Nets2010 (1131259), страница 28

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 28)

В случае дейтаграмм А шлет не запрос на соединение, а сообщение типа: «В слоте 3 для тебя есть кадр». Существует несколько вариантов этого WDMA-протокола.

39. Сотовая связь: пейджинг, сотовые и радиотелефоны (система AMPS, GSM, GPRS, UMTS, CDMA).

Развитая мобильная телефонная система – AMPS.

В 1982 году компания Bell Labs предложила систему AMPS (Advanced Mobil Telephone System). Идея этой системы очень проста. Вместо того чтобы охватить сразу всю территорию небольшим числом каналов, эту территорию разбивают на небольшие части – соты. В каждой соте используют свой набор каналов, но так, чтобы частоты каналов у соседних сот не пересекались, т.е. не было общих частот. Такая организация системы дает выигрыш в использовании частот из-за их повторного использования, увеличивается емкость сети – число одновременно обслуживаемых пользователей. Кроме этого, в системе можно использовать маломощные сигналы, а следовательно, передатчик может быть компактным, т.к. не требуется мощных источников питания. Если в каких-то сотах из-за большого числа пользователей отказы в соединении становятся слишком частыми из-за большого числа пользователей, то эту соту можно разделить на несколько новых.

Каждая сота имеет базовую станцию (базу), состоящую из компьютера и приемно-передающей аппаратуры. Несколько баз подключаются к Центру мобильной коммутации (MSC). В небольших системах может быть достаточно одного центра. В больших системах может потребоваться несколько центров. MSC-центры соединяются друг с другом и с обычной наземной телефонной сетью и, при необходимости, коммутируют звонок с мобильного телефона на обычный телефон.

При перемещении телефона ближайшие базовые станции сравнивают уровень сигнала от него и та база, у которой этот уровень выше, чем у других, берет его под свой контроль. Телефон получает сообщение об изменении базы.

В системе AMPS используется метод разделения частот - FDMA. Весь диапазон частот 824-894 МГц разделены на 832 дуплексных канала: 824-859 MГц для передачи и 860–894 МГц - для приема. Каждый канал имеет ширину 30 КГц. Все каналы делятся на четыре категории:

• Управляющие

• Для сообщений

• Установки доступа и распределения каналов

• Данные - голос, факс и прочие

В системе AMPS у каждого телефона есть встроенный 32-битовый серийный номер и телефонный номер, состоящий из 10 цифр: 3 цифры – код зоны (10 бит) и 7 цифр (24 бита) – номер абонента. Когда телефон включают, он начинает сканировать запрограммированный в нем список из 21 каналов управления, чтобы обнаружить наиболее мощный сигнал. По информации из управляющего канала он узнает распределение каналов для сообщений, установки соединений и доступа, передачи данных.

Затем телефон сообщает свой 32-битовый серийный номер и 34-битовый телефонный номер. Эта информация в AMPS-системе передается пакетом в цифровом виде несколько раз, кодируется специальным кодом с коррекцией ошибок, хотя голос передают по аналоговому каналу.

Когда базовая станция получает такой пакет от телефона, она запрашивает у своего MSC-центра информацию о новом клиенте и сообщает домашней MSC, т.е. MSC, к которой приписан этот телефон, о его текущем местоположении. Обычно такая перерегистрация телефона происходит каждые 15 минут.

Чтобы позвонить, абонент включает телефон, набирает номер нужного абонента и нажимает кнопку «Послать» (Send). Телефон по каналу установки доступа посылает в цифровом виде пакет, содержащий информацию о нем и о телефоне вызываемого абонента. Если происходит коллизия или ошибка, то попытка повторяется несколько раз. Получив запрос, базовая станция информирует о нем MSC. Если нужный абонент – это абонент компании, которой принадлежит MSC, то MSC ищет свободный канал для данных. Если такой найден, то MSC информирует о нем вызывающий телефон по каналу управления. Вызывающий телефон переключается на прием по указанному каналу и ждет, когда на вызываемом телефоне поднимут трубку (нажмут кнопку «Прием»).

Входящий звонок обрабатывается несколько иначе. В режиме ожидания телефон постоянно следит за каналом сообщений: не появится ли там сообщение для него. Когда вызывающий телефон сгенерировал запрос, то от MSC поступает запрос на домашнюю MSC вызываемого телефона, чтобы определить, в какой соте находится вызываемый телефон. Пакет с вызовом направляется последней базовой станции, зарегистрировавшей телефон с искомым номером, например, 46. Базовая станция распространяет по каналу сообщений специальное сообщение типа: «46-й, ты здесь?» Вызываемый телефон отвечает по каналу управления специальным пакетом типа «Да». Тогда базовая станция шлет по каналу управления пакет «46-ой, для вас вызов на канале 8». После этого вызываемый телефон переключается на канал 8 и начинает звонить.

К сожалению, аналоговые сотовые телефоны абсолютно не защищены. Любой, у кого есть радиоприемник нужного диапазона, может, настроив его на один из голосовых каналов, просто прослушать разговор. Злоумышленник может перехватывать информацию из каналов управления, содержащую 32-битовые номера телефонных трубок и 34-битовые номера, а затем разговаривать за чужой счет. И многое, многое другое. Это один из главных недостатков аналоговых сотовых телефонов.

GSM – Глобальная система для мобильной связи.

Первые сотовые телефонные системы были аналоговыми. Им на смену пришли цифровые системы, которые составили второе поколение сотовых систем. В настоящее время происходит переход на сотовые системы 3G – системы третьего поколения.

В 80-е годы в Европе существовало пять разных сотовых аналоговых телефонных систем. Поэтому, переезжая из страны в страну, пользователи были вынуждены менять и телефонные аппараты. Ясно, что это было чрезвычайно неудобно. Как результат, европейцы создали единую цифровую систему, известную как GSM (Global System for Mobile communications), которая была введена в действие ранее американских и японских аналогов.

Итак, GSM - это полностью цифровая система. Ее успех был во многом связан с тем, что она проектировалась без оглядки на уже существующие аналоговые системы, ее авторы не пытались сделать ее совместимой с ними.

Основная цель стандарта GSM была обеспечить людям возможность, свободно передвигаясь, как внутри страны, так и между странами, поддерживать связь с любыми абонентами сети. При этом в каждой стране может быть одна или несколько функционирующих сетей. Каждая такая сеть называется Региональной мобильной сетью оператора (PLMN). Зона действия каждой PLMN-сети ограничена национальными границами, в одной стране, впрочем, может быть несколько PLMN-сетей.

GSM-пользователь заключает контракт с одной из PLMN-сетей, называемой домашней. В этом контракте указаны услуги, доступные этому пользователю. При желании во время работы пользователь может выбрать другую PLMN-сеть, если ему доступны ее услуги. Терминал пользователя (в GSM его называют мобильной станцией – MS) обеспечивает пользователю такой выбор и показывает список доступных PLMN-сетей. Выбор из этого списка пользователь может сделать сам явно, или MS-терминал сделает это автоматически с помощью заложенного в нее программного обеспечения.

Как и в AMPS-системе, в GSM территория разбивается на области, обслуживаемые Центром Мобильной Коммутации (MSC). Оператор PLMN-сети абсолютно свободен в разбиении области действия MSC-станции на соты. У каждой PLMN-сети есть логически единая база данных, называемая Home Location Registers (HLR), где хранится информация обо всех пользователях, для которых эта PLMN-сеть домашняя. Физически HLR-база может быть распределенной. У каждой MSC-станции есть база данных визитеров – Visitor Location Registers (VLR). Одна VLR-база обычно обслуживает одну MSC-станцию, но может обслуживать и несколько. HLR- и VLR-базы данных обеспечивают отслеживание текущего местонахождения каждого MS-терминала, находящегося в зоне действия MSC-станции, запрашиваемых услуг и т.д.

Мобильная станция GSM, в просторечии «трубка», разделяется на две части. Одна обеспечивает радиоинтерфейс, другая - интерфейс с базами HLR и VLR и содержит информацию, идентифицирующую пользователя (Subscriber Identify Module - SIM). SIM-карта идентифицирует пользователя, а не MS-терминал. Поэтому она может быть вынута из одного MS-терминала и вставлена в другой. Каждая SIM-карта уникальна в системе GSM и связана с идентификатором IMSI (International Mobil System Identify). На этой карте хранится идентификационная информация, список услуг, список выбираемых PLMN-сетей и т.п. Она защищена паролем (PIN – Personal Identification Number). Вставив свою SIM-карту в трубку, пользователь тем самым персонифицирует ее. Благодаря SIM-карте поддерживается роуминг, т.е. доступ к услугам связи в чужую PLMN-сеть.

Теперь рассмотрим, как в GSM отслеживаются перемещения пользователей. Когда MS-терминал входит в новую область регистрации, информация о нем заносится в VLR-базу, и он получает TMSI-идентификатор – Temporary Mobil Subscriber Identify. TMSI идентификатор короче IMSI-идентификатора, и именно он передается при взаимодействии MS-терминала и VLR-базы. TMSI-идентификатор действует только в зоне MSC-станции, ассоциированной с VLR-базой, выдавшей его. Идентификаторы IMSI и TMSI – это внутренние идентификаторы системы, связанные с SIM-картой. Для соединения с абонентом используется телефонный номер, который в GSM называется Mobil Subscriber Integrated Service Digital Network Number (MSISDNM).

MS-терминал всегда может определить, находится ли он в старой или новой области регистрации. Это происходит благодаря периодически рассылаемой BS-станцией информации внутри обслуживаемой ею соты. Если MS-терминал обнаруживает, что он оказался в новой области, то он инициирует запрос на обновление регистрации, в котором он сообщает идентификатор предыдущей области и TMSI-идентификатор, который терминал там получил. Этот запрос BS-станция передает в MSC-центр, который, в свою очередь, передает его в VLR-базу. Эта база, назовем ее новая, инициирует запрос к старой VLR-базе с просьбой предоставить IMSI-идентификатор терминала, соответствующий указанному TMSI-идентификатору. Получив от старой VLR-базы необходимую информацию, новая VLR-база начинает процедуру идентификации MS-терминала по информации, полученной от старой. Если процедура идентификации прошла успешно, то новая VLR-база, используя IMSI-идентификатор терминала, определяет адрес его HLR-базы.

Эта процедура весьма близка к аналогичной процедуре в AMPS-системе. Основное ее отличие от ее AMPS-аналога состоит в усилении информационной безопасности. Так, например, идентификация пользователя и доступных ему услуг происходит на основе информации, получаемой новой VLR-базой, как от старой VLR-базы, так и от HLR-базы идентифицируемого MS-терминала, а не только от HLR-базы, как в AMPS-системе. Процедура установления соединения в GSM-системе аналогична процедуре установления соединения в AMPS-системе.

В большинстве стран GSM использует частоты 900 МГц и 1800 МГц. В США из-за особенностей национального распределения частот используется другой диапазон. В каждой GSM-соте может быть максимально до 200 полнодуплексных каналов, из которых 124 в работе, остальные в резерве и для служебных целей. Каждый канал поддерживает связь как от MS-терминала к BS-станции (MS-BS), так и от BS-станции к MS-терминалу (BS-MS). Ширина полосы в каждом направлении - 200 КГц.

Каждый канал поддерживает 8 разных соединений с помощью мультиплексирования с разделением по времени (TDM-метод). Каждому MS-терминалу выделяется один временной слот на одном из каналов.

Рисунок 4-12. Устройство GSM-каналов

На рисунке 4-13 показана иерархия кадров в GSM, которая имеет достаточно сложную структуру. Каждый TDM-слот состоит из 8 кадров данных по 148 бит каждый. Один 1250-битовый TDM-кадр занимает 4,615 мсек. TDM-кадры объединяются в 26-слотовый мультикадр, который занимает 120 мсек. Кроме этого, есть 51-слотовый мультикадр, который не показан на рисунке и который используется для нескольких каналов управления на системном уровне. Например, таких, как канал управления сотой – по этому каналу передается информация для поддержки базы данных соты, канал общего управления, который отвечает за регистрацию новых мобильных терминалов, поступивших в зону соты, выделение слотов для таких терминалов и многое другое.

Рисунок 4-13. Иерархия кадров в GSM

GPRS-служба.

Вполне естественно возникновение идеи по применению GSM-сетей для организации связи между компьютерами. Одним из существенных недостатков сетей сотовой связи стандарта GSM на сегодняшний день является низкая скорость передачи данных (максимум 9,6 кбит/сек.) по одному каналу. Для передачи данных абоненту выделяется всего один голосовой канал, а оплата осуществляется, исходя из времени соединения (причем по тарифам, мало отличающимся от голосовых).

Характеристики

Список файлов ответов (шпаргалок)