Стандарт GSM

Стандарт глобальной системы мобильных коммуникаций.

Однако в случае мобильной связи эта неприятная для Европы тенденция оказалась нарушена. И хотя сам принцип сотовой связи был придуман в Америке, первые коммерческие системы — на базе NMT — появились в Европе, а стандарту GSM вообще удалось выйти за пределы Европы и по сути завоевать весь мир: по некоторым оценкам, пользователи GSM составляют свыше половины абонентов сотовых сетей во всем мире.

GSM получил прописку на всех континентах и проник — в виде GSM 1900 — даже в Америку. Конечно, успех любой технологии определяется не только (а часто и не столько) ее техническими достоинствами, но в случае GSM они сыграли немаловажную роль. Еще в начале 80-х гг., когда сотовая связь только-только зарождалась, европейские правительства и операторы создали рабочую группу Group Special Mobile для разработки общеевропейского стандарта сотовой связи, причем с самого начала они ориентировались на цифровую связь, хотя в то время эффективных алгоритмов сжатия речи еще не было. Разработка стандарта заняла без малого десять лет, и первые коммерческие сети появились только в самом начале 90-х гг. Однако в то время на американском рынке доминировали аналоговые системы AMPS, а по сравнению с ними GSM был гигантским шагом вперед.

GSM В КОРПОРАТИВНЫХ СЕТЯХ

Как цифровая технология, помимо передачи речи GSM может поддерживать и передачу данных. Прежде всего, это широко доступная для абонентов GSM служба коротких сообщений (Short Message Service, SMS), причем сообщения (длиной до 160 байт) могут передаваться в обоих направлениях. SMS может использоваться, например, для автоматического оповещения администратора о каких-либо событиях в сети, так как сообщения могут отправляться не только с телефона на телефон, но и через Internet.

При наличии модема сотовый телефон может использоваться для передачи файлов с компьютера и других подобных целей. Конечно, скорость передачи при этом небольшая, да и обходится это не дешево, но для нас важно наличие принципиальной возможности, тем более что скорости увеличиваются — с 9,6 до 14,4 Кбит/с, а в скором времени — и свыше сотни килобит в секунду, а цены падают. Кроме того, в определенных ситуациях деньги отходят на второй план.

Новое поколение сотовых телефонов оснащается микробраузерами, так что их можно непосредственно использовать для чтения сообщений электронной почты, просмотра информации Web и т. п. Все это ведет к тому, что сотовые телефоны становятся такими же компонентами корпоративной сети, как, например, PDA, тем более что некоторые производители совмещают функции обоих в одном устройстве.

В связи с изменяющейся ролью сотовой связи — перефразируя известный лозунг: сотовая связь — не роскошь, а средство коммуникации, — мы и решили рассмотреть в нашем журнале стандарт GSM, точнее, GSM 900. Конечно, мы можем остановиться только на основных моментах и особенностях, так как подробная спецификация занимает около 5000 страниц!

АРХИТЕКТУРА СЕТИ GSM

Идея сотовой связи была придумана в Bell Labs в начале 70-х гг. Она состояла в применении передатчиков небольшой мощности в целях обеспечения возможности повторного использования одних и тех же частот на одной территории. Топология такой сети напоминает пчелиные соты, отсюда и ее название.

Архитектура сотовой сети состоит из трех основных компонентов — сотовых телефонов, базовых станций и сетевой подсистемы (см. Рисунок 1). Стандарт GSM представляет собой, по сути, набор рекомендаций. Производители вольны в выборе способа реализации оборудования — главное, чтобы оно выполняло необходимые функции и поддерживало соответствующие интерфейсы. Этим объясняется, в частности, сегодняшнее разнообразие мобильных трубок на рынке.

C функциональной точки зрения сотовый телефон — мы будем употреблять это привычное для всех название, хотя в официальной терминологии он называется подвижной станцией (Mobile Station, MS), — состоит из двух компонентов: мобильного оборудования (собственно телефона) и модуля идентификации абонента (Subscriber Identification Module, SIM) в виде смарт-карты. Каждый аппарат имеет свой уникальный идентификатор мобильного оборудования (International Mobile Equipment Identity, IMEI).

Наличие SIM является одной из отличительных особенностей GSM. Вынув модуль SIM из одного аппарата и вставив его в другой, абонент может продолжать пользоваться всеми теми услугами, на которые он подписался. Модуль содержит международный идентификатор мобильного абонента (International Mobile Subscriber Identity, IMSI) и другие данные, в частности секретный ключ шифрования. Он защищается от несанкционированного использования при помощи пароля — обычно это четырехзначный персональный идентификационный номер (Personal Identification Number, PIN).

В центре каждой соты находится базовая станция, точнее, базовая приемо-передающая станция (Base Transiever Station, BTS). Станция обеспечивает связь для находящихся в радиусе ее действия сотовых телефонов. Диаметр соты выбирается исходя из плотности абонентов в данном регионе: чем выше плотность, тем меньше должен быть диаметр. Для стандарта GSM 900 он не может превышать 50 км.

Одна или несколько базовых станций находятся под управлением контроллера базовых станций (Base Station Controller, BSC). Если базовая станция отвечает за радиосвязь с абонентским оборудованием, то контроллер — за конфигурацию радиоканалов, передачу мобильного пользователя от одной базовой станции к другой (handover) и смену частот для уменьшения интерференции между соседними каналами (frequency hopping). Вместе эти два компонента — BTS и BSC — образуют подсистему базовых станций (Base Station Subsystem, BSS).

Возможность звонков с мобильного телефона и на него обеспечивает сетевая и коммутирующая подсистема (Network and Switching Subsystem, NSS). Главным ее компонентом является коммутационный центр мобильных услуг (Mobile services Switching Center, MSC). По своему назначению он аналогичен обычному телефонному коммутатору и отвечает за идентификацию и регистрацию абонентов, маршрутизацию вызовов, за интерфейс с традиционными телефонными сетями и т. д.

Надо сказать, что в сети GSM реализован ряд передовых концепций современной традиционной телефонии, так и не нашедших в ней широкого применения в силу консерватизма отрасли и огромной инсталлированной базы оборудования. В сети GSM нашли воплощение многие принципы интеллектуальной сети (Intelligent Network, IN), и в частности отделение функций собственно коммутации вызовов от предоставления услуг.

Помимо MSC сетевая подсистема содержит целый ряд баз данных, к информации которых MSC обращается для выполнения своих функций. Маршрутизация вызовов при роуминге, например, осуществляется с помощью домашнего реестра абонентов (Home Location Register, HLR) и гостевого реестра абонентов (Visitor Location Register, VLR), а идентификация и защита — с помощью реестра оборудования (Equipment Identity Register, EIR) и идентификационного центра (Authentication Center, AuC).

СТРУКТУРА КАНАЛОВ

Выделенный для GSM 900 диапазон частот состоит из двух поддиапазонов шириной по 25 МГц. Поддиапазон от 890 до 915 МГц используется для передачи сигналов от мобильного телефона к базовой станции, а поддиапазон от 935 до 960 МГц — от базовой станции к мобильным телефонам. Каждый из поддиапазонов разбивается на частотные каналы шириной по 200 кГц, т. е. всего GSM поддерживает 124 полнодуплексных частотных канала.

Для увеличения числа поддерживаемых соединений каждый частотный канал делится на восемь временных интервалов. Таким образом, GSM использует комбинацию частотного (Frequency Division Multiplexing, FDM) и временного (Time Division Multiplexing, TDM) уплотнения. В результате каждая сота теоретически может поддерживать 992 соединения. Однако, как правило, одной соте выделяется только часть каналов во избежание конфликтов с соседними сотами.

Благодаря TDM один частотный канал может использоваться для передачи несколькими станциями, в данном случае восемью. Длительность интервала передачи составляет 0,577 мс, или, точнее, 15/26 мс, при этом передача повторяется каждые 4,615 мс. Однако такая малая длительность ведет к проблемам при синхронизации передатчика и приемника. При расстоянии около 50 км задержка в оба конца становится сопоставима с длительностью интервала передачи, так что телефон может вообще пропустить момент передачи (отсюда ограничение на максимальный диаметр соты).

За отведенное ему время передатчик успевает отправить блок из 148 бит, что составляет около 33,8 Кбит/с (c учетом защитного интервала между блоками). Однако, вследствие значительных накладных расходов на синхронизацию, исправление ошибок и шифрование, полезная емкость оказывается равна 13 Кбит/с в случае передачи речи и 9,6 в случае передачи данных.

Восемь блоков (burst period) объединяются в кадр (frame). В зависимости от назначения канала — для трафика или для управления, — кадры в свою очередь объединяются в составные кадры (multiframe), соответственно, из 26 и 51 кадра. Структура составного кадра в случае транспортного канала показана на Рисунке 2. Двенадцатый кадр используется для контроля, а 25 кадр пока не используется. Таким образом, для трафика доступно только 24 кадра.

КОДИРОВАНИЕ РЕЧИ

Каждый блок из 148 бит начинается и заканчивается тремя нулевыми ограничительными битами (см. Рисунок 2). Он состоит из двух информационных полей длиной 57 бит. Каждое информационное поле имеет один бит типа передаваемой информации (голос/данные). Между информационными полями находится синхронизирующая последовательность (training field). Блоки разделены защитным интервалом 8,25 бит (0,03 мс).

Такая структура блока с двумя информационными полями связана с принятым в GSM кодированием речи. Фрагмент речи длительностью 20 мс кодируется с помощью 260 бит. Чтобы передаваемые данные можно было восстановить при появлении в них ошибок вследствие электромагнитной интерференции, они защищаются посредством циклического избыточного кода (Cyclic Redundancy Code, CRC). Правда, ввиду разной важности данных код применяется не ко всем данным, а только к их части. В результате для кодирования фрагмента речи требуется 456 бит, или 22,8 Кбит/с. Эти 456 бит разбиваются на восемь частей по 57 бит в каждой. Каждый раз передатчик посылает по 57 бит из двух разных фрагментов речи. Чередование также служит цели снижения влияния пакетных ошибок.

Собственно кодирование речи, т. е. ее оцифровывание, производится в соответствии с одной из разновидностей алгоритма долгосрочного линейного прогнозирования (Regular Pulse Excited — Linear Predictive Coder, RPE-LPC). Вкратце суть его состоит в следующем: содержимое очередного фрагмента речи прогнозируется на основании предшествующих фрагментов, прогнозируемый и реальный фрагменты сравниваются, и сохраняется только разница между ними.

РОУМИНГ БЕЗ ГРАНИЦ

Одним из изначально заложенных в GSM принципов была поддержка роуминга, т. е. возможность позвонить на мобильный телефон, где бы его владелец ни находился в данный момент. Конечно, на практике возможность роуминга зависит от наличия соответствующих соглашений между операторами сетей GSM, однако технически она реализуется следующим образом.

Несколько соседних сот объединяются в одну область местонахождения (location area). При изменении области местонахождения, например, оказавшись в другой стране, мобильный телефон регистрируется в гостевом реестре центра мобильных услуг, а тот передает информацию о его местонахождении в домашний реестр. Как правило, передаваемая информация представляет собой адрес в формате SS7. В ответ из домашнего реестра передается необходимая информация о предоставляемых абоненту услугах. Одновременно гостевому реестру, где ранее был зарегистрирован абонент, направляется уведомление об отмене регистрации. В результате данной процедуры абонент может пользоваться теми же услугами, что и в своей домашней сети.

Возможности производить и получать звонки при роуминге, с точки зрения пользователя, неразделимы. Однако технически они представляют собой две разные, хотя и взаимосвязанные задачи. Выше мы рассмотрели первую из них. При звонке на мобильный телефон вызов передается на шлюзовой MSC (Gateway MSC, GMSC). Шлюз запрашивает домашний реестр о местонахождении пользователя. В свою очередь HLR сообщает VLR о поступлении вызова. VLR выделяет абоненту роуминговый номер мобильной станции (Mobile Station Roaming Number, MSRN) и сообщает его HLR, а тот — шлюзу. После этого у шлюза есть вся необходимая информация для маршрутизации вызова. При получении вызова центр MSC, в зоне обслуживания которого находится абонент, определяет абонента и посылает ему вызов по пейджинговому каналу (один из каналов управления).

Объединение сот в области местонахождения производится с целью оптимизации процедуры регистрации. Если бы было известно точное местонахождение абонента, т. е. то, в какой соте он в данный момент находится, то при поступлении вызова его достаточно было бы известить о нем по пейджинговому каналу в данной соте. Однако в этом случае при перемещении абонента в соседнюю соту его потребовалось бы перерегистрировать. При разбиении же на области местонахождения перерегистрация производится только при перемещении абонента в другую область, что происходит реже. Правда, при этом то, в какой именно соте находится абонент, неизвестно, поэтому сообщение о поступлении вызова передается по пейджинговым каналам во всех сотах данной группы. Размер областей выбирается оператором на основании практических соображений.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ И ЗАЩИТА

Радиопередачу легко подслушать и имитировать, поэтому защита передачи и идентификация абонентов при мобильной связи чрезвычайно важны, причем это не абстрактное утверждение — пользователям и операторам таких сотовых сетей, как NMT, пришлось немало пострадать от двойников до того, как были внедрены адекватные меры защиты.

В случае GSM идентификация абонентов производится идентификационным центром на основании хранящегося в модуле SIM ключа (копия этого ключа хранится также и в центре). При идентификации на мобильный телефон передается случайное число. Это число вместе с ключом используется для шифрования ответа в соответствии с алгоритмом A3. Идентификационный центр сравнивает ответ с вычисленным им на основании тех же данных результатом. При их совпадении абонент считается идентифицированным.

Шифрование передаваемых данных производится в соответствии с алгоритмом A5. Ключ шифрования вычисляется на основании тех же случайного числа и абонентского ключа по алгоритму A8. Длина ключа предположительно равна 56 бит, так как, что собой представляет алгоритм А5, держится в тайне.

Дополнительная защита обеспечивается за счет идентификации не только абонента, но и телефона. Как упоминалось в начале статьи, все телефоны имеют уникальные идентификаторы. Эти идентификаторы хранятся в реестре оборудования и разбиты на три списка — белый, серый и черный. В случае, если телефон находится в черном списке, его пользователю не удастся установить соединение с сетью. Это позволяет, например, воспрепятствовать использованию украденных телефонов.