ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Come funzionano le reti GSM. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica /Mobile Communications GSM (o Global System for Mobile Communications) è stato sviluppato nel 1990. Il primo operatore GSM ha accettato abbonati nel 1991, all'inizio del 1994 le reti basate sullo standard in questione contavano già 1.3 milioni di abbonati e alla fine del 1995 il loro numero era salito a 10 milioni! Iniziamo con il diagramma di flusso di rete più complesso e, forse, noioso. La descrizione utilizzerà abbreviazioni inglesi accettate a livello internazionale. La parte più semplice dello schema a blocchi - un telefono portatile, è composta da due parti: il "microtelefono" stesso - ME (Mobile Equipment - a mobile device) e una smart card SIM (Subscriber Identity Module - modulo di identificazione dell'abbonato), ottenuta alla conclusione un contratto con un operatore. Come ogni auto è dotata di un numero di carrozzeria univoco, così il cellulare ha un proprio numero - IMEI (International Mobile Equipment Identity - identificatore di dispositivo mobile internazionale), che può essere trasmesso alla rete su sua richiesta. La SIM, a sua volta, contiene la cosiddetta IMSI (International Mobile Subscriber Identity - International Subscriber Identification Number). Pertanto, IMEI corrisponde a un telefono specifico e IMSI - a un abbonato specifico. Il "sistema nervoso centrale" della rete è NSS (Network and Switching Subsystem - network and switching subsystem), e il componente che svolge le funzioni del "cervello" è chiamato MSC (Mobile services Switching Center - switching center). È quest'ultimo che tutti chiamano "interruttore", e anche, in caso di problemi di comunicazione, lo incolpano di tutti i peccati mortali. Potrebbe esserci più di un MSC nella rete. MSC gestisce l'instradamento delle chiamate, genera dati per il sistema di fatturazione, gestisce molte procedure: è più facile dire cosa non è responsabilità dello switch piuttosto che elencarne tutte le funzioni. I prossimi componenti di rete più importanti, inclusi anche nel NSS, li chiamerei HLR (Home Location Register - il registro dei propri abbonati) e VLR (Visitor Location Register - il registro dei movimenti). Fate attenzione a queste parti, in futuro ci riferiremo spesso a loro. HLR, grosso modo, è un database di tutti gli abbonati che hanno firmato un contratto con la rete in questione. Memorizza informazioni sui numeri degli utenti (i numeri significano, in primo luogo, l'IMSI sopra menzionato, e in secondo luogo, il cosiddetto MSISDN-Mobile Subscriber ISDN, ovvero un numero di telefono in senso stretto), un elenco di servizi disponibili e molto altro l'altro - più in basso il testo descriverà spesso i parametri che sono nell'HLR. A differenza di HLR, che è uno nel sistema, possono esserci diversi VLR: ognuno di essi controlla la sua parte della rete. Il VLR contiene dati sugli abbonati che si trovano nel suo (e solo nel suo!) territorio (e non solo i suoi abbonati sono serviti, ma anche i roamer registrati nella rete). Non appena l'utente lascia la copertura di un VLR, le informazioni su di lui vengono copiate nel nuovo VLR e cancellate da quello vecchio. In effetti, c'è molto in comune tra ciò che riguarda un abbonato nel VLR e nell'HLR: guarda le tabelle per un elenco di dati a lungo termine (Tabella 1) e temporanei (Tabelle 2 e 3) sugli abbonati memorizzati in questi registri. Ancora una volta sulla differenza tra HLR e VLR: il primo contiene informazioni su tutti gli abbonati della rete, indipendentemente dalla loro posizione, e il secondo contiene dati solo su coloro che si trovano nel territorio subordinato a questo VLR. Nell'HLR, per ogni abbonato, c'è sempre un collegamento al VLR che sta attualmente lavorando con lui (l'abbonato) (in questo caso, il VLR stesso potrebbe appartenere a una rete straniera situata, ad esempio, all'altra estremità di la terra). Dati a lungo termine archiviati in HLR e VLR 1. Identità dell'abbonato internazionale (IMSI)
Dati temporanei archiviati in HLR
Dati temporanei archiviati nel VLR
NSS contiene altre due componenti: AuC (Authentication Center - centro di autorizzazione) ed EIR (Equipment Identity Register - registro di identificazione dell'attrezzatura). Il primo blocco è utilizzato per le procedure di autenticazione dell'abbonato e il secondo, come suggerisce il nome, è responsabile del fatto che solo i telefoni cellulari autorizzati possano operare sulla rete. L'esecutivo, per così dire, parte della rete cellulare è BSS (Base Station Subsystem - un sottosistema di stazioni base). Se continuiamo l'analogia con il corpo umano, allora questo sottosistema può essere chiamato le membra del corpo. BSS è composto da diverse "braccia" e "gambe" - BSC (Base Station Controller - controller della stazione base), oltre a molte "dita" - BTS (Base Transceiver Station - stazione base). Le stazioni base possono essere osservate ovunque - nelle città, nei campi - infatti sono semplici dispositivi ricetrasmittenti contenenti da uno a sedici emettitori. Ciascun BSC controlla un intero gruppo di BTS ed è responsabile della gestione e distribuzione dei canali, del livello di potenza della stazione base e simili. Di solito non c'è un BSC nella rete, ma un intero set (ci sono centinaia e migliaia di stazioni base in generale). Il funzionamento della rete è gestito e coordinato tramite OSS (Operating and Support Subsystem - un sottosistema di gestione e supporto). OSS è costituito da tutti i tipi di servizi e sistemi che controllano il funzionamento e il traffico. Ogni volta che accendi il telefono dopo aver selezionato una rete, inizia la procedura di registrazione. Consideriamo il caso più generale: la registrazione non in casa, ma nella rete di qualcun altro, il cosiddetto ospite (assumeremo che il servizio di roaming sia consentito per l'abbonato). Lascia che la rete si trovi. Quando richiesto dalla rete, il telefono trasmette l'IMSI dell'abbonato. IMSI inizia con il prefisso internazionale della "registrazione" del proprietario, seguito da numeri che identificano la rete domestica e solo allora - il numero univoco di un determinato abbonato. Ad esempio, l'inizio di IMSI 25099 ... corrisponde all'operatore russo Beeline. (250-Russia, 99 - Beeline). In base al numero IMSI, il VLR della rete ospite identifica la rete domestica e contatta il suo HLR. Quest'ultimo invia tutte le informazioni necessarie sull'abbonato al VLR che ha effettuato la richiesta e inserisce un collegamento a questo VLR in sé, in modo che, se necessario, sappia dove cercare l'abbonato. Il processo di determinazione dell'autenticità dell'abbonato è molto interessante. Durante la registrazione, la rete domestica AuC genera un numero casuale a 128 bit - RAND, inviato al telefono. All'interno della SIM, utilizzando la chiave Ki (chiave di identificazione - come IMSI, è contenuta nella SIM) e l'algoritmo di identificazione A3, viene calcolata una risposta a 32 bit - SRES (Signed RESult) secondo la formula SRES = Ki * RAND. Esattamente gli stessi calcoli vengono eseguiti simultaneamente in AuC (secondo il Ki dell'utente selezionato dall'HLR). Se l'SRES calcolato nel telefono corrisponde all'SRES calcolato da AuC, il processo di autorizzazione viene considerato riuscito e all'abbonato viene assegnata una TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity). Il TMSI serve esclusivamente a migliorare la sicurezza dell'interazione dell'abbonato con la rete e può cambiare di volta in volta (anche quando si cambia il VLR). Teoricamente, in fase di registrazione, dovrebbe essere trasmesso anche il numero IMEI, ma ho grossi dubbi sul fatto che l'operatore di Minsk tenga traccia dell'IMEI dei telefoni utilizzati dagli abbonati. Prendiamo in considerazione qualche rete "ideale", funzionante come era stata pensata dai creatori del GSM. Quindi, quando l'IMEI viene ricevuto dalla rete, viene inviato all'EIR, dove viene confrontato con le cosiddette "liste" di numeri. La white list contiene i numeri dei telefoni autorizzati all'uso, la black list è costituita da IMEI, telefoni rubati o per qualche altro motivo non approvati per l'uso e infine la grey list - "telefoni" con problemi consentiti dal sistema, ma dietro il quale è costantemente monitorato. Dopo la procedura di identificazione e interazione del VLR ospite con l'HLR di casa, viene avviato un contatore che fissa il momento della ri-registrazione in assenza di sessioni di comunicazione. Di solito, il periodo di registrazione obbligatorio è di poche ore. La nuova registrazione è necessaria affinché la rete riceva la conferma che il telefono è ancora nell'area di copertura. Il fatto è che in modalità standby, il "portatile" monitora solo i segnali trasmessi dalla rete, ma non emette nulla in sé: il processo di trasmissione inizia solo se viene stabilita una connessione, nonché durante movimenti significativi rispetto alla rete ( questo sarà discusso in dettaglio di seguito) - in questi casi, il timer esegue il conto alla rovescia del tempo fino alla ri-registrazione successiva. Pertanto, se il telefono "cade" dalla rete (ad esempio, la batteria è stata scollegata o il proprietario del dispositivo è entrato nella metropolitana senza spegnere il telefono), il sistema non lo saprà. Tutti gli utenti sono divisi casualmente in 10 classi di accesso uguali (con numeri da 0 a 9). Inoltre, sono previste diverse classi speciali con numeri da 11 a 15 (varie tipologie di servizi di emergenza e di emergenza, personale di rete). Le informazioni sulla classe di accesso sono memorizzate nella SIM. Uno speciale accesso di classe 10 consente di effettuare chiamate di emergenza (al numero 112) se l'utente non appartiene a nessuna classe consentita o non dispone affatto di un IMSI (SIM). In caso di emergenze o congestione della rete, ad alcune classi potrebbe essere temporaneamente negato l'accesso alla rete. Come già accennato, la rete è composta da molti BTS - stazioni base (un BTS - un "cell", cellulare). Per semplificare il funzionamento del sistema e ridurre il traffico di servizio, i BTS sono raggruppati in gruppi - domini denominati LA (Location Area - location aree). Ogni LA ha il proprio codice LAI (Location Area Identity). Un VLR può controllare più LA. Ed è il LAI che viene inserito nel VLR per impostare la posizione dell'abbonato mobile. Se necessario, è nella LA corrispondente (e non in una cella separata) che verrà cercato un abbonato. Quando un abbonato si sposta da una cella all'altra all'interno della stessa LA, la ri-registrazione e le modifiche ai record nel VLR / HLR non vengono eseguite, ma non appena lui (l'abbonato) entra nel territorio di un'altra LA, il telefono inizierà per interagire con la rete. Quando LA viene modificata, il codice della vecchia area viene cancellato dal VLR e sostituito da un nuovo LAI, ma se il successivo LA è controllato da un altro VLR, il VLR verrà modificato e il record nell'HLR verrà aggiornato. In generale, il partizionamento di una rete in LA è un compito ingegneristico piuttosto difficile, che viene risolto quando si costruisce ogni rete individualmente. Los Angeles troppo piccole porteranno a frequenti ri-registrazioni dei telefoni e, di conseguenza, a un aumento del traffico di vari tipi di segnali di servizio e a una scarica più rapida delle batterie dei telefoni cellulari. Se la LA è ingrandita, quindi, se è necessario connettersi con l'abbonato, dovrà essere inviato un segnale di chiamata a tutte le celle incluse nella LA, il che comporta anche un aumento ingiustificato della trasmissione delle informazioni di servizio e un sovraccarico i canali interni della rete. Vediamo ora un bellissimo algoritmo del cosiddetto handover (questo nome è stato dato al cambio del canale utilizzato durante il processo di connessione). Durante una conversazione su un telefono cellulare, a causa di una serie di motivi (rimozione del "microtelefono" dalla stazione base, interferenza multipath, passaggio dell'abbonato nella cosiddetta zona d'ombra, ecc.), la potenza del segnale (e la qualità ) potrebbe deteriorarsi. In questo caso, ci sarà il passaggio a un canale (forse un altro BTS) con una migliore qualità del segnale senza interrompere la connessione in corso (aggiungo - né l'abbonato stesso né il suo interlocutore, di regola, notano il passaggio di consegne avvenuto ). Le consegne sono generalmente divise in quattro tipi: 1. cambiare i canali all'interno della stessa stazione base
In generale, il passaggio di consegne è compito dell'MSC. Ma nei primi due casi, chiamati consegne interne, al fine di ridurre il carico sullo scambio e sulle linee di servizio, il processo di cambio canale è controllato dal BSC e l'MSC è solo informato di ciò che è accaduto. Durante una conversazione, il telefono cellulare monitora costantemente il livello del segnale dai BTS vicini (l'elenco dei canali (fino a 16) che devono essere monitorati è impostato dalla stazione base). Sulla base di queste misurazioni, i sei migliori candidati vengono selezionati e segnalati continuamente (almeno una volta al secondo) al BSC e all'MSC per organizzare un eventuale passaggio. Esistono due schemi principali di consegna: "Modalità di commutazione minima" (prestazioni minime accettabili). In questo caso, quando la qualità della comunicazione peggiora, il telefono cellulare aumenta la potenza del suo trasmettitore il più a lungo possibile. Se, nonostante l'aumento del livello del segnale, la connessione non migliora (o la potenza ha raggiunto il suo massimo), si verifica un passaggio di consegne. "Modalità risparmio energetico" (Budget energetico). Allo stesso tempo, la potenza del trasmettitore del cellulare rimane invariata e, in caso di deterioramento della qualità, cambia il canale di comunicazione (handover).
Parliamo ora di come le chiamate in arrivo vengono instradate su un telefono cellulare. Come prima, considereremo il caso più generale in cui l'abbonato si trova nell'area di copertura della rete ospite, la registrazione è avvenuta correttamente e il telefono è in modalità standby.
L'MSC inoltra il numero dell'abbonato (MSISDN) all'HLR. L'HLR, a sua volta, fa una richiesta al VLR della rete visitata in cui si trova l'abbonato. VLR assegna uno degli MSRN disponibili (Mobile Station Roaming Number - il numero della stazione mobile "errante"). L'ideologia dell'assegnazione MSRN è molto simile all'assegnazione dinamica degli indirizzi IP nell'accesso remoto a Internet tramite modem. L'HLR della rete domestica riceve dal VLR l'MSRN assegnato all'abbonato e, accompagnandolo con l'IMSI dell'utente, lo trasmette allo switch della rete domestica. La fase finale dell'instaurazione della connessione è la direzione della chiamata, accompagnata da IMSI e MSRN, allo switch di rete ospite, che genera un segnale speciale trasmesso su PAGCH (PAGer CHannel - call channel) in tutta la LA in cui si trova l'abbonato. L'instradamento delle chiamate in uscita non rappresenta nulla di nuovo e interessante da un punto di vista ideologico. Di seguito sono riportati solo alcuni dei segnali diagnostici che indicano l'impossibilità di stabilire una connessione e che l'utente potrebbe ricevere in risposta a un tentativo di connessione. Segnali diagnostici di base per un errore di connessione Il numero dell'abbonato è occupato - 425±15 Hz - 500 ms di segnale acustico, 500 ms di pausa
Pubblicazione: cxem.net Vedi altri articoli sezione Mobile Communications. Leggere e scrivere utile commenti su questo articolo. Ultime notizie di scienza e tecnologia, nuova elettronica: Il rumore del traffico ritarda la crescita dei pulcini
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