Сети стандарта GSM

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 00:02, 27 января 2015.
Данная статья была согласована с её автором Р.А. Бельферым 28 апреля 2012 года.

__NUMBEREDHEADINGS__

Классификация беспроводных сетей связи

Беспроводные сети позволяют связываться и получать доступ к приложениям и информации без использования проводных соединений. Существует большое количество разнообразных технологий беспроводных сетей, которые могут быть классифицированы в зависимости от размеров территориальной зоны, в которой они способны обеспечить связь. При этом они подразделяются на четыре основных типа:

  • Беспроводная глобальная сеть WWAN (Wireless Wide Area Network);
  • Беспроводная городская сеть WMAN (Wireless Metropolian Area Network);
  • Беспроводная локальная сеть WLAN (Wireless Local Area Network);
  • Беспроводная персональная сеть WPAN (Wireless Personal Area Network).

В таблице 1 приведены некоторые разновидности таких сетей.

Таблица 1. Разновидности беспроводных сетей
Тип Сфера действия Стандарты
WWAN По всему миру Сотовые системы связи поколений 2, 2.5 и 3
WMAN В пределах города IEEE 802.16, WiMАХ,
IEEE 802.11s, mesh-сети
WLAN В пределах зданий IEEE 802.11, Wi-Fi
WPAN В непосредственной близости от пользователя IEEE 802.15, Bluetooth

Каждый узел беспроводной линии связи оснащается антенной, которая одновременно является передатчиком и приёмником электромагнитных волн. Электромагнитные волны распространяются в атмосфере со скоростью 300 тыс. км/с во все направления или в пределах определённого сектора. Беспроводная среда, для которой сегодня в основном используется микроволновый диапазон (300МГц – 3000ГГц) отличается высоким уровнем помех.
Поскольку ресурсы радиочастот весьма ограничены, стоит задача общего всемирного регулирования использования частот. Для всемирной координации распределения частот мир был разделён Международной Союзом Электросвязи в области радиосвязи (МСЭ-Р) ITU-R (International Telecommunication Union-Radio Sector) на три региона. Комитет ITU-R периодически проводит конференции, на которых утверждается распределение частот во всех трёх регионах. В табл. 2 приведено несколько примеров частот, используемых в трёх регионах для WWAN и WLAN.

Таблица 2. Примеры распределения частот для беспроводных сетей
Тип
Европа США Япония
WWAN GSM

890 - 915 МГц
935 - 960 МГц
1710 - 1785 МГц
1805 - 1880 МГц

GSM

1850 – 1910 МГц
1930 - 1990 МГц


WLAN IEEE 802.11

2400 – 2483 МГц

IEEE 802.11

2400 – 2483 МГц

IEEE 802.11

2471 – 2497 МГц

На рис. 1 приведена упрощенная схема, иллюстрирующая распределение распространения сигналов в беспроводных сетях на три зоны – передача, детектирование и помехи.

Рис. 1. Зоны: передача, детектирование и помехи

В пределах зоны передачи передача возможна, т.е. приём сигнала осуществляется с достаточно малым количеством ошибок. В пределах зоны детектирования передаваемая мощность достаточно велика (выделяется из фонового шума). Однако, для установления связи количество ошибок оказывается слишком большим.

Внутри третьего (еще большего радиуса) передатчик фактически препятствует другим передачам, создавая фоновый шум. Приёмник не может детектировать посылаемые сигналы. Поэтому они лишь создают помехи другим сигналам. В реальности необходимо учитывать такое влияние условий распространения сигналов, как экранирование радиосигналов крупными препятствиями, отражение и рассеивание сигналов. Всё это, а также и многое другое является причиной многолучевого распространения сигнала[1].

Одним из следствий такого многолучевого распространения является более быстрое убывание интенсивности принимаемого сигнала. Этот эффект вызывает расширение начального сигнала из-за того, что распространяющиеся по различным путям сигналы достигнут антенны приёмника в разное время. Система GSM допускает расширения сигнала вследствие запаздывания до 16 мкс., т.е. более чем трёхкилометровую разность хода отдельных лучей. В результате отдельный импульс при приёме выглядит слабее других импульсов. Некоторые из принимаемых импульсов могут быть слишком слабы и проявляться в виде шума, т.е. происходит замирание и искажение результирующего сигнала.

Рассмотрим другой эффект от многолучевого распространения. Импульсы разных символов настолько отличаются по разности хода, что символы одного сигнала «налезают» на соседние символы другого. Этот эффект называется межсимвольной интерференцией. Чем выше скорость передачи, тем худшими будут последствия межсимвольной интерференции, так как предаваемые символы будут ближе друг к другу. Из-за этих помех накладываются ограничения на пропускную способность радиоканала.

Межсимвольная интерференция и расширение сигналов вследствие запаздывания имеют место даже в случае неподвижных передатчиков и приёмников. Ситуация ещё больше ухудшается, если передатчик и/или преемник находятся в движении.

Если приёмнику известны задержки различных путей распространения сигнал, он может компенсировать искажения, внесённые каналом. Можно, например, сначала передать настроечную последовательность сигналов, известную приёмнику. Затем в приёмнике производится сравнение принятого сигнала с исходной настроечной последовательностью и коррекция искажений с помощью устройства компенсации – эквалайзера. Если изменения характеристик канала происходят слишком быстро (как, например, на автомагистрали), приёмник не успевает к ним приспособиться, изменяя параметры эквалайзера, и число ошибок передачи возрастает.

Система GSM

Спектр радиоволн – это ограниченный ресурс. В отличие от проводного доступа, где у каждого терминала есть физическое соединение и связь с сетью, беспроводные системы обладают вполне определённым спектром частот, доступным в данном географическом регионе. Следовательно, от беспроводных сетей требуется тщательное выделение и распределение спектра в любом районе, чтобы множество пользователей могли одновременно устанавливать соединение. В настоящее время используются следующие способы использования спектра:

а) FDMA (Frequency Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением каналов по частоте;
б) TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с разделением каналов по времени;
в) CDMA (Code Division Multiple Access) – множественный доступ с кодовым разделением каналов;
г) OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) - ортогональный множественный доступ с частотным разделением.

Каждая из этих технологий разработана для того, чтобы обеспечить доступ к определенной частоте для многих пользователей (отсюда и множественный доступ во всех названиях). Глобальная система мобильной связи GSM (Global System for Mobile Communication) построена на основе множественного доступа FDMA и TDMA. Далее, глава 22 посвящена беспроводной сети связи стандарта 3G (UMTS), использующая доступ CDMA, и глава 24 - беспроводным сетям связи WiMAX и LTE, использующие доступ OFDMA.

Функциональная архитектура GSM

На рис. 2 приведена функциональная архитектура системы GSM, состоящая из трёх подсистем[2][3].

  1. Подсистема радиосвязи RSS (Radio SubSystem).
  2. Подсистема сетей и коммутации NSS (Network and Switching SubSystem).
  3. Операционная подсистема OSS(Operation SubSystem).

В интерфейсе А между подсистемами RSS и BSS используется система ИКМ-30 с коммутацией каналов 64 кбит/с. В интерфейсе О используется OКС№7.

Рис. 2. Функциональная архитектура схемы GSM

Подсистема радиосвязи

Подсистема радиосвязи RSS включает оборудование, взаимодействующее на радиоучастке: мобильные станции MS (Mobile Station) и базовая станция BTS (Base Transceiver Station). Это оборудование составляет подсистему базовых станций BSS (Base Station System). Сеть GSM cодержит много подсистем BSS. В состав MS входит всё пользовательское оборудование и программное обеспечение, необходимое для соединения. Описание мобильной станции MS приведено ниже. Пользователи GSM (мобильные станции MS) получают доступ к сети с помощью комбинации множественного доступа с частотным разделением FDMA и множественного доступа с временным разделением TDMA. На рис. 3 показано каким образом это реализуется.

Между базовой станцией BTS, входящей в подсистему BSS, и мобильной станцией устанавливается дуплексный канал. Для каждого из двух направлений – от мобильной станции и наоборот используются различные частоты[4]. Одна из них используется для нисходящей линии связи (от BTS к MS), а другая – для восходящей линии связи (от MS к BTS). Системе GSM 900 выделено два диапазона частот по 25 МГц. Частотный диапазон от 890 до 915 МГц используется для восходящей линии, а от 935 до 960 МГц – для нисходящей линии связи. Оба диапазона разделены на 124 частотные полосы по 200 КГц каждая. На каждой частоте с использованием множественного доступа TDMA передаётся 8 каналов. Физическим каналом является временной слот, который передается на определенной частоте. Физические каналы организованы в пары. В каждую пару входит по одному физическому каналу для передачи в каждом направлении, несущие которых различаются на 45 МГц.

На рис. 3 восемь заштрихованных кадровых интервалов принадлежат одному и тому же соединению, по четыре в каждом направлении. Прием и передача происходит в разных интервалах. Если мобильной станции присвоен диапазон 890,2/935,2 МГц и кадровый интервал 2 хочет осуществить передачу на базовую станцию, он воспользуется нижним набором заштрихованных интервалов (а также последующими), размещая в каждом из них порцию данных. Так будет продолжаться до тех пор, пока не будут посланы все данные соединения.

Рис. 3. GSM с 124 частотными канала, в каждом из которых 8-интервальная система с разделением времени

Теоретически каждая сота (ячейка), включающая обслуживаемые одной базовой станцией BTS, может иметь до 992 каналов (124 несущие частоты по 8 временных слотов).

Рис. 4,a. Принцип повторного использования частот

Однако помехи на одних частотах от мобильных станций смежных сот не позволяет это сделать. Повторное использование частот позволяет существенно повышать ёмкость системы. При этом в близких сотах одна относительно другой используются разные полосы частот, а через несколько сот эти полосы частот повторяются. На рис. 4,а показан принцип повторного использования частот.

Рассмотрим пример. Пусть в некоторой соте (ячейке) используется какая-то часть от полного диапазона частот, например, почти одна десятая. Тогда в соседней с ней ячейке В должна использоваться вторая десятая часть диапазона, поскольку вблизи общей границы в двух смежных ячейках нельзя использовать из-за помех одни и те же частотные каналы. Из тех же соображений в ячейке С придется использовать третью десятую часть диапазона. Но уже в ячейке D, не имеющей границу с ячейкой В, можно вновь использовать ту же десятую часть диапазона, что и в ячейке В. Условно это обозначено DB.

Аналогичные соображения справедливы для ячеек E, F, G, H, так что в итоге мы получаем трехъячеечную схему повторения частот (3-элементный кластер). Такая схема представлена на рис. 4,б, где одинаковыми цифрами обозначены ячейки с одинаковыми диапазонами частот. В каждой ячейке при этом используется третья часть всего диапазона частот. При 3-элементном кластере ячейки с одинаковыми полосами повторяются часто, что плохо в смысле уровня взаимных помех от станций, работающих на тех же частотных каналах, но в других ячейках. В этом отношении лучше кластеры с большим числом элементов.
Рис. 4,б 3-элементный кластер

Размер соты GSM может изменяться от нескольких сотен метров до 35 километров в зависимости от окружения (зданий, открытого пространства, гор и т.д.) и ожидаемой интенсивности информационного обмена. Контроллер базовых станций BSC (Base Station Controller), входящий вместе с BTS в подсистему базовых станций BSS, управляет базовыми станциями BTS. С его помощью происходит резервирование частот и переключение с одной станции BTS на другую, осуществляется поиск мобильных станций. Кроме того, контроллер BSC уплотняет радиоканалы для соединений с проводными каналами через интерфейс А (между подсистемой радиосвязи RSS и подсистемой сетей и коммутации NSS). В основу интерфейса А положены цифровые системы уплотнения каналов Е1 с временным уплотнением 30 соединений с пропускной способностью каждого из них 64 Кбит/с.

Мобильная станция включает приемник и передатчик, необходимые для соединения с сетью GSM. В MS входят также модуль идентификации абонента SIM (Subscriber Identity Module), в котором хранятся все индивидуальные данные, необходимые, например, для оплаты аутентификации пользователя. В SIM-карте (выполненной в виде смарт-карты) содержится много идентификаторов и таблиц, например, список абонентских услуг, PIN-код, международный идентификатор мобильного абонента IMSI, данные о местоположении мобильного абонента: TMSI и LAI. Подробное описание структуры мобильной станции приводится в следующем разделе.

Подсистема сетей и коммутации

Подсистема сетей и коммутации (NSS) – ядро системы GSM. Она соединяет беспроводную сеть со стандартными сетями общего пользования ТфОП/ISDN, а также осуществляет переключение подсистем базовых станций BSS. NSS определяет местоположение пользователей в любой точке земного шара, обеспечивает оплату, роуминг пользователей между разными поставщиками услуг связи в разных странах. В состав NSS входят коммутатор и базы данных, состоящие из домашнего регистра HLR и гостевого регистра VLR.
Центр коммутации подвижной (мобильной) связи MSC (Mobile Switching Center) является коммутатором ISDN. MSC устанавливает соединение с контроллерами BSC, другими центрами MSC, образуя стационарную магистральную сеть системы GSM. В большинстве случаев MSC управляет несколькими контроллерами BSC. Шлюз MSC (GMSC) соединен с сетью общего пользования ТфОП/ISDN. Центр MSC управляет всеми сигналами, нужными для установки соединения, разъединения и переключения соединения на другие MSC. В этих целях используется ОКС №7.
Домашний регистр (регистр собственных абонентов) HLR (Home Location Register) представляет собой базу данных мобильных станций, постоянно зарегистрированных в систем конкретного оператора. В HLR хранится вся информация о пользователях. Статическая информация включает номер ISDN мобильного абонента (MSISDN), оплаченные услуги и ключ аутентификации. В HLR содержится динамическая информация, например, данные о текущей зоне местоположения мобильной станции LAI, которые обновляются при переходе MS из текущей зоны. Эти данные нужны, например, для взимания оплаты, для осуществления роуминга.
Гостевой регистр VLR (Visitor Location Register) представляет собой базу данных о мобильных станциях, расположенных в области обслуживания местного центра коммутации MSC. Если в зоне LAI, за которую отвечает регистр VLR , появляется новая мобильная станция, в регистр VLR копируется вся информация об этом пользователе. Такого пользователя или абонента называют роумером и о нем говорят, что он находится в гостевой сети.

Операционная подсистема

Третья часть системы GSM – операционная система OSS включает следующее оборудование.

Центр эксплуатации и обслуживания OMC (Operation and Maintenance Center) обеспечивает работу отдельных элементов GSM (MSC, BSC, GMSC и др.). Он выполняет функции администрирования, такие как, тарификация и мониторинг трафика, а также принимает меры в случае отказа отдельных элементов сети. Одна из наиболее важных задач ОМС – это управления телекоммуникациями ТMN (Telecommunication Management Network), стандартизированный ITU-T[5]. Слово «network» в названии TMN означает, что для управления элементами сети создается выделенная сеть управления. В больших сетях GSM имеется больше одного ОМС и тогда всей сетью управляет центр управления сетью NMC (Network Management Center).

Центр аутентификации AUC (Authentication Centre) представляет базу данных, позволяющую определить – разрешен ли допуск к услугам системы абоненту, имеющему данный модуль идентификации SIM-карту. Центр AUC также, как SIM-карта абонента содержит секретный ключ абонента, используемый для аутентификации абонента и шифрования на радиоучастке. АUC содержит значения, необходимые для аутентификации, алгоритмы аутентификации и шифрования и др.

Регистр идентификации оборудования EIR (Equipment Identity Register)представляет базу данных, содержащую список всего разрешенного в сети оборудования.

Каждая мобильная станция может быть идентифицирована её кодом IMEI, который помечает запрет в определенных случаях (устройство украдено, не поддерживается сетью и др.).

Логические каналы и установление связи

Все физические каналы (слоты) используются для выполнения различных функций. Деление каналов по выполняемым ими конкретным функциям производится с помощью понятия логического канала, которые составляют две группы-каналы информационного обмена и каналы управления.
Каналы информационного обмена TCH (Traffic Channel) используется для передачи пользовательских данных (речь, данные).
Каналы управления делятся на три типа:

  • Широковещательный канал (ВССН) предназначен для передачи информации от базовой станции ко всем мобильным в вещательном режиме (подстройка частоты,передача идентификатора ячейки и др.);
  • Общий канал управления (СССН) предназначен для обмена информацией при обмене информацией между MS и BTS;
  • Выделенные канал управления (DCCH) используется, если с помощью каналов СССН не удалось установить канал информационного обмена ТСН.

Каждая из перечисленных групп разделяется на подгруппы типов каналов.
На рис. 5 представлена упрощенная схема установления исходящего вызова.

Рис. 5. Упрощенная схема установления исходящего вызова

Цифрами обозначена следующая последовательность действий.

  1. Мобильная станция MS через один их типов каналов (канал случайного доступа RACH) группы общих каналов управления СССН запрашивает выделенный закреплённый канал управления (SDCCH) группы выделенных каналов управления DCCH для установления связи.
  2. Контроллер базовой станции BSC через канал разрешения (AGCH) группы общих каналов управления СССН назначает канал SDCCH.
  3. Мобильная станция MS через канал SDCCH проводит аутентификацию и выдает запрет на вызов (с номером вызываемого абонента).
  4. Центр коммутации MSC выдает команду назначение канала трафика THC.
  5. Центр коммутации MSC передает вызываемый номер на ТФОП/ISDN, а после ответа вызываемого абонента завершает соединение.

Процедура установления связи практически не отличается, если мобильная станция вызывает мобильную станцию.

Обработка речевых сигналов на радиоучастке

Описание обработки речевого сигнала на радиоучастке приводится на упрощенной схеме приемо-передатчика мобильной станции (рис. 6).

Рис. 6. Упрощенная блок-схема приемо-передатчика мобильной станции

Так как аналогичные блоки содержатся и в базовой станции, поэтому ограничимся описанием только мобильной станцией.
В состав передатчика и приемника входят следующие блоки.
В микрофоне речевой сигнал преобразуется в электрический, ширина спектра которого ограничена фильтром и составляет 4 КГц.

  • Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме, вплоть до обратного цифро-аналогового преобразования (ЦАП) на приеме.
  • Кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи в цифровой форме с целью сокращения объема информации, передаваемой по каналу связи. Декодер речи восстанавливает на приеме поступивший на него закодированный сигнал речи.
  • Кодер канала добавляет в сигнал закодированной речи дополнительную информацию, предназначенную для защиты от ошибок на радиоучастке. Декодер канала проверяет принятую информацию на наличие ошибок и выявленные ошибки по возможности исправляет.
  • Модулятор осуществляет перенос информации на несущую частоту. Демодулятор выделяет из модулированного радиосигнала несущую информацию.

Рассмотрим все этапы обработки.

Кодер речи

Кодер речи является первым элементом цифрового участка передающего тракта, следующим после АЦП. На вход кодера речи поступает поток информации со скоростью 64 Кбит/c. Основная задача кодера (encoder) речи – уменьшение скорости передачи, т.е. предельно возможное сжатие сигнала речи, но при сохранении приемлемого качества передачи речи. В приемном тракте перед АЦП размещен декодер речи. Задача декодера (decoder) – восстановление обычного цифрового сигнала речи. В GSM используется кодирование речи на основе линейного предсказания LPC (Liner Predictive Coding). Суть этого метода заключается в том, что по каналу связи передаются не параметры речевого сигнала, а параметры некоторого фильтра, в известной степени эквивалентного голосовому сигналу, и параметры возбуждения этого фильтра. Задача кодирования на передающем конце канала связи заключается в оценке параметров фильтра и параметров сигналов возбуждения, а задача декодирования на приемном конце – в пропускании сигнала возбуждения через фильтр, на выходе которого получается восстановленный сигнал речи. Метод линейного предсказания заключается в том, что очередная выборка речевого сигнала с некоторой степенью точности предсказывается линейной комбинацией m предшествующих выборок. Для каждого 20-миллисекундного сегмента оцениваются параметры фильтра кратковременного линейного предсказания, составляющие 260 бит информации. Таким образом, кодер речи осуществляет сжатие информации в 4.92 раза –(64 Кбит/с*20 мс)/260 бит, а скорость потока данных на выходе речевого кодера уменьшается с 64 Кбит/c до 13Кбит/c.
При оценке качества кодирования и сопоставлении кодеров оцениваются разборчивость речи и качество синтеза (качество звучания) речи. Для оценки разборчивости речи используют метод DRT (Diagnostic Rhyme Test – диагностический рифмованный тест). В этом методе подбираются пары близких по звучанию слов, отличающихся отдельными согласными (типа «дот – кот», «кол – гол»), которые многократно произносятся рядом дикторов, и по результатам испытаний оценивается доля искажений. Метод позволяет получить как оценку разборчивости отдельных согласных, так и общую оценку разборчивости речи.

Для оценки качества звучания используется критерий DAM (Diagnostic Acceptability Measure – диагностическая мера приемлемости). Испытания заключаются в чтении несколькими дикторами мужчинами и женщинами, ряда специально подобранных фраз, которые прослушиваются на выходе тракта связи рядом экспертов-слушателей, выставляющих свои оценки по пятибалльной шкале. Результатом является средняя субъективная оценка, или средняя оценка мнений (Mean Opinion Score – MOS). Хотя этот метод является субъективным по своей сути, его результаты по сопоставлению различных типов кодеков при проведении испытаний одними и теми же группами дикторов и экспертов- слушателей являются достаточно объективными. В качестве примера в табл. 3 приведены результаты оценки используемого в GSM кодека по сравнению с импульсно-кодовой модуляцией без использования сжатия методом линейного предсказания.

Таблица 3. Оценка кодеков речи по шкале MOS
Тип кодека Скорость передачи информации, Кбит/с Оценка MOS
ИКМ 64 4.12
RPE-LTP (стандарт GSM) 13 3.58

Кодер канала

Основная задача кодека канала – помехоустойчивое кодирование/декодирование сигнала речи, т.е. такое кодирование которое позволяет обнаружить и в значительной мере исправить ошибки, возникающие на радиоучастке, т.е. между BTS и MS. Методы обнаружения ошибок применяются в протоколах управления каналами передачи данных, таких как HDLC, а также транспортных протоколах, таких как TCP. При этом имеется в виду повторная передача искаженных в канале блоков данных. Для беспроводных каналов характерен высокий уровень ошибок, в результате чего потребуется недопустимо большое число повторных передач, что для речевых сообщений недопустимо из-за больших задержек.
Используемые в сотовой связи дециметровые волны, распространяются в основном по прямой, но испытывают многочисленные отражения от крупных объектов. При сложении нескольких сигналов, прошедших по разным путям и имеющих в точке приема в общем случае различные фазы, результирующий сигнал может быть как выше среднего уровня, так и заметно ниже. Образующиеся замирания сигнала (колебания уровня) бывают достаточно глубокими, и при этом отношение сигнал/шум падает настолько сильно, что полезная информация может существенно искажаться шумами, вплоть до полной ее потери. В сети GSM для борьбы с замиранием, а также с межсимвольной интерференцией может использоваться расширение спектра методом перескока частоты или скачков по частоте (frequency hopping). Метод скачков по частоте состоит в том, что несущая частота для каждого физического канала периодически переводится на новый частотный канал. При изменении частоты замирание с большей вероятностью не будет. Следовательно, при достаточно частых изменениях частоты существенно снижается вероятность длительных замираний и соответственно снижается вероятность групповых ошибок. С одиночными ошибками можно успешно бороться с помощью помехоустойчивого кодирования, о чем подробно будет изложено в настоящем разделе.
По качеству речи, воспроизводимой с помощью кодека речи GSM, биты в 260-битовом блоке можно разделить на три класса:

  1. Класс 1a: 50 бит, наиболее чувствительные к битовым ошибкам.
  2. Класс 1b: 132 бита, умеренно чувствительные к битовым ошибкам.
  3. Класс 2a: 78 бит, минимально чувствительные к битовым ошибкам.

Для защиты первых 50 бит используется 3-битовая проверка с помощью циклического кода. При обнаружении ошибки – весь блок 260 бит отбрасывается и заменяется предыдущим. Эти 53 бита при необнаруженной ошибке, 132 бита класса 1b, а также 4- битовая остаточная последовательность нулей (т.е. всего 189 бит), затем защищаются сверточным кодом. Сверточный код используется для исправления одиночных ошибок. Коды с исправлением ошибок называются прямой коррекцией ошибок FEC (Forward Error Correction).

При сверточном кодировании (рис. 7) K последовательных символов входной информационной последовательности, по k бит в каждом символе участвуют в образовании n-битовых символов выходной последовательности, n > k, причем на каждый символ входной последовательности приходится по одному символу выходной.

Каждый бит выходной последовательности получается как результат суммирования по модулю 2 нескольких бит (от двух до Kk бит) K входных символов, для чего используются n сумматоров по модулю 2. Сверточный кодер с параметрами n, k, K обозначается (n, k, K).

Рис. 7. Схема сверточного кодера (4, 2, 5)
(n = 4, k =2; R = k/n = 1/2)

Отношение R=k/n называется скоростью кодирования кодера. Параметр K называется длиной ограничения и определяет длину сдвигового регистра (в символах), содержимое которого участвует в формировании одного выходного символа.
После того как очередной выходной символ сформирован, входная последовательность сдвигается на один символ вправо, в результате чего символ 1 выходит за пределы регистра, символы 2..5 перемещаются вправо, каждый на место соседнего, а на освободившееся место записывается очередной символ входной последовательности, и по новому содержимому регистра формируется следующий выходной символ. Если k = 1, т.е. символы входной последовательности однобитовые, сверточный кодер называется двоичным. Сверточный кодер, схема которого приведена на рис. 7 не является двоичным, поскольку для него k = 2.

В случае GSM 189 бит речевого сигнала защищаются сверточным кодом (2, 1, 5), что в итоге составляет 456 бит (189*2 плюс 78 бит незащищенные). В результате на выходе кодера канала скорость потока данных увеличивается с 13 Кбит/с до 22.8 Кбит/с- (13 Кбит/с*456бит)/260бит
На рис. 8 приведено описанное выше канальное кодирование 20-миллисекундного сегмента речи.

Рис. 8. Канальное кодирование 20-миллисекундного сегмента речи

Сверточный код (2.1.5) используется для исправления одиночных ошибок. Кодированный блок сегмента речи подвергается перемежению.
Примем в качестве меры избыточности вносимую кодированием отношение длины исходной информации к длине информации, передаваемой в канал. Будем называть это значение скоростью кодирования.
В данном случае для сегмента речи эта величина равна 260/456, т.е. 0,57. Высокая избыточность кодирования при исправлении одиночной ошибки не позволяет использовать кодирование с большей исправляющей способностью (т.е. двойные и более ошибки).
Перед выдачей в канал связи закодированная информация речи также подвергается перемежению. Перемежение представляет собой такое изменение порядка следования символов информационной последовательности, т.е. такую перестановку, или перетасовку, символов, при которой стоявшие рядом символы оказываются разделенными несколькими другими символами. Такая процедура предпринимается с целью преобразования групповых ошибок (пакетов ошибок) в одиночные с которыми легче бороться с помощью кодирования.
Использование перемежения – одна из характерных особенностей сотовой связи, и это является следствием неизбежных глубоких замираний сигнала в условиях многолучевого распространения, которое практически всегда имеет место, особенно в условиях плотной городской застройки. При этом группа следующих один за другим символов, попадающих на интервал замирания (провала) сигнала, с большой вероятностью оказывается ошибочной. Если же перед выдачей информационной последовательности в радиоканал она подвергается процедуре перемежения, а на приемном конце восстанавливается прежний порядок следования символов, то пакеты ошибок с большой вероятностью рассыпаются на одиночные ошибки. Известно несколько различных схем перемежения и их модификаций – диагональная, блочная, сверточная и другие. Мы кратко рассмотрим первые две из них, лежащие в основе схем, применяемых в сотовой связи.
При диагональном перемежении входная информация делится на блоки, а блоки – на субблоки, и в выходной последовательности субблоки, например, второй половины предыдущего блока чередуются с субблоками первой половины следующего блока. Такая схема иллюстрируется на рис. 9, где каждый блок состоит из шести субблоков, и субблоки первого блока обозначены , второго – , третьего – . Субблок может состоять из нескольких символов, или из одного символа, или даже из одного бита. Приведенная схема диагонального перемежения вносит малую задержку, но расставляет соседние символы лишь через один, т.е. рассредоточение ошибочных символов группы получается сравнительно небольшим.

Рис. 9. Пример схемы диагонального перемежения

При блочном перемежении входная информация также делится на блоки по n субблоков (или символов) в каждом, и в выходной последовательности чередуются субблоки k последовательных блоков. Работу этой схемы можно представить себе в виде записи блоков входной последовательности в качестве строк матрицы размерности k*n (рис. 10), считывание информации из которой производится по столбцам. Следовательно, если входная последовательность в этом примере имела вид , то выходная будет такой:. Субблоки, или символы, в частном случае здесь также могут состоять лишь из одного бита. Схема блочного перемежения вносит большую задержку, чем диагонального, но значительно сильнее рассредоточивает символы группы ошибок.

Рис. 10. Схема блочного перемежения

В стандарте GSM используется достаточно сложная и совершенная схема блочно- диагонального перемежения. 456 бит информации одного 20-миллисекундного сегмента речи разбиваются на 8 подсегментов, и 57 бит одного подсегмента распределяются между смежными восемью подсегментами таким образом, что после перемежения смежными с каждым конкретным битом оказываются соответствующие ему по положению биты, отстоявшие от него до перестановки на 4 подсегмента, причем на четные и нечетные (после перестановки) битовые позиции подсегмента ставятся биты из смежных сегментов. Алгоритм перемежения обладает свойствами квазислучайности, так что смежные биты исходной последовательности оказываются разделенными непостоянным числом бит, что является преимуществом в борьбе с переодическим битовыми ошибками.
Вносимая задержка речи составляет существенную величину порядка 70-80 мс и включает порядка 20 мс на кодек речи, 10-20 мс на кодек канала и 40 мс на перемежение/деперемежение.
Информация каналов управления подвергается блочному и сверточному кодированию в полном объеме. Так, для кодирования информации каналов SACCH, FACCH, FCCH, PCH, AGCH, SDCCH используется блочный кодер (224, 184), сверточный кодер (2, 1, 5) и та же схема перемежения, что и для канала трафика. В каналах RACH, SCH используются другие схемы блочного кодирования, а также сверточные кодеры (2, 1, 5), отличающиеся от сверточных кодеров перечисленных ранее каналов управления. При передачи данных используются более сложные схемы сверточного кодирования и перемежения, обеспечивающие соответственно и более высокое качество передачи информации. На рис. 11 приведена схема кодирования блока сигналов управления между мобильной станцией MS и базовой станцией BTS. При передачи управляющих сообщений используется кодирование с более сильной коррекцией ошибок, чем при передаче речи.
Управляющее сообщение состоит из 23 байт, т.е. 184 бит. При кодировании к управляющему сообщению (блоку данных) добавляется 40 бит контрольно-проверочной комбинации блочного циклического кода CRC.
Скорость кодирования блоков символов управления равна 184/456=0,4. Это значит, что избыточность кодирования выше, чем в случае сегмента речи, схема которого приведена выше на рис. 10.

Рис. 11. Канальное кодирование блока символов управления

Модуляция

Модулятор является последним элементом передающего тракта (рис. 8) и, строго говоря, не выполняет никаких операций собственно цифровой обработки сигналов. Его задача состоит в переносе информации цифрового сигнала с выхода кодера канала на несущую частоту, т.е. в модуляции сверхвысокочастотной (СВЧ) несущей низкочастотным (НЧ) цифровым сигналом. Модулированный СВЧ сигнал с выхода модулятора через антенный коммутатор поступает на антенну и излучается в эфир, чтобы быть затем принятым антенной станции-получателя информации. Соответственно демодулятор – первый элемент приемного тракта, и его задача заключается в выделении из принятого модулированного радиосигнала информационного сигнала, который подвергается цифровой обработке в последующей части приемного тракта.

Как известно, существуют три основных вида модуляции: это амплитудная модуляция – AM (Amplitude Modulation – AM), частотная модуляция – ЧМ (Frequency Modulation – FM) и фазовая модуляция – ФМ (Phase Modulation – PM). Между тем, в цифровой сотовой связи фигурируют такие названия, как квадратурная фазовая модуляция (Quadrature Phase Shift Keying – QPSK), бинарная фазовая модуляция (Binary Phase Shift Keying) и др. На самом деле, это не что иное, как разновидности фазовой или частотной модуляции, предназначенные для передачи дискретных (цифровых) сигналов. В стандарте GSM используется гауссовская модуляция MSC с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying – GMSK). В основу схемы MSK положена двоичная частотная манипуляция без резких изменений фазы, т.е. MSK относится к схемам модуляции без разрыва фазы. Напомним о комбинированной амплитудной модуляции QAM (глава 3, раздел 4), широко используемой в беспроводных сетях связи GSM, WiMAX и др.

Информационная безопасность GSM

На радиоучастке GSM реализованы следующие механизмы информационной безопасности - шифрование/дешифрование речи между мобильной станцией и базовой станцией, а также аутентификация мобильной станции. Кроме этого предусмотрена защита местоположения мобильной станции, которое рассматривается приватными данными[6].

Конфиденциальность

Алгоритм шифрования (A5) реализуется в мобильной станции. Активация этого алгоритма инициируется сетью (рис. 12). Как видно из рисунка данные информационного и управляющего канала на радиоучастке передаются в зашифрованном виде. В процессе шифрования используется стандартизированный ETSI алгоритм поточного шифрования (см. Приложение Б, раздел Б3] A5, который реализуется в MS и в оборудовании операционной подсистемы GSM - центре аутентификации AUC. В SIM-карте на основании индивидуального секретного ключа Ki и случайного числа RAND, полученного из сети, формируется ключ шифрования Kc. Этот ключ вычисляется по алгоритму (A8), который хранится в SIM-карте.

Логические каналы не могут использовать временные интервалы (слоты) произвольным образом. Восемь слотов составляют кадр. В системе GSM применяется довольно сложная схема уплотнения, объединяющая несколько иерархий кадров. В каналах трафика и ассоциированных с ними каналах управления 26 кадров образуют мультикадр. В свою очередь 51 мультикадр составляет суперкадр. 2048 суперкадров образуют высший уровень временной иерархии системы GSM – гиперкадр. Гиперкадр имеет продолжительность почти 3.5 часа и включает 2715648 временных слотов. Такая логическая структура нужна для процедуры шифрования на радиоучастке – номера кадра используют для увеличения уровня конфиденциальности разговора.

На основе полученного ключа Kc и текущего 22-битового номера кадра, по алгоритму (A5) формируется псевдослучайная последовательность и производится поточное шифрование/дешифрование речи на радиоучастке.

Рис. 12. Шифрование/дешифрование потока речи, данных

В фиксированной части сети та же операция выполняется в отношении принимаемого блока из 114 зашифрованных битов. Если при передаче данных по радиоканалу не возникло ошибок, то прибавление по модулю 2 сгенерированной шифрующей последовательности к принятому блоку данных приводит к восстановлению первоначальной информационной последовательности, сгенерированной в мобильной станции. Таким образом реализуется дешифрование.

Аутентификация пользователя

Алгоритм аутентификации пользователя мобильной станции GSM основан на протоколе «Оклик-Отзыв» (см. приложение Г, разд. Г1) и является вторым этапом аутентификации. Первый этап аутентификации пользователя в GSM основан на однопроходном методе с использованием PIN-кода и во многом похож на приведенный механизм аутентификации пользователя ISDN (глава 17, раздел 4).

В сети GSM аутентификация пользователя (рис. 13) производится путем проверки подлинности SIM-карты (Subscriber Identity Module – модуль идентификации абонента), расположенной в мобильной станции. В SIM-карте и в центре аутентификации AUC хранятся:

  1. ключ Ki пользователя i;
  2. алгоритм расчета отзыва А3.

На рис. 13а, приведено образование отзыва, называемого в GSM SRES (Signed Response). Как видно из рисунка, отзыв вычисляется по алгоритму А3 на основании:

  1. оклика RAND длиной 128 бит;
  2. ключа Ki пользователя i. В AUC ключ каждого пользователя связан с международным идентификатором IMSI этого пользователя.
Рис. 13. Аутентификация пользователя в GSM

В целях аутентификации пользователя сеть посылает пользователю оклик RAND в сообщении, как показано на рис. 13,б. Мобильная станция вычисляет отзыв SRES и возвращает его в сеть. Если величина SRES равна заранее вычисленной в сети, аутентификация пользователя завершается успешно.

Защита приватных данных

Каждому абоненту назначается уникальный номер, который известен как международный индентификатор мобильного абонента IMSI. Он представляет собой уникальный идентификатор абонента в сети сотовой связи GSM и записан в SIM-карте. IMSI состоит из кода страны постоянного места жительства, кода сети GSM-оператора (т.е. кода регистра HLR) и идентификационного номера мобильной станции.

Использование при аутентификации пользователя его международного идентификатора IMSI накладывает требование на его скрытие для защиты от незаконного получения приватных данных, к которым относится местоположение мобильной станции. Перехват IMSI на радиоучастке позволяет нарушителю обнаружить личность пользователя, передающего сообщение. С целью защиты от этой угрозы ИБ значение IMSI передается только один раз при первом соединении мобильной станции с сетью. Производится это по запросу от сети, к которой приписана мобильная станция. В этот момент сеть не знает IMSI. Для того чтобы можно было вызывать мобильную станцию или для возможности мобильной станции установить соединение, необходимо выполнить процедуру регистрации. В SIM-карте мобильной станции содержится идентификатор области местоположения мобильного абонента LAI (Local Area Identity). Регистрация производится, если LAI, переданный на мобильную станцию MS с базовой станции, отличается от хранимого в памяти SIM-карты. Обновление информации о местоположении LAI производится периодически, что позволяет отслеживать перемещение MS и ее текущее состояние.

Процедура регистрации (обновления местоположения MS) начинается после включения питания мобильной станции. При этом MS посылает на базовую станцию запрос на проведение регистрации. Запрос содержит идентификатор области местоположения MS (LAI) и временной идентификатор мобильной станции TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity), значение которого уникально для каждой станции. Запрос попадает в MSC и в VLR через базовую станцию и контролер базовой станции. Если VLR уже содержит тот же TMSI мобильной станции, то обновляется информация только об активизации мобильной станции.

Использование TMSI вместо IMSI позволяет исключить возможность злоумышленнику определить местоположение абонента. TMSI необходимо для выполнения процедуры аутентификации пользователя в GSM, как показано на рис. 13,а для формирования в сети отзыва SRES, соответствующего именно этому пользователю.

Рассмотрим случай, когда в VLR нет TMSI пользователя, запрашивающего регистрацию. В этом случае производится декодирование LAI, полученного от мобильной станции. LAI косвенно определяет VLR, который ранее обслуживал данную MS. После установления соединения текущего VLR с предыдущим, последний передает параметры пользователя текущему VLR, в том числе ТMSI.

Процедура аутентификации пользователя, описанная выше, выполняется после завершения процедуры регистрации с помощью анализа TMSI. После завершения аутентификации пользователя устанавливаются новые параметры мобильной станции TMSI и LAI. Эта информация обновляется в VLR и HLR. Строго говоря, HLR инициирует удаление информации о пользователе из предыдущего VLR и перенос ее в новый VLR. Новые параметры TMSI и LAI передаются мобильной станции из VLR, причем TMSI должен передаваться по радиоканалу в зашифрованном виде.

Примечания

  1. Шиллер Й. Мобильные коммуникации. М.: Вильямс, 2002, 384с.
  2. Ратынский М.В. Основы сотовой связи.М.: Радио и связь, 2-е издание, 2000, 248с.
  3. Веселовский Кшиштоф. Системы подвижной радиосвязи. – М.: Горячая линия – Телеком, 2006, 536с.
  4. Таненбаум Э. Компьютерные сети, 4-е изд. СПБ.: Питер, 2010. 992с.
  5. Гребенщиков А.Ю. Структура и технологии управления сетями связи. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2003. 243с.
  6. Защита информации в системах мобильной связи. / Чекалин А.А. [и др.]. Учебное пособие, -2-е издание. М.: Горячая линия, 2005, 171с.