closed User Group).
• шнформация о стоимости разговора.
• Обслуживание дополнительной линии (Alternative Line Service). Пользователь может приобрести два номера, которые будут приписаны к одному модулю SIM.
• Короткие текстовые сообщения (Short Message Service). Возможность приёма и передачи коротких текстовых сообщений (до 160 знаков).
• Система голосовых сообщений (Voice Mail).

GSM Phase 2+

Следующий этап развития сетей стандарта GSM «ФАЗА 2+» не связан с конкретным годом внедрения. Новые услуги и функции стандартизируются и внедряются после подготовки и утверждения их технических описаний. Все работы по этапу «Фаза 2+» проводились Европейским институтом стандартизации электросвязи (ETSI). Количество уже внедрённых и находящихся в стадии утверждения услуг превышает 50. Среди них можно выделить следующие:

• 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 счёт системы передачи данных по коммутируемым каналам HSCSD (High Speed Circuit Switched Data).

Глава 3. Предоставляемые услуги

«GSM обеспечивает поддержку следующих услуг:

• Услуги передачи данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных — GPRS). Данные услуги не гарантируют совместимость терминальных устройств и обеспечивают только передачу информации к ним и от них.
• Передача речевой информации.
• Передача коротких сообщений (SMS).
• Передача факсимильных сообщений.

Дополнительные (необязательные к предоставлению) услуги:

• Определение вызывающего номера и ограничение такого определения.
• Безусловная и условная переадресация вызова на другой номер.
• Ожидание и удержание вызова.
• Конференц-связь (одновременная речевая связь между тремя и более подвижными станциями).
• Запрет на определённые пользователем услуги (международные звонки, роуминговые звонки и др.)
• Голосовая почта.

И многие другие услуги.»(1)

Глава 4. Стандарты и радиоинтерфейс

В России самым популярным является стандарт GSM-900/1800. В большинстве салонов продаж мобильных телефонов, покупатель может найти аппараты, поддерживающий только данный стандарт (за исключением смартфонов и коммуникаторов, которые могут работать на частоте 850/1900МГц). Также он используется в Европе и Азии.

GSM-900

Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890 до 915 МГц (от телефона к базовой станции) и от 935 до 960 МГц (от базовой станции к телефону). Количество реальных каналов связи гораздо больше чем написанно ниже в таблице, так как присутствует еще и временное разделение каналов TDMA, то есть на одной и той же частоте могут работать несколько абонентов с разделением во времени.

В некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880—915 МГц и 925—960 МГц соответственно, благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось на 50. Такая модификация была названа E-GSM (extended GSM).

GSM-1800

Модификация стандарта GSM-1800, цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц.

Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 — 1Вт, для сравнения у GSM-900 — 2Вт. Может дольше работать без подзарядки и имеет меньший уровень радиоизлучения. Аппарат, поддерживающий GSM-1800, может работать и в стандарте GSM-900. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается — вручную или автоматически. Но зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше, чем в стандарте GSM-900. Необходимо большее число базовых станций.

850/1900 МГц

ИСпользуется в США, Канаде, отдельных странах Латинской Америки и Африки.

Глава 5. Структура GSM

Система GSM состоит из трёх основных подсистем:

• Подсистема базовых станций (BSS — Base Station Subsystem),
• Подсистема коммутации (NSS — Network Switching Subsystem),
• Центр технического обслуживания (OMC — 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). Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным — от 400 м до 50 км. Максимальный теоретический радиус ячейки составляет 120 км, что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении её из одной соты в другую без разрыва соединения. Рассматривая границы покрытия сигнала от каждой станции уже в зоне перекрытия, как раз получаем — шестиугольники.

Базовая станция (BTS) обеспечивает
приём/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.

Контроллер базовых станций (BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очерёдностью соединений, скоростью передачи данных, распределение радиоканалов, сбор статистики, контроль различных радиоизмерений, назначение и управление процедурой Handover.»(1)

Подсистема коммутации

«NSS построена из следующих компонентов:
1. Центр коммутации (MSC — Mobile Switching Centre).
MSC контролирует определённую географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM. 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 передаёт их в центр расчётов 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 её вызова.
2. Домашний реестр местоположения (HLR — Home 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.
3. 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.
4. 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 чёрный (MS, запрещённые к применению). У российских операторов (и большей части операторов стран СНГ) используются только белые списки, что не позволяет раз и навсегда решить проблему кражи мобильных телефонов. В случае занесения владельцем своего, но уже украденного у него, телефона в чёрный список — он перестаёт работать и, следовательно, не представляет для воров никакого коммерческого интереса. Но есть одно «но». Российские сотовые операторы не используют оборудование EIR, соответственно говорить об использовании только белых списков можно с большой натяжкой. Владелец не может внести самостоятельно свой телефон ни в какой список — ни чёрный, ни белый, ни серый, это сфера деятельности оператора. При внесении телефона в чёрный список каким-либо оператором телефон сможет нормально работать в другой сети, так как единой базы данных не существует.
5. Центр аутентификации (AUC — Authentication 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 случайное число RAND, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование числа RAND ключом Ki для данной SIM при помощи специального 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.
6. Подсистема OMC (Operations and Maintenance Centre).
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.»(1)

Глава 6. Каналы и обработка сигналов

«Каналы в системе сотовой связи стандарта GSM делятся на два класса: логические и физические. Физические каналы характеризуются их частотными параметрами, в частности, диапазоном, частотами приема и передачи базовых и мобильных станций, и временными параметрами или параметрами используемых временных слотов. Логические каналы так и называются, потому что они логически распределяются в физических каналах. Физические каналы используются для передачи сигналов логических каналов управления или каналов трафика. Что и когда передается по физическому каналу, определяется конкретным промежутком времени.

Каждому физическому каналу, представляющему собой пару частот — передачи и приема, присваивается номер.

Рассчитать частоту канала n можно по формулам:
Fjx = 890 + 0,2-п (МГц), где 1 < n < 124;
Frx = FTx + 45 (МГц), где Frx и Ftx обозначают соответственно частоты приема и передачи.

Как было сказано выше, эти данные представляют собой логический канал. Он состоит из канала трафика TCH (Traffic Channel), используемый главным образом для передачи речевой информации, и широковещательного канала ВСН (Broadcast Channel) для передачи сигналов управления. Основное назначение канала ВСН — передача информации от базовой станции на мобильную, с целью синхронизации работы, идентификации, вызова и управления соединением. Его сигнал постоянно излучается каждой базовой станцией сотовой связи, а мобильная станция всегда ищет для соединения ту базовую станцию, принимаемый сигнал которой максимален.

Структура канала ВСН включает:

• Канал коррекции частоты FCCH (Frequency Correction Channel);
• Канал синхронизации SCH (Synchronization Channel);
• Широковещательный канал управления ВССН (Broadcast Control Channel).

Общий канал управления ССН (Common Control Channel) играет роль доски объявлений и состоит в свою очередь из двух каналов — канала вызова РСН (Paging Channel) и канала предоставления доступа AGCH (Access Grant Channel). Медленный управляющий канал взаимодействия SACCH (Slow Associated Control Channel) присутствует в сигнале каждые 12 фреймов и служит для управления мощностью передающего устройства и синхронизации работы мобильной станции, передачи служебной информации на мобильную станцию, передачи от нее на соседние базовые станции информации об уровне и качестве приема. Быстрый канал обмена сигналами управления FACCH (Fast Associated Control Channel) остается невидимым и включается в работу при необходимости обеспечения хэндовера мобильной станции, изменяя при этом канал трафика ТСН.

Выделенный канал управления SDCCH (Stand-alone Dedicated Control Channel) и канал случайного доступа RACH (Random Access Channel) работают в процессе установления соединения.

Каждой MS присваивается уникальный идентификационный номер, и, как только телефон включают, происходит его немедленная регистрация и аутентификация в сети. Это позволяет немедленно найти абонента сотовой связи, где бы он ни находился при условии, что его MS находится в зоне покрытия сети.» (2)

«Мобильные телефоны системы GSM используют принцип временного кодирования сигналов с множественным доступом или TDMA (Time Division Multiple Access). Это значит, что при разго­воре абонента сигналы от его телефона передаются короткими пачками импульсов — пакетами, которые включают помимо передаваемой информации и служебную. Соответственно, аналоговые сигналы перед подачей их на модулятор должны быть оцифрованы, и все сигналы — обработаны процессором, чтобы занять свое, определенное для них в пакете место. На одном частотном канале (в GSM ширина его полосы составляет 200 кГц) могут вести переговоры несколько абонентов одновременно. В пределах одной соты может быть задействовано несколько таких каналов.

Речевой сигнал после цифро-аналогового преобразователя представляет собой цифровую последовательность, которая после преобразования ее в параллельный код подается на синфазно-квадратурный или I/Q (In-phase/Quadrature) модулятор. В современных системах мобильной цифровой связи используются именно I/Q модуляторы. Они позволяют получить сигналы практически со всеми видами модуляции, используемыми в таких системах, реализовать метод модуляции с постоянной огибающей, отличающийся от других высокими энергетическими характеристиками. Сигнал опорной частоты подается на фазовращатель, который формирует из него два одинаковых сигнала, сдвинутых по частоте на 90°. В результате сложения этих сигналов и получают модулированный радиочастотный сигнал. Фильтры нижних частот на входе модулятора предназначены для сглаживания фронтов импульсов. Их обычно называют предмодуляциоиными фильтрами.

В современных мобильных телефонах наиболее широкое применение нашли приемники прямого преобразования или DCR (Direct Conversion Receiver). Принцип работы такого приемника прост: принимаемый сигнал подается на преобразователь частоты, на который одновременно подается и сигнал гетеродина с частотой, равной частоте принимаемого
сигнала. В результате выделяется информационный сигнал. Соответственно приемник прямого преобразования для приема сигналов GSM должен обеспечить возможность выделения квадратурных каналов I и Q.» (3)

Глава 7. Безопасность GSM

«Сотовые системы связи первого поколения, такие как NMT, TACS и AMPS, имели небольшие возможности в плане безопасности, и это привело к существенным уровням мошеннической деятельности, которая вредит и абонентам и сетевым операторам. Множество инцидентов большого значения выдвинуло на первый план чувствительность аналоговых телефонов к подслушиванию линий радиосвязи. Система GSM имеет множество особенностей в плане безопасности, которые разработаны, чтобы предоставить абоненту и сетевому оператору больший уровень защиты от мошеннической деятельности. Механизмы аутентификации гарантируют, что только добросовестным абонентам, обладающим добросовестным оборудованием, то есть не украденным или нестандартным, будет предоставлен доступ сети. Как только связь была установлена, информация в линии связи передается в зашифрованной форме, во избежание подслушивания. Конфиденциальность каждого абонента защищена, гарантирована тем, что его личность и местоположения защищены. Это достигнуто путем назначения для каждого пользователя временного идентификатора подвижного абонента (Temporary Mobile Subscriber Identity - TMSI), который изменяется от звонка к звонку. Таким образом нет необходимости передавать международный идентификатор мобильного абонента (International Mobile Subscriber Identity - IMSI) по радио-интерфейсу, что затрудняет задачу идентификации и определения местонахождения пользователя для подслушивающего.

Защита PIN кодом

«Первый и самый простой уровень защиты против мошеннического использования мобильного телефона — личный идентификационный номер (PIN-код), предназначенный для защиты против мошеннического использования украденных SIM карт. В SIM карте, PIN код имеет вид четырех — восьми разрядных десятичных цифр. Пользователь может иметь возможность отключения этого уровня защиты. SIM-карта также может хранить второй четыре — восемь разрядный десятичный код, известных как PIN2, чтобы защитить определенные возможности, которые являются доступными для абонента. Как только PIN-код, и если требуется PIN2, введены правильно, объект технической эксплуатации (maintenance entity) будет иметь доступ к данным хранимым в SIM карте. Технические требования также определяют процедуры, которые должны выполняться, когда PIN код введен неправильно. После трех последовательных неправильных попыток набора PIN кода, SIM-карта блокируется и дальнейшие попытки ввести PIN код игнорируются, даже если SIM карта извлечена из объекта технической эксплуатации (maintenance entity). SIM-карта может быть разблокирована путем введения восьмиразрядного десятичного кода, известного как PUK (Personal Unlock Key), который также хранится в SIM карте. После 10 неправильных попыток введения PUK кода, SIM карта блокируется окончательно.

Установление подлинности

Опознавательная процедура запускается, когда мобильная станция делает попытку проведения одного из следующих действий: изменение связанной с абонентом информации, сохраненной в (Home Location Register) или в регистре местоположения посетителя (Visitor Location Register); это будет включать уточнение местоположения, которое вовлекает детали абонента, сохраняемые в новый регистр местоположения посетителя (Visitor Location Register) и регистрацию сети; доступ к сети в целях сделать или принять вызов; при первом доступе после перезапуска MSC/VLR. подлинности начинается сетью в виде сообщения опознавательного запроса, посланного мобильной станции. Это сообщение содержит 128-битовое случайное число, названное RAND. В мобильной станции это число используется как один из входных параметров к секретному алгоритму, известному как A3. Другой входной параметр к A3 — секретный ключ абонента, Ki. A3 и Ki хранятся в SIM карте. Безопасность GSM заключается в секретности Ki и по этой причине ключ сохранен в SIM карте под значительной защитой. Секретный ключ не может быть прочитан из SIM карты непосредственно, и доступ осуществляется только, когда SIM карта персонализируется под управлением сетевого оператора. В течение процедур безопасности, которые происходят в GSM, Ki используется только внутри SIM карты. Ki может иметь любой формат и любую длину. Отметим, что алгоритм A3 хранится в тайне, дабы обеспечить дополнительную безопасность. Результат применения алгоритма A3 над Ki и RAND — другое число, SRES (Signed RESult), который должен быть длиной 32 бита. Как только это было вычислено мобильной станцией, SRES возвращается в сеть в виде сообщения опознавательного ответа. На стороне сети, AuC также хранит секретный ключ пользователя Ki и алгоритм A3, и генерирует свою версию SRES по тому же алгоритму что и мобильная станция. Затем HLR посылает SRES посещенному MSC/VLR, где эти две версии сравниваются. Если они идентичны, то авторизация мобильной станции считается подлинной. Секретный алгоритм A3 предоставляет возможность относительно простой генерации SRES из RAND и Ki, но затрудняет определение Ki из SRES и RAND, или пар SRES и RAND. Алгоритм A3 не уникален, и каждый оператор имеет свободу выбрать его собственную версию, хотя алгоритм примера доступен на ограниченном основании. Это очевидно имеет большое значение, когда рассматривается роуминг между операторами, использующими различные алгоритмы A3. Проблема преодолена, путем вычисления SRES в «HLR» домашней сети абонента и посылки посещаемому MSC/VLR, где производится опознавательная проверка. MSC/VLR хранит МНОЖЕСТВО RAND и пар SRES для каждой мобильной станции, чтобы уменьшить число информационных передач между исходным регистром местоположения HLR и MSC/VLR. HLR и VLR могут находиться в различных странах.

Шифрование

Как только подлинность абонента была проверена, таким образом защищая и абонента и сетевого оператора от влияния мошеннического доступа, пользователь должен быть защищен от подслушивания. Это достигается путем шифрования данных передаваемых по радио-интерфейсу, с использованием второго ключа Kc и секретного алгоритма A5. Kc генерируется в течение опознавательной фазы, используя Ki, RAND и секретный алгоритм A8, который также хранится в SIM карте. Подобно алгоритму A3, A8 не уникален, и он может также быть выбран оператором. Ключ Kc для каждого пользователя вычисляется в AuC домашней сети, чтобы преодолеть проблемы роуминга между сетями. В некоторых реализациях A3 и алгоритмы A8 объединены в единственный алгоритм A38, который использует RAND и Ki, чтобы сгенерировать Kc и SRES. В отличие от A3 и A8, которые, возможно, различны для каждого индивидуального оператора, A5 будет выбирается из списка из 7 возможных вариантов. Перед шифрованием происходит фаза переговоров в ходе которой определяется, какая версия A5 будет использована. Если сеть и мобильная станция не имеют общих версий A5, связь должна продолжиться в незашифрованном виде или соединение должно быть разорвано. Алгоритм A5 использует 64-битный ключ Kc, и 22-битный номер фрейма TDMA, для вычисления двух 114-битных слова шифрования, BLOCK1 и BLOCK2, для использования при передаче и приеме соответственно. Слова шифрования — EXORed со 114 битами данных в каждой посылке. Поскольку зашифрованные данные вычислены, используя номер фрейма TDMA, то слова изменяются от посылки к посылке и не повторяются на протяжении гиперфрейма (приблизительно 3,5 часа).

Временный идентификатор подвижного абонента (TMSI)

Некоторые передачи на линии радиосвязи не могут быть защищены шифрованием. Например, после начального назначения, мобильная станция должна передать свой идентификатор сети прежде, чем шифрование может быть активизировано. Это очевидно позволило бы подслушивающему определять местоположение абонента, перехватывая это сообщение. Эта проблема решена в GSM введением временного идентификатора подвижного абонента (TMSI), который является «псевдонимом», назначенным на каждой мобильной станции со стороны VLR. TMSI передается мобильной станции в течение предыдущей зашифрованной сессии связи, и он используется мобильной станцией и сетью при любом последующем пейджинге и процедурах доступа. TMSI действителен только в пределах области, которую обслуживает определенный VLR.»(4)

Глава 8. Принципы формирования сигналов стандарта GSM

«Принцип TDMA предусматривает "расщепление" каждой полосы в 200 КГц на восемь временных интервалов (слотов), которые представляют собой логические каналы связи. Каждый из них определяется собственной частотой и номером кадра (фрейма) слота. Не вдаваясь в детали, отметим, что логический канал состоит из речевого, или Traffic Chanel (TCH), несущего в себе речевую информацию, канала управления и синхронизации (CCH), а также некоторого числа бит кодовой последовательности для коррекции ошибок при приеме сигнала. Канал управления состоит из подканалов, каждый из которых выполняет свои функции в процессе установления связи, ее сеанса и завершения: BCCH, FCCH, SCH, RACH, AGCH.

При использовании восьми слотов "оцифрованная речь" в каждом канале передается короткими пачками (пакетами) импульсов, а терминал GSM передает только 1/8 часть от каждого сообщения.

При использовании восьмислотового кадра TDMA и 248 физических полудуплексных каналов (это 124 канала х 2) теоретически обеспечивается передача 8 x 248 = 1984 логических полудуплексных каналов на каждую ячейку. Каналы называют полудуплексными потому, что при со единении двух абонентов их разговор передается поочередно (один говорит, - другой слушает). На самом деле обеспечивается передача только 283 (из расчета 1984/7) логических полудуплексных каналов на ячейку. Это обусловлено тем, что в каждой ячейке можно использовать только семь пар из общего количества
частот.

Каждый из частотных каналов разделен на 8 временных слотов длиной 0,577 мс (15/26 мс). Эти слоты составляют TDMA-кадр длиной 4,615 мс (120/26 мс). Повторение отдельно взятого временного слота каждые 4,615 мс образует один основной канал (логический канал).
В системах связи стандарта GSM различают два вида каналов - каналы трафика TCH (Traffic CHannels) для передачи информации пользователя (речь, данные) и каналы управления, которые в сети резервируют для передачи сообщений при ее обслуживании. Считается, что для передачи речи достаточно скорости 13 кбит/с.

Системы GSM используют "медленную скачкообразную перестройку частоты", или SFH (Slow Frequency Hopping), когда мобильная и базовая станции каждый TDMA-кадр передают на новой фиксированной частоте с сохранением постоянного разноса в 45 МГц между каналами приема и передачи. Время для перестройки частоты составляет около 1 мс. Последовательность переключений частот в процессе установления связи для каждого сотового телефона - индивидуальна. Именно принцип SFH успешно решает проблему качества связи, которое при многолучевом распространении сигнала может ухудшаться с изменением значения несущей частоты.»(5)

Глава 9. Преимущества и недостатки

Преимущества стандарта GSM:

1. Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность.
2. Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций.
3. Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.
4. Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах.
5. Улучшенная (по сравнению с аналоговыми системами) защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с разделяемым ключом.
6. Эффективное кодирование (сжатие) речи. EFR-технология была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.
7. Широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор оборудования.
8. Возможность роуминга.

Недостатки стандарта GSM:

1. ИСкажение речи при цифровой обработке и передаче.
2. Связь на расстоянии не более 120 км (в теории) от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн.
3. Излучение носимыми трубками — потенциальный вред здоровью. В настоящее время не подтверждено, даже после проведения множества экспериментов.

Глава 10. Конкурирующие мобильные системы

В мире существует несколько стандартов беспроводной мобильной связи.

«Стандарт NMT является аналоговым и относится к группе FDMA (Frequency Division Multiplie Access - Множественный Доступ с Частотным Разделением) стандартов сотовой связи. У данной группы стандартов немало недостатков, но и достаточно много преимуществ по сравнению с другими группами (TDMA и CDMA). Основное преимущество NMT-450 - большой радиус действия базовой станции. Вполне приличная связь в 70-ти км от БС - не редкость для NMT. Телефон GSM-900, например, по определению не может работать на расстоянии более 35 км от БС. Главный недостаток NMT-450 - значительный уровень помех в диапазоне 450 МГц в крупных промышленных городах. Но стоит удалиться от города - качество связи сильно улучшается и зачастую превосходит качество проводных телефонных сетей.»(6)

«В технологии CDMA возможно обеспечение высокого качества речи при одновременном снижении излучаемой мощности и уровне шумов. Результатом является постоянное высокое качество передачи речи и данных с минимальной средней выходной мощностью.

В сотни раз меньшее значение выходной мощности в отличие от других, используемых в настоящее время стандартов - отличительное качество технологии CDMA при рассмотрении двух немаловажных факторов:

• Воздействия на организм человека;
• Продолжительности работы без подзарядки аккумулятора.

Емкость CDMA от десяти до двадцати раз выше, чем у аналоговых систем, и в три- шесть раз превышает емкость других цифровых систем. Сети, построенные на ее основе, эффективно используют радиочастотный ресурс, благодаря возможности многократного использования одних тех же частот в сети.

По характеристикам качества передачи речи параметры CDMA сопоставимы с качеством проводных каналов. Поскольку по каналам CDMA передается не только голос, но и любая другая информация, особую ценность имеет отсутствие помех. Если рядовой пользователь, по большому счету, безразличен к тому, звучит его голос при телефонном разговоре с безупречной чистотой или с небольшими помехами, то ошибки, допущенные при передаче файлов, могут нарушить целостность, например, корпоративной базы данных. Применяемый "код" служит не только для идентификации разговора того или иного пользователя, но и является одновременно своеобразным фильтром, устраняющим искажения и фоновые помехи. Встроенный алгоритм кодирования обеспечивает высокую степень конфиденциальности, обеспечивая защиту от несанкционированного доступа и прослушивания.

Система CDMA обеспечивает меньшую задержку в передаче голосового сообщения, чем другие системы подвижной связи. При использовании CDMA не приходится применять изощренные средства для подавления эхо-сигнала. Совершенный метод коррекции ошибок позволяет эффективно бороться с многолучевым распространением сигнала. Это свойство дает дополнительные преимущества CDMA в условиях городов с высотными застройками.»(7)

Коротко, преимущества CDMA перед другими системами следующие:

• Ёмкость базовых станций увеличивается в 8–10 раз по сравнению с AMPS и в 4–5 раз — по сравнению с GSM;
• Улучшенное качество звука по сравнению с AMPS;
• Отсутствие частотного планирования благодаря использованию тех же самых частот в смежных секторах каждой соты;
• Улучшенная защищённость передаваемых данных;
• Улучшенные характеристики покрытия, позволяющие использовать меньшее количество сот;
• Большее время работы батарей до разрядки;
• Возможность выделения требуемой полосы частот — по потребности.

«Особенностью стандарта DAMРS/AMРS является высокая емкость сетей (значительно выше, чем у NMT-450 и AMРS). В DAMРS/AMРS пользователь получает возможность эксплуатации мобильного аппарата как в цифровом, так и в аналоговом режимах. Абонентам предоставляется широкий спектр сервисных услуг. Емкость сетей сотовой связи, работающих в этом стандарте, ниже, чем в полностью цифровых системах, но все же значительно выше, чем в аналоговых. Если при роуминге абонент из аналоговой сети AMРS попадает в цифровую - DAMРS, для работы ему выделяются аналоговые каналы. Однако в этом случае преимущества цифровой связи, оплаченные заранее, ему недоступны.»(8)

«Преимущества транковых сетей по сравнению с сотовыми системами:

• Возможность связи одновременно с несколькими абонентами (групповые вызовы);
• Высокая оперативность установления соединения (0,2–1 сек);
• Организация очередей к ресурсам системы при занятости и автоматическое соединение после появления возможности доступа;
• Доступ к системе исходя из установленных приоритетов и экстренное предоставление канала связи абоненту с более высоким приоритетом;
• Меньшие затраты на развертывание и эксплуатацию систем.

К недостаткам транковых систем следует отнести:

• Низкую рентабельность при малом количестве абонентов;
• Относительно высокую стоимость оборудования (по сравнению с «обычными» системами радиосвязи);
• Потребность в линиях межзоновой связи (проводных, радиочастотных, радиорелейных, оптоволоконных) и, как следствие, усложнение и удорожание развертывания;
• Потребность в профессиональном сервисном обслуживании.»(9)

Заключение

Стандарт GSM является лидером по количеству абонентом на нашей планете. Технология хорошо развита и будет продолжать развиваться, пока не появится что-либо совершеннее и дешевле. Хорошее качество связи в пределах города, огромное разнообразие услуг, предоставляемое GSM-операторами, и доступность телефонных аппаратов всем слоям населения, являются решающими факторами при выборе именно этого стандарта.

Список литературы

1. шнформация взята с шнтернет сайта http://ru.wikipedia.org/wiki/GSM - Википедия - независимая энциклопедия;
2. Александр Берлин «Телекоммуникационные сети и устройства : учебное пособие», 2008;
3. С. Б. Макаров, Н. В. Певцов, Е. А. Попов, М. А. Сиверс «Телекоммуникационные технологии : Введение в технологии GSM», 2008;
4. шнформация взята с шнтернет сайта http://ru.wikipedia.org/wiki/Безопасность_GSM - Википедия - независимая энциклопедия;
5. шнформация взята с шнтернет сайта http://ele.by.ru/stati/gsm.shtm - «Основные принципы работы сотовых телефонов стандарта GSM»;
6. шнформация взята с шнтернет сайта http://allo.kulichki.com/mo/help/sss.htm - сайт «Сотовые телефоны»;
7. шнформация взята с шнтернет сайта http://www.amobile.ru/info/standard/cdma/about.htm - сайт «Секреты мобильных технологий»;
8. шнформация взята с шнтернет сайта http://www.amobile.ru/info/standard/damps/about.htm - сайт «Секреты мобильных технологий»;
9. шнформация взята с шнтернет сайта http://www.viol.uz/systems/trank/page1.shtml - сайт «Системы транковой связи».