Современная система сотовой связи

Содержание

Введение

. Алгоритм функционирования систем сотовой связи

. Инициализация и установление связи

. Аутентификация и идентификация

. Передача обслуживания (при маршрутизации)

. Роуминг

. Обслуживание вызовов в стандарте GSM

Заключение

Список использованных источников

Введение

Компьютеризация телекоммуникационного оборудования идет параллельно с процессами приватизации национальных систем связи, появлением на рынке крупных фирм - операторов, что приводит к усилению конкурентной борьбы. В результате снижаются расценки на телекоммуникационные услуги, расширяется их ассортимент, а пользователи имеют возможность выбора.

Большинство промышленно развитых стран интенсивно переходит на цифровой стандарт связи, который позволяет мгновенно передавать колоссальные объемы информации с высокой степенью защиты ее содержания. В мировых телекоммуникациях отчетливо проявляется тенденция развития полносервисных сетей, построенных на базе технологии коммутации пакетов услуг.

В настоящее время в первую десятку стран, которые имеют наиболее развитые системы связи и телекоммуникаций, отвечающие мировым стандартам, входят Сингапур, Швеция, Новая Зеландия, Финляндия, Дания, США, Гонконг, Турция, Норвегия и Канада. Казахстан в рейтинге стран по уровню развития телекоммуникационных систем уступает не только промышленно развитым, но и многим развивающимся государствам.

Спрос на информационные технологии, современные компьютеры и офисное оборудование в последние годы оказывает существенное влияние на динамику и структуру мировой экономики. Настоящей революцией в сфере информационных технологий стало появление и бурное развитие системы сотовой связи, сформировавшейся к началу третьего тысячелетия в одну из ведущих отраслей мировой экономики.

сотовая связь роуминг

1. Алгоритм функционирования систем сотовой связи

Алгоритмы функционирования систем сотовой связи различных стандартов в основном схожи. Когда подвижная станция находится в режиме ожидания, его приемное устройство постоянно сканирует либо все каналы, либо только каналы управления (КУ). Для вызова абонента всеми БС по каналам управления передается сигнал вызова. ПС вызываемого абонента при получении этого сигнала отвечает по одному из свободных КУ. БС, принявшая ответный сигнал, передает информацию о его параметрах на центр коммутации (ЦК), который переключает разговор на ту БС, где зафиксирован максимальный уровень сигнала ПС вызываемого абонента.

Во время набора номера ПС занимает один из свободных каналов, уровень сигнала БС в котором в данный момент максимален. По мере удаления абонента от БС или в связи с ухудшением условий распространения сигнала, абонент автоматически переключается на другой свободный канал или другую БС. Специальная процедура, называемая эстафетной передачей (Handover) позволяет безобрывно переключить разговор на свободный канал другой БС, в зоне действия которой оказался абонент. Для контроля таких ситуаций БС снабжена специальным приемником, периодически измеряющим уровень сигнала от ПС и сравнивающим его с допустимым порогом. (В некоторых моделях ПС также производится периодическое измерение уровня принимаемого сигнала и оценивается его качество). Если уровень сигнала меньше порогового, то информация об этом автоматически передается на центр коммутации по служебному каналу связи. Центр коммутации выдает команду на измерения сигнала от данного абонента на другие БС (сразу на несколько), окружающие абонента ПС. После получения ответа от этих БС центр коммутации выбирает наиболее подходящую БС.

В случае, если все каналы БС заняты обслуживанием абонентов и в это время поступает заявка на обслуживание от очередного абонента, то, как временная мера (до освобождения одного из каналов), возможно использование принципа эстафетной передачи даже внутри одной соты. При этом происходит не блокировка вызова, а производится поочередное переключение всех участвующих в связи абонентов с канала на канал. В таком процессе на можно поочередно отдавать некоторое время от всех каналов новому абоненту. Образуется как бы «запасной» канал.

Одна из важнейших услуг сети сотовой связи - предоставление набора услуг для абонента с одной и той же подвижной станции (радиотелефона) в других городах, регионах и даже других странах, так называемый роуминг (Roaming). Для осуществления такой услуги между операторами сетей сотовой связи должен быть договор на оказание роуминга абонентам, приезжающим из районов, обслуживаемых другими операторами.

2. Инициализация и установление связи

В работе ПС в зоне обслуживания «своей» сети можно выделить четыре режима, сходных по сути для систем разных стандартов:

·   режим ожидания;

·   режим установления связи (вызова);

·   режим ведения связи (телефонного разговора).

Если ПС полностью выключена (обесточена), то после включения питания на ПС автоматически производится процесс инициализации -начального запуска. В течении этого режима происходит настройка ПС на работу в составе системы - по сигналам, регулярно передаваемым базовыми станциями по каналам управления (КУ). По окончании инициализации ПС переходит в режим ожидания. Конкретное содержание операций по инициализации зависит от стандарта системы сотовой связи.

В режиме ожидания, ПС отслеживает:

·   изменения информации со стороны системы, связанные как с изменениями в работе системы, так и в связи с перемещениями самой ПС;

·   команды системы (например, подтвердить работоспособность, измерить уровень принимаемого сигнала и т.п.;

·   получение вызова со стороны системы;

·   инициализацию вызова со стороны собственного абонента.

Кроме того, ПС может периодически, например раз в 10-15 минут подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы на БС или передавать иные сообщения для системы независимо от ведения сеанса связи. В центре коммутации (ЦК) для каждой из включенных ПС фиксируется ячейка, в которой она «зарегистрирована», что облегчает организацию процедуры вызова мобильного абонента. Если ПС не подтверждает свою работоспособность в течении определенного времени, то ЦК считает ее выключенной и поступающий на эту ПС вызов не передается. Поэтому питание ПС обычно не выключается и ПС находится в режиме дежурного приема.

Процедура установления связи заключается в следующем. Если со стороны системы или из сети ТФОП поступает на ЦК вызов номера мобильного абонента, то ЦК направляет этот вызов на БС той ячейки, в которой была зарегистрирована ПС, или на несколько БС в окрестности этой ячейки (с учетом возможного перемещения абонента). БС передают вызов по соответствующим каналам вызова. Если ПС находится в режиме ожидания, то она принимает вызов и отвечает на него через свою БС, передавая одновременно данные для проведения процедуры аутентификации. При положительном результате аутентификации через БС для ПС назначается канал трафика и сообщается номер частотного канала. Подвижная станция настраивается на выделенный канал и совместно с БС выполняет необходимые действия по подготовке к сеансу связи. На этом этапе ПС по сигналам синхронизации настраивается на заданный номер слота в кадре, уточняет задержку во времени, подстраивает уровень излучаемой мощности и т.п. Выбор временной задержки производится с целью временного согласования слотов в кадре (на прием в БС) при организации связи с подвижными станциями, находящимися на разных дальностях от БС. При этом временная задержка передаваемой ПС пачки регулируется по командам БС.

Затем БС выдает сообщение о подаче вызова (звонка), которое подтверждается подвижной станцией, и вызывающий абонент слышит сигнал вызова. Когда вызываемый абонент отвечает на вызов («снимает трубку»), ПС выдает на БС запрос на завершение соединения. С завершением соединения начинается собственно сам сеанс связи (разговор).

В процессе разговора ПС производит обработку передаваемых и принимаемых сигналов речи, а также передаваемых одновременно с речью сигналов управления. По окончании разговора происходит обмен служебными сообщениями между ПС и БС (запрос или команда на отключение с подтверждением), после чего передатчик ПС выключается и станция переходит в дежурный режим (режим ожидания).

Если вызов инициируется со стороны ПС, т.е. абонент ПС набирает вызываемый номер, убеждается по дисплею в правильности набора и нажимает соответствующую кнопку вызова на панели ПС, то ПС передает через свою БС сообщение с указанием номера вызываемого абонента и данными для аутентификации станции. После успешной аутентификации БС назначает канал трафика. Последующие шаги по подготовке сеанса связи производятся таким же образом, что и при поступлении вызова со стороны системы.

Если связь устанавливается между двумя мобильными абонентами, то процедура установления связи практически ничем не отличается от установления связи с абонентами сети ТФОП, поскольку все соединения устанавливаются через коммутатор мобильной связи ЦК (MSC). Ели оба мобильных абонента относятся к одной и той же сотовой системе, то связь устанавливается через ЦК без выхода в на коммутаторы сети ТФОП.

3. Аутентификация и идентификация

Процедуры аутентификации и идентификации выполняются при каждом установлении связи. Аутентификация - процедура подтверждения подлинности (действительности, законности, наличия прав на пользование услугами сети сотовой связи) абонента. Идентификация - это процедура отождествления мобильного аппарата (т.е. подвижной станции). При этом определяется принадлежность ПС к одной из групп, обладающих определенными признаками, а также выявляются неисправные и украденные аппараты.

Идея процедуры аутентификации в цифровой системе заключается в шифровании некоторых паролей-идентификаторов с использованием квазислучайных чисел, периодически передаваемых на ПС с ЦК, и индивидуального для каждой ПС алгоритма шифрования. Такое шифрование с использованием одних и тех же исходных данных и алгоритмов, производится как на ПС так и в ЦК (или в центре аутентификации). Аутентификация считается успешной, если оба результата совпадают.

4. Передача обслуживания (при маршрутизации)

Базовая станция, находящаяся примерно в центре соты, обслуживает все ПС в пределах своей ячейки. При перемещении ПС из одной ячейки в другую, ее обслуживание соответственно передается на другую БС. Процесс передачи обслуживания происходит без прерывания связи, т.е. происходит эстафетная передача обслуживания. Если ПС перемещается из одной соты в другую в режиме ожидания, она просто отслеживает эти перемещения по информации системы, передаваемой по каналам управления, и в нужный момент перестраивается на более сильный сигнал другой БС.

Решение о передаче обслуживания принимает центр коммутации. С центра коммутации на «новую» БС идет команда на передачу обслуживания с целью, чтобы эта БС могла выделить необходимые каналы, а затем на ПС через «старую» БС передаются необходимые команды с указанием нового частотного канала, номера рабочего слота и т.п. ПС автоматически перестраивается на новый канал и настраивается на совместную работу с новой БС. Процесс перестройки занимает доли секунды и остается незаметным для абонента.

5. Роуминг

Роуминг - это функция или процедура предоставления услуг системы сотовой связи абоненту одного оператора в системе другого оператора (разумеется в совместимых стандартах). При перемещении абонента в другую сеть и выходе на связь, центральный коммутатор новой сети запрашивает (по специальным каналам связи) информацию об абоненте из первоначальной сети, где зарегистрирован пользователь. При наличии подтверждения полномочий у абонента новая сеть регистрирует его у себя. Данные о местоположении абонента постоянно обновляются в первоначальной сети и все поступающие туда вызовы автоматически переадресовываются в ту сеть, где в данный момент находится абонент.

Для организации роуминга участвующие в таком договоре сети должны быть совместимых стандартов. Центры коммутации всех сетей должны быть соединены между собой специальными каналами связи (проводные линии, телефонные линии, радиосвязь и т.п.) для обмена служебными данными.

Различают три вида роуминга: ручной, полуавтоматический и автоматический. При ручном виде роуминга служебных соединений между ЦК может и не быть. Просто при переходе абонента в другую сеть он обменивает свой радиотелефон на другой, подключенный к новой системе. При полуавтоматическом варианте абонент должен предварительно поставить своего оператора в известность о переходе в систему обслуживания другой сети.

Гораздо более сложные операции приходится производить при автоматическом роуминге. Абонент сотовой сети, оказавшийся на территории другой сети инициирует вызов обычным образом, как и в своей сети. ЦК новой сети, убедившись, что в его домашнем регистре HLR этот абонент не значится, воспринимает его как роумера и заносит в гостевой регистр VLR. Одновременно (или с некоторой задержкой) он запрашивает в HLR «родной» системы роумера относящиеся к нему сведения, необходимые для организации обслуживания (оговоренные виды услуг, пароли, шифры), а также сообщает, в какой системе роумер находится в настоящее время. Новое местоположение фиксируется в HLR «родной» системы. После этого роумер пользуется сотовой связью в новой системе как и дома. Вызовы исходящие от него обслуживаются обычным образом, с той только разницей, что относящиеся к нему сведения фиксируются не в HLR. А в VLR. Вызовы, поступающие на номер роумера в его «домашней» сети, переадресуются «домашней» сетью на ту систему, где роумер гостит. По возвращении роумера домой в HLR «родной» системы стирается адрес той системы, где роумер находился, а в VLR той системы, в свою очередь, стираются сведения о роумере.

В стандарте GSM процедура роуминга заложена как обязательный элемент. Кроме того, в стандарте GSM имеется возможность роуминга с SIM - картами с перестановкой этих карт из одного аппарата в другой для поддержания различных вариантов стандарта GSM (GSM-900, GSM-1800? GSM-1900), поскольку во всех трех вариантах стандарта используются унифицированные SIM - карты. Процедура роуминга в стандарте GSM становится еще более удобной с появлением двухрежимных, а в перспективе и трехрежимных абонентских терминалов, обеспечивающих работу во всех диапазонах частот стандарта GSM.

6. Обслуживание вызовов в стандарте GSM

При рассмотрении сотовых телефонных сетей в рамках глобальной сети следует учитывать, что абонентская подключается не просто к коммутатору мобильной связи, а непосредственно в сеть, которая может объединять не только несколько сотовых сетей в пределах одной страны, но и сети многих стран. В общем виде можно выделить следующие зоны обслуживания глобальной сети телефонной связи:

·   сота (Cell);

·   зона местонахождения или поиска (Location Area);

·   зона обслуживания центральным коммутатором мобильной связи (MSC Service Area);

·   зона обслуживания сотовой телефонной сети (СТС) общего пользования с несколькими центрами коммутации (PLMN Service Area);

·   зона обслуживания глобальной системы (GSM service Area).

Под сотой здесь понимают зону обслуживания оной БС (BTS). Зона местонахождения или поиска объединяет ряд сот контролируемых одним или несколькими контроллерами (BSC), но в пределах одного коммутатора мобильной связи (MSC). При этом в пределах зоны местонахождения абонент может свободно перемещаться без обновления данных в гостевом регистре (VLR). Кроме того, в пределах этой зоны обслуживания осуществляется передача адреса для поиска конкретной ПС.

Зона обслуживания центра коммутации (MSC) является частью общей системы. Абонент зарегистрирован в VLR конкретного ЦК и он может свободно перемещаться в пределах данной зоны обслуживания без передачи его абонентских данных в другой VLR и обновления данных в HLR.

Зона обслуживания систем сотовой связи общего пользования определяется зонами обслуживания каждого центра коммутации, входящего в эту систему и через которые осуществляется выход на другие сети электросвязи, в том числе к другим зонам обслуживания сотовых телефонных сетей общего пользования.

Зона обслуживания глобальной сотовой телефонной сети объединяет все зоны обслуживания национальных сотовых телефонных сетей. При этом имеется ввиду, что все национальные сотовые сети должны быть построены в соответствии со стандартом GSM.

Такой подход к функциональной организации глобальной сети по зонам определяет и систему нумерации сети. Учитывая, что сотовая телефонная сеть GSM может обеспечить связь ПС с абонентами стационарной ТФОП (в перспективе ISDN), а через нее и с абонентами других сетей электросвязи, она должна входить в общий план нумерации стационарной сети ТФОП в соответствии с рекомендациями МККТТ Е.164.

При этом номер подвижной станции в общем плане нумерации MSISDN (Mobile Station ISDN Number) содержит: код страны, код сети, номер абонента. Для России такой номер будет представлен в виде: 7АВСавххххх. Однако СТС GSM является выделенной и может объединять СТС различных стран. Поэтому в соответствии с рекомендациями стандарта GSM в пределах сети GSM принята единая нумерация, и при регистрации абоненту присваивается единый международный номер IMSI, длина которого не должна превышать 15-ти цифр. Структура номера IMSI аналогична структуре номера MSISDN, но под код страны в сети GSM отводится 3 цифры; под код сети 1-2 цифры; под номер абонента максимум 11 цифр. Кроме того, возникает проблема при маршрутизации входящих в ЦК вызовов от сети ТФОП из-за того, что ПС, свободно перемещаясь, может изменить зоны обслуживания (и , например, оказаться в зоне другой АТС с другой нумерацией). Вследствии чего, в отличие от стационарных телефонных сетей, в списочном номере (MSIDN IMSI) не может быть заложен код логического направления связи, однозначно определяющий MSC, в зоне обслуживания которого в данный момент находится вызываемая ПС. Чтобы обеспечить возможность маршрутизации, каждый MSC (VLR) имеет в своем распоряжении совокупность номеров MSRN, которые по требованию предоставляются головному MSC (если система имеет несколько MSC) только на время маршрутизации вызова до конкретного MSC. Учитывая это, номер MSRN в отличие от номера MSISDN содержит не номер абонента, а номер, идентифицирующий MSC. В MSC (VLR) выделенный номер MSRN ставится в однозначное соответствие с номером IMSI вызываемой ПС. Для определения зоны поиска (местонахождения) в сети GSM используется номер LAI, отличающийся от номера IMSI тем, что здесь вместо номера абонента указывается код зоны местонахождения.

Наряду с рассмотренными номерами, используемыми в процессе маршрутизации вызовов, стандартом GSM предусмотрены номер для идентификации оборудования IMEI и временный номер абонента TMSI, используемый для обеспечения конфиденциальности. Номер IMEI включает в себя коды типа оборудования и завода изготовителя, серийный номер. Номер TMSI определяется администрацией сети, и его длина должна составлять не более 4 байт.

. Аутентификация абонентов, идентификация оборудования подвижной станции и закрытие информации

Для обеспечения аутентификации и закрытия информации при регистрации абоненту присваивается не только номер IMSI, но и индивидуальный абонентский ключ Ki, который хранится в центре аутентификации (AUC), а также в оборудовании подвижной станции. Абонентский ключ Ki в центре аутентификации используется для формирования триплета: ключа закрытия информации Кc, маркированного отклика SRES и случайного числа RAND (рис. 1). Вначале генерируется случайное число RAND. RAND и Ki являются исходными данными для вычисления Кс и SRES. При этом используются два различных алгоритма вычисления. Сформированные триплеты для каждого из зарегистрированных в сети GSM абонентов передаются в регистр HLR, а при необходимости предоставляются гостевому регистру центра коммутации. Алгоритм вычисления Кс и SRES реализованы не только в центре аутентификации, но и в подвижной станции.

Рис. 1. Формирование Kc, SRES, RAND

В стандарте GSM процедура аутентификации связана с использованием модуля идентификации абонента (SIM). Модуль SIM - это съемная пластиковая карточка, вставляемая в гнездо абонентского аппарата. В этой карточке имеется электронный чип, в котором « зашита» вся необходимая информация. Модуль SIM позволяет вести разговор с любого аппарата однотипного стандарта, в том числе таксофонного. Модуль содержит PIN абонента, идентификатор IMSI, ключ Ki, индивидуальный алгоритм аутентификации абонентаА3, алгоритм А8 вычисления ключа шифрования. Уникальный идентификатор IMSI для текущей работы заменяется временным идентификатором TMSI, присваиваемым аппарату при его первой регистрации в конкретном регионе, определяемом идентификатором LAI, и сбрасываемым при выходе аппарата за пределы этого региона. Идентификатор PIN - это код, известный только абоненту, который должен служить защитой от несанкционированного использования SIM карты. Например, при ее утере. После трех неудачных попыток набора PIN - кода SIM карта блокируется. Блокировка может быть снята либо набором дополнительного кода (известного только абоненту) - персонального кода разблокировки (PUK), либо по команде с центра коммутации.

Процедура аутентификации происходит следующим образом. При запросе ПС доступа к сети центр аутентификации AUC через MSC (центр коммутации) передает ПС случайное число RAND. Подвижная станция, получив число RAND и используя хранящийся у нее абонентский ключ Ki, с помощью алгоритма А3 вычисляет маркированный отклик SRES. Сформировав SRES, подвижная станция передает его в MSC, где происходит сравнение принятого SRES со SRES, вычисленным сетью. При совпадении их для ПС разрешается доступ к сети. Процедура аутентификации осуществляется при регистрации ПС, попытке установления соединения, обновлении данных, а также при активации и дезактивации дополнительных видов обслуживания. Процедура аутентификации приведена на рис. 2.

Рис. 2. Принцип аутентификации

Идентификация самого оборудования пользователя начинается с запроса у ПС номера IMEI. Центр коммутации (MSC) полученный номер IMEI передает в регистр идентификации оборудования EIR (Equipment Identity Register), где имеются три списка оборудования ПС: разрешенные к использованию, запрещенные для использования в системе связи и неисправные. На основании информации списков определяется, к какой группе относится ПС с номером IMEI). Результаты направляются в центр коммутации, где и принимается решение о доступе оборудования пользователя к работе в сети.

Закрытие пользовательской информации, передаваемой по радиоканалу, осуществляется в БС и в ПС. В обоих применяются одни и те же алгоритмы зашифровки передаваемых сообщений. Для закрытия пользовательской информации используются номер цикла доступа и ключ закрытия информации Кс. В БС используется ключ Кс из триплеты, а в ПС он вычисляется на основании полученного случайного числа RAND и абонентского ключа Ki по алгоритму А8.

Алгоритм А8 используется для вычисления для вычисления ключа шифрования сообщений и хранится в модуле SIM. После приема RAND подвижная станция вычисляет, кроме отклика SRAS, также и ключ шифрования Кс, используя RAND, Ki и алгоритм А8 согласно рис. 2. Кроме RAND сеть посылает ПС числовую последовательность ключа шифрования. Это число связано со значением Кс и позволяет избежать формирования неправильного ключа. Значение Кс хранится в ПС и содержится в каждом первом сообщении, передаваемом в сеть.

Рис. 3. Установка режима шифрования

Для установки режима шифрования сеть передает на ПС команду CMC (Ciphering Mode Command) на переход в режим шифрования, после чего Пс используя ключ Кс приступает к шифрованию и дешифрованию сообщений. Поток передаваемых данных шифруют бит за битом или поточным шифром, используя алгоритм шифрования А5 и ключ Кс. Процедура установки режима шифрования представлена на рис. 3.

Заключение

В каждой стране управление телекоммуникационной отраслью имеет свою специфику. Однако появление цифровых технологий и массовое внедрение услуг по предоставлению доступа в сеть Интернет привели к тому, что сегодня практически любой оператор связи работает не только на локальном (региональном или общенациональном), но и на мировом рынке телекоммуникационных услуг.

Появление цифровых технологий способствовало радикальным изменениям в телекоммуникационной отрасли. Услуги традиционной голосовой связи начали вытесняться интерактивными услугами, такими как Интернет, передача данных, мобильная связь.

Но, несмотря на перемены, отечественный рынок услуг связи остается достаточно замкнутым. С одной стороны это обусловлено огромными масштабами территории страны, благодаря которым формируются основные доходы операторов связи. С другой - Казахстан пока находится вне мирового рынка международного трафика, что до сих пор было следствием недостаточно высокого уровня цифровизации основных каналов и более низкого качества связи по сравнению с мировыми стандартами. возрастать.

Несмотря на высокие темпы внедрения современных технологий, процент охвата населения РК новыми видами связи, такими как сотовая связь, пейджинг, Интернет остается низким.

Список использованных источников

1. Ю.А. Громаков. Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM. "Электросвязь". N 10. 1993. с. 9-12.

. M.Mouly, M.B.Pautet. The GSM System for Mobile Communications. 1992. p.p. 702.

. A. Mehrotra. Cellular Radio: Analog and Digital Systems. Artech House, Boston-London. 1994.p.p.460.

4. Ю.А. Громаков. Структура TDMA кадров и формирование сигналов в стандарте GSM."Электросвязь".N10.1993.с.9-12.

5. W. Heger. GSM vs. CDMA. GSM Global System for Mobile Communications. Proceedings of the GSM Promotion Seminar 1994 GSM MoU Group in Cooperation with ETSI GSM Members. 15 December 1994. p.p. 3.1-1 - 3.1-18.

. Сукачев Э.А. Сотовые сети радиосвязи с подвижными объектами: Учебн пособие. - Изд. 2-е, испр. и дополн. - Одесса: УГАС, 2000. - 119с

. Ю.А. Громаков. Сотовые системы подвижной радиосвязи. Технологии электронныхкоммуникаций. Том 48. "Эко-Трендз". Москва. 1994.