gsm-history

 

Публичен контрол върху
базовите станции на GSM операторите

(тема на месеца)

 

Какво е GSM?

GSM означава Глобална Система за Мобилни комуникации и представлява цифрова клетъчна радиомрежа, функционираща в повече от 200 страни по света. Освен съвременна цифрова телефония, GSM позволява свързване към телефонния апарат на вашия преносим компютър и предаване/приемане на електронна поща, факсимилета, сърфиране в Световната мрежа Интернет, сигурен достъп до локалната мрежа във Вашата фирма, достъп до системата за кратки съобщения (SMS) и други цифрови технологии за предаване на данни. Използвайки радиочестоти за връзка, GSM e уникална безжична платформа, контрастираща със съществуващите технологии за връзка. Потребителят на GSM е напълно мобилен – получава дори компютърна връзка навсякъде, без да се безпокои за кабели, адаптори, жакове и т.н. Уникалната услуга роуминг (roaming, скитане) позволява на GSM абонатите да използват обичайната си услуга във всяка точка на Света, в зависимост от зоните на покритие на съответния GSM-oператор и наличието на роуминг-споразумение. Това означава, че ако например Вие използвате Вашия телефон в България, той ще работи и във Франция, Швеция и дори Япония, като това зависи единствено от роуминг-споразуменията на вашия GSM оператор.
GSM-апаратът работи с чип карта (“smart card”) – Абонатен Идентификационен Модул, наричан за краткост SIM. SIM картата е персонална и тя идентифицира вашата сметка в GSM мрежата.

GSM мрежите използват три основни честотни диапазона: GSM 900 (или само GSM) – работи в честотния диапазон на 900 Mhz и е най-често срещаната мрежа в Света. GSM 1800 , също наречена PCN (персонална комуникационна мрежа) – 1800 MHz; GSM 1900, наречена PCS (персонални комуникационни услуги), PCS 1900 и DCS 1900 – единствената честота, използвана в САЩ и Канада за GSM.

История на GSM

Първите безжични мрежи са NMT450 в Скандинавия и Бенелюкс, TACS във Великобритания и C-Netz в Западна Германия.

Проблемът на тези клетъчни мрежи от Първо поколение e липсата на капацитет или по-точно евентуално “грохване” при по-голямо натоварване.

През 1982 г. CEPT (Европейската комисия на телекомуникационни оператори) взема решение за разработка на спецификация за общоевропейска мрежа за мобилни комуникации. През 1985 г. Италия, ФРГ, Франция и Великобритания подписват споразумение за разработката на GSM. По замисъла си GSM залага на цифрова технология, оперираща в честотната лента 900 MHz, позволявайки повече абонати едновременно да използват по-качествена връзка. Освен повече сигурност, цифровата технология предполага и по-евтини и леки телефонни апарати и интегриране на други информационни услуги. През 1986 г. GSM е подложена на серия тестове и различни варианти на предаване на цифровата информация, тъй като стандартите за това са били в процес на разработка. От направените изпитания става ясно , че трябва да се използва TDMA-технология (множествен,колективен достъп с времеделене). В крайна сметка, през 1987 г. след много средства и усилия и след малки модификации, цифровият GSM стандарт е в действие. Добавяйки всички възможности на системата, десет години по-късно, пълната спецификация на GSM надхвърля 7000 страници. През 1989 г., разработването на спецификация за GSM е прехвърлено на новоучредения Европейски Институт за Телекомуникационни Стандарти (ETSI). ETSI обединява усилията на оператори, администратори и производители, като по този начин ускорява разработките. Първата спецификация на GSM900 e публикувана през 1990 г., а на GSM1800 – през 1997 г.

Първата демонстрация на възможностите на GSM е направена през 1991г. в Женева, като са извършени над 10 000 обаждания.

Първият проблем, пред който са изправени GSM операторите е липсата на стандартизирани терминални устройства. Това налага през 1992 г. въвеждането на ITA – interim type approval (документ за одобрение) – процедура, според която устройствата трябва да са с изследвани и одобрени параметри, които няма да създават проблеми за мрежите.

За рождена дата на GSM се приема стартирането на първите комерсиални GSM мрежи – това става през 1992 г., като сред тях са оператори от Финландия, Дания, Италия. Германия и др. Тогава е подписано и първото роуминг споразумение между Telecom-Филнандия и Vodafone-Великобритания. В края на 1993 г. GSM надхвърли един милион абонати в Европа. Тогава в действие тръгва и първата GSM1800 мрежа във Великобритания (Mercury One-2-One). През 1994 година, Федералната Комисия по Съобщения в САЩ отдава честотната лента 1900MHz и дава начало на системата PCS. Kъм Европейското “семейство” на GSM се присъединява и един Австралийски оператор, последван от Азиатски, Африкански и др. През юни 1995 г. се учредява GSM Асоциация от 156 члена и 12 милиона абоната на GSM, предшествайки появата на GSM стандарт и демонтрация на факс,видео и компютърни комуникации посредством GSM.

В момента в GSM Асоциацията членуват над 240 оператора, предоставящи услуги на над 200 милиона потребители. Решаващ фактор в успеха на GSM e, както обединяването на усилията на инженерите за създаване и усъвършенстването на системата, така и уникалната възможност за роуминг между различни GSM оператори и в крайна сметка предоставянето на една глобална услуга за потребителите.

Как работи GSM?

Обща архитектура на мрежата: Базовата станция (BS) е приемо/предвател, свързващ вашия клетъчен телефонен апарат с клетъчната мрежа. Всяка базова станция се нарича клетка, защото има покритие в точно определена област. Всички базови станции са свързани за да се получи надеждна връзка при придвижване от една клетка в друга. Този процес се нарича “прехвърляне” (hand-over). Група базови станции се включват в определен Контролер на Базови Станции (BSC). Съвкупността (наричана Мобилна станция, или терминал) от клетъчния телефон и SIM-модул представлява един вид електронен подпис (включващ абонатния номер), който се изпраща да най-близката клетка като заявка, че абонатът желае достъп до системата. BSC предава заявката до сърцето на клетъчната мрежа – Мобилния Комутационeн Център (MSC). MSC се грижи за осигуряването на връзка, трасе за входящите и изходящи обаждания oт и до фиксирани или мобилни телефонни мрежи. MSC съдържа критичен компонент, наречен HLR (Home Location Register) – вътрешен регистър (регистър на вътрешните местоположения), осигуряващ административна информация, идентифицираща конкретен абонат. Веднъж получил заявка от клетъчния телефон, HLR незабавно сравнява специалната сигнатура в заявката с тази, в данните за абоната. Ако абонаментът е коректен, MSC изпраща по обратния път, чрез системата от клетки до телефона съобщение, че е допуснат до мрежата. Обикновено в този момент на екрана на апарата се изписва името на клетъчната мрежа. От тук нататък може да се приемат и да се извършват обаждания. В момента, в който HLR регистрира свързването в мрежата, се отбелязва в обхвата на коя точно клетка е абонатът, за да може в последствие MSC да осигури трасе за повиквания. При постъпване на повикване, MSC първо проверява HLR за да разбере местоположениято. Във всеки момент, клетъчният телефон изпраща съобщение до най-близката клетка за да информира мрежата къде е абонатът. Този процес е известен като polling.
Всяка базова станция използва чисто цифрова технология за да може да поддържа голям брой абонати едновременно свързани в клетъчната мрежа, а освен това да им позволи да правят и приемат обаждания. Тази техника на накъсване се нарича мултиплексиране. Следейки местоположението на абоната и електронната абонатна сигнатура, мрежата успява да пренасочи обажданията към базовата станция, в чийто обхват е телефонът му, дори и други абонати в същия момент да са свързани към нея.
При прехвърляне към друга клетка, информацията в HLR автоматично се обновява за да се осъществи точно рутиране на сигнала.

Гласова поща (VoiceMail) и Център за кратки съобщения (SMS) са други услуги, които MSC предоставя. SMS съобщенията се предават по отделен канал от разговорите, и може да се получават кратки съобщения дори когато се провежда разговор.

Основната част на клетъчната мобилна мрежа е Мобилният комутационен център (MSC). Той действа точно както комутационното оборудване в обществена телефонна мрежа (PSTN) или ISDN – цифрова мрежа. Добавени са и функционални възможности, типични за обслужване на мобилен абонат – като регистрация, идентификация, следене на местоположението, прехвърляне към друга клетка, роуминг и др. Контролът и управлението на преноса на информация между различните подсистеми се постига чрез широкоизползван стандартизиран протокол, наречен Signalling System 7, или SS7. Двата регистъра HLR и VLR осигуряват възможността за роуминг на GSM. HLR съдържа цялата административна информация за всеки абонат, регистриран в съответната мрежа, заедно с текущото местоположение. Aкo обаче мобилната станция е напуснала зоната на своята система, ще бъде обслужена от друга такава. Тогава административната информация за абоната се записва във VLR-регистъра на новата GSM-мрежа. VLR съдържа основно информация за всеки “гост” на мрежата – абонат на друга GSM мрежа. Тази информация се получава от HLR-регистъра на съответната състема и е необходима за управление и контрол на разговорите на всички абонати.

Интересно е да се отбележи, че докато VLR-информацията се съсредоточава географски на едно място заедно с MSC, то HLR-регистрите обикновено се изграждат като разпределена база данни.

Има два други основни регистъра, свързани със съображения за сигурност. EIR (Регистър за идентификация на оборудването) е списък, съдържащ данни за всеки мобилен терминал, използван от системата, представен чрез IMEI. IMEI бива указан за мрежата като “черен”, ако е докладван като откраднат или неодобрен за използване. АUC (Център за идентификация и проверка, Authentication Centre) е защитена база данни, която съдържа дубликат на секретния ключ КА, записан в SIM картата на всеки абонат. Този ключ се използва за идентификация и кодиране на радиоканала по време на разговор.

Как от гласа се получават радиовълни?

Като цифрова система, GSM не може да предава човешката реч в аналогова форма и тя трябва да дигитализира. Методът, използван от ISDN, на мултиплексиране на няколко гласови линии върху високоскоростни оптични магистрали със скорост 64kpbs e твърде неприемлив за радио вълни.
GSM използва интересен метод за кодиране и компресия на глас, от фамилията алгоритми с линейно предсказване, RPE-LPC (Regular Pulse Excited – Linear Predictive Code) – регулярен, с импулсно възбуждане код с линейно предсказване, с дълъг цикъл нa предсказване. Идеята е следната: човешката реч се накъсва нa 20 ms, за които се снемат дискрети, които се кодират с 260 бита (обща скорост 13 кбита/сек). За кодирането на информацията се използват две особености на човешкия говорен тракт – изговаряме определен набор звуци и шумове, които не се променят много бързо. Следователно, всяка малка част от говорната информация е линейна комбинация от предишни. Задачата на алгоритъма RPE-LPC е да “предскаже” текущо снетите дискрети, като линейна комбинация на коефициенти от предни дискретни части на речта, и освен това, да кодира по подходящ начин разликите между “предсказаните” дискрети и реалните. Поради наличието на електромагнитни взаимодействия, така кодираната информация или данни трябва да се пренасят защитени в ефира. GSM използва гъвкаво кодиране и поблоково изместване. Тези алгоритми обаче се различават за данни и глас. По време на тестването на вече описаното кодиране се откри, че от 260-те бита за 20 ms, някои отделни битове са много по-важни от други за доброто възприемане на речта. Затова отделните битове се разделят на три класа. Клас Ia – 50 бита – най-чувствителни към грешки Клас Ib – 132 бита – средно чувствителни към грешки Клас II – 78 бита – най-малко чувствителни към грешки.

За откриване на евентуално възникнали грешки, към битовете от клас Ia се добавят 3 бита CRC-код. Ако с негова помощ се открият възникнали грешки, пакетът данни се произнася за изцяло повреден и се отхвърля. На негово място се използва леко затихнат вариант на предишен коректно приет пакет. Тези 53 бита, заедно с 132 от клас Ib плюс 4 стопови бита (общо 189) се подават на конволютивен кодер с коефициент 1/2.

Основната функция на този кодер е да добави битове – излишъци. Кодерът се дефинира от три параметъра – n,k и K, kато к е броя на входните битове, n – броя на изходните битове, а К-броя битове в паметта на кодера. Коефициентът R се дефинира по следният начин: R=k/n. Нека имаме следното положение: к=1, n=2, R=1/2 , K=5. Тези стойности означават, че кодерът ще добавя бит на излишък към всеки един входен, освен това конволютивният кодер ще използва 5 последователни бита за да сметне бита-излишък.

Ако се върнем на нашия пакет от 189 бита, при кодиране ще получим общо 378 изходни бита, към които се добавят оставащите 78 клас II (koито остават незащитени). В резултат на всичко казано до тук може да се заключи, че на всеки 20ms получаваме гласов пакет 456 бита (22.8kbps). За допълнителна защита срещу пакетни грешки от радио-влияния, всеки гласов пакет се размества диагонално. Тези 456 изходни бита се разделят на 8 блока от 57 бита и тези блокове се предават в осем поредни времеви пакетни интервала. Всеки пакет от канала съдържа два 57-битови блока и следователно всеки пакет от трафичния канал пренася по един речев пакет от два различни разговора.

Как се кодира даннов поток?

Имаме две основни разлики между кодиране на данни и реч – при данни не можем да направим приеманията за линейно предсказване и следователно не можем да различим повече или по-малко уязвими към грешките битове. Поради това се предпочита блоково кодиране – към 240 входни бита се добавят 4 в края, получавайки 244. В последствие отново се използва koнволютивен кодер с коефициент 1/2, добавящ битове на излишък за защита на информацията от грешки. Генерира се блок от 488 бита, които се разбиват за получаване на блок от 456. За целта 32 бита (от 488) с номера (11 + 15j) за j = 0, 1,…, 31 не се предават.

Ще споменем и начина, по който се кодират контролните канали. Управляващата информация е в 184 бита, към които се добавят 40 за контрол по четност и 4 бита в края. Следва извиващ кодер (R = 1/2,
K = 5), като се получава пакет от 456 бита. Разместването на готовите информационни битове представлява преустройване на група битове по точно определен начин. Този начин, използван съвместно с FEC (Forward Error Correction) код подобрява значително ефективността на коригиращите механизми при откриване на грешки. Специално, методът на разместване намалява възможността за загуба на цели пакети при предаване, изхождайки от факта, че грешките най-често са концентрирани.

Как се разместват контролните канали?

Един GSM-пакет съдържа два блока от 57 бита. Каналният кодер изработва поредица от 456 бита, които се поделят на 8 блока от 57 бита. Първият блок битове съдържа битове с номера 0,8,16,24….,448, вторият – с номера 1,9,17,25…,449 и т.н. до последния, който съдържа битове с номера 7,15,23,…,455. От така получените осем блока от по 57 бита, първите четири се разполагат в четните битове на четири TDMA-пакета, а останалите четири – в нечетните битове на същите пакети. Казаното може да се обобщи, че контролните GSM канали се разместват така, че на всеки четири пакета започва нов блок контролна информация. Тази операция се нарича правоъгълно блоково разместване. Говорните канали се разместват по подобен начин. След получаване на осемте поредици от по 57 бита, те се разместват по различен начин. Първите четири блока от 57 бита се разполагат в четни битове от четири последователни пакета. Следващите четири блока от 57 бита се разполагат в нечетни битове в следващите четири пакета. Така вложената дълбочина на разместване на гласовите канали става 8 (докато при контролните е 4). Тази операция се нарича блоково диагонално разместване. Разместването на GSM-данни, предавани в TCH канали е с дълбочина на 22 и се извършва по следният начин. Получената поредица от 456 бита след кодиране се поделя на:16 блока по 24 бита, 2 блока по 18 бита, 2 блока по 12 бита и 2 блока по 6 бита. Получените блокове се разпределят в TDMA – пакетите по следният начин:

първият и двадесет и втория пакет пренасят по един 6-битов блок; вторият и двадесет и първият пакет пренасят по един 12-битов блок; третият и двадесетият пакет пренасят по един 18-битов блок; четвъртият до деветнадесетият блок пренасят по един 24-битов блок.

Данните отново са диагонално разместени, като на всеки четири пакета започва отделен блок. Следващата процедура е формирането (сглобяването) на пакети, чиято структура беше вече разгледана.

Образуваните пакети за предаване трябва да се шифрират, за защита на предаваните сигнали и данни. Както се запознахме, шифриращият ключ се изработва от SIM-картата с помощта на А8-алгоритъм, записан там. След това алгоритъмът А5 изработва от шифриращия ключ 114-битова поредица, с която се извършва XOR-операция над два блока от 57 бита в нормален пакет. Приемникът (базовата станция или мобилната система) трябва да използват същият алгоритъм за дешифриране.

Цифровият сигнал се модулира с честотна лента 200KHz с помощта на GMSK модулация – Gaussianfiltered Minimum Shift Keying – филтър на Гаус с минимално регистрово превключване. GMSK въплътява множество математически принципи, от гледна точка на сложността на проблемите пред предавателя (мобилната станция) – изисквания за минимална консумация, ограничаване на “лъжливото” излъчване и др.

 



новини | лица | документи | дискусии | избори | връзки | за нас | блог | архив

ДСБ Триадица

%d bloggers like this: