Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети

Подождите немного. Документ загружается.

Технологии глобальных

сетей

PSTN^

Рис.

4.24.

Структурная

схема

мобильной сети

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом

интерфейсов. Все сетевые функциональные компоненты

стандарте GSM вза-

имодействуют в соответствии с системой сигнализации МККТТ N7 (CCITT

SS.

N7).

Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечива-

ет все виды соединений, необходимых для работы подвижной станции. MSC

аналогичен ISDN коммутационной станции и представляет собой интерфейс

между фиксированными сетями (PSTN, PDN, ISDN и т. д.) и сетью подвиж-

ной связи. Он обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления

вызовами. Кроме вьшолнения функций обычной ISDN коммутационной стан-

ции,

на MSC возложены функции коммутации радиоканалов, к которым отно-

сится «эстафетная передача». В процессе этой передачи достигается непре-

рывность связи при перемещении подвижной станции из зоны в зону и

переключение рабочих каналов

соте при появлении помех или неисправнос-

тях.

300

4.5.

Технология мобильных

сетей

Центр

коммутации осуществляет постоянное слежение

за

подвижными

стан-

циями, используя регистры положения (HLR) и перемещения (VLR). В HLR

хранится

та часть

информации о местоположении какой-либо подвижной стан-

ции,

которая позволяет центру коммутации доставить вызов станции. Регистр

HLR содержит международный идентификационный номер подвижного або-

нента (IMSI). Его используют для опознавания подвижной станции в центре

аутентификации (AUC).

Регистр перемещения VLR - обеспечивает контроль за передвижением

подвижной станции из зоны в зону. Он обеспечивает функционирование под-

вижной станции за пределами 3oin>i, контролируемой HLR. Когда в процессе

перемещения подвижная станция переходит

из

зоны действия одного контрол-

лера базовой станции BSC, объединяющего группу базовых станций, в зону

действия другого BSC, ее регистрирует

новый

BSC,

и в

VLR заносится инфор-

мация о номере области связи, которая обеспечит доставку вызовов, подвиж-

ной станции. Для сохранности данных, находящихся в HLR и VLR, в случае

сбоев предусмотрена защита устройств памяти этих регистров.

Для

несанкционированного использования ресурсов системы

связи

предус-

мотрены механизмы ^тентификации - удостоверения подлинности абонента.

Центр аутентификации состоит

из

нескольких блоков

формирует

ключи и

ал-

горитмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента

и ос>ацествляется его доступ к сети связи. AUC принимает решения о пара-

метрах процесса аутентификации и определяет ключи пшфрования абонентс-

ких станций на основе базы данных, сосредоточенной

регистре идентифика-

ции

оборудования (EIR - Equipment Identification Register).

Каждый подвижный абонент

на

время пользования системой связи получа-

ет стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит: меж-

дународный идентификационный номер (IMSI), свой индивидуальный ключ

^о^нтификации

(Ki),

алгоритм аутентификации (A3).

С помощью заложенной

SIM информации,

результате взаимного обмена

данными между подвижной станцией и сетью, осуществляется полный цикл

аутентификации и разрешается доступ абонента

сети.

Оборудование базовой

станции

состоит

из

контроллера базовой

станции

BSC

или BTS. Контроллер базовой станции может управлять несколькими приемо-

передающими блоками. Он управляет распределением радиоканалов, контро-

лирует соединения, регулирует их очередность, обеспечивает режим работы с

прыгающей частотой, модуляцию и демодуляцию сигналов, кодирование

де-

кодирование сообщений, кодирование

речи,

адаптацию скорости передачи для

речи,

данных и вызова, определяет очередность передачи сообщений персо-

нального вызова.

В рамках стандарта GSM приняты 5 классов подвижных станций, различа-

ющиеся по мощности от 20 (1 класс) до 0,8 Вт (5 класс).

Подвижный абонент и станция независимы друг от друга. Как уже отмеча-

лось,

каждый абонент имеет свой международный идентификационный номер

301

Технологии глобальных

сетей

(IMSI), записанный на его интеллектуальную

карточку.

Такой подход позволя-

ет устанавливать радиотелефоны, например, в такси и автомобилях, сдавае-

мых на

прокат.

Каждой подвижной сташщи также присваивается свой между-

народный идентификащюнный номер (IMEI). Этот номер используется для

предотвращения доступа к сетям GSM похищенной сташщи или сташщи без

полномочий.

Структура TDMA-кадров и формирование

сигналов в стандарте GSM

Стандарт TDMA широко применяют в современных щ1фровых системах

подвижной связи. В отличие от систем частотного разделения, все абоненты

системы TDMA работают в одном и том же диапазоне частот, но при этом

каждый имеет временные ограничения доступа. Каждому абоненту вьщелен

временной промежуток (кадр), в течение которого ему разрешено «вещание».

Когда один абонент завершает вещание, разрешение передается другому, за-

тем

третьему

и т.

д. После

того,

как обслужены

все

абоненты, процесс начина-

ется сначала. С точки зрения абонента его активность носит пульсирующий

характер. Чем больше абонентов, тем реже каждому из них предоставляется

возможность передать свои данные, тем, соответственно, меньше данных он

сможет передать.

В результате анализа различных вариантов построения щ1фровых ССПС в

стандарте

GSM

принята комбинащ1я методов множественного доступа TDMA

и FDMA. Общая структура временных кадров GSM показана на

рис.

4.25.

Длина периода последовательности в этой структуре, которая называется

гиперкадром, равна Г=

с 760 мс (12533,76

с).

Гиперкадр делится на

2048

суперкадров,

каждый из

которых имеет длигельность Г

12533,76 / 2048 =

= 6,12

с.

С^шеркадр

состоит

из

мультикадров.

Для организащш различных кана-

лов связи и управления в стандарте GSM используют два типа мультикадров:

• 26-позищюнные TDMA-кадры мультикадра;

• 51-позшщонные TDMA-кадры мультикадра.

В суперкадре может

быть 51

мультикадр первого типа или

мультикадров

второго

типа.

Длительности мультикадров соответственно равны:

Г^=6120/51 = 120мс;

Г^= 6120 /26 = 235,385 мс (3060 /

мс).

Длительность каждого TDMA-кадра

Г= 120/26 =235,385 /51=

4,615

мс (60 /13 мс).

В периоде последовательности каждый TDMA-кадр имеет свой порядко-

вый номер (NF) от

до NF^^, где

iVF^^=(26x51x2048)~ 1=2715647.

Таким образом, гиперкадр состоит из 2715647 TDMA-кадров. Необходи-

мость такого большого периода гиперкадра объясняется требованиями при-

меняемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF

используется как входной параметр.

302

1^-^

P»N.

1 2

Гиперкадр = 2048 суперкадрам = 2715648 TDMA-кадрам

Гг= 3 ч 28 мин 53 с 760 мс (12533,76 с) 2046

^<W|

2047

\ 0 1 1 г

[ 0 1

^ Суперкадр = 51 или 26 мультикадрам = 1326 TDMA-кадрам

2 1 3 1

Гс

= 6,12с

..^1__

.:::•:>. 7',= б,12с

"^'"•'••—--

1 47

1 48

1 49 1 50П

J 25

Мультикадр = 26 TDMA-кадрам

Гм.7_1??.¥Я

<.^.^ ^'

Мультикадр = 51 TDMA-кадру

Г^ = 235,385 мс

L />Ч -

r:fyj»:fy.-i.

49 50

..-.Xic.rA'.^A^MC I 6 I 7

TDMA-кадр = 8 слотов

(временных интервалов)

Размер полей временного интервала в битах

3 1

н^

1 1

26 1 1

1 временной интервал = 156,25 мс (15/26 = 0,577 мс)

i 3

1 8,25

Длительность одного бита = 3,69 мкс

Рис. 4.25. Структура временных кадров GSM

о*

Технологии глобальных

сетей

TDMA-кадр делится на восемь временных интервалов (слотов) с периодом

7= 60 / 13:8 = 576,9 мкс (15 / 26 мс).

Мультикадр GSM продолжительностью

120

мс,

разделен

на

26 или

51TDMA-

кадра (фрейма), каждый из которых состоит из восьми выделенных времен-

ных интервалов -

слотов.

В мультикадре 24 фрейма содержат пользовательс-

кую

информацию,

передающуюся

по

логическим

каналам передачи

сообщений.

Оставшиеся два фрейма, в середине и

конце мультикадра, система использу-

ет для передачи управляющей информации

по

так называемьп^ ассоциирован-

ным управляющим каналам. В ходе каждого звонка система вьщеляет один из

этих каналов, обеспечивающий в системе возможность передачи сигнальной

информации вне пределов основной полосы передачи информации - возмож-

ность, не существовавшая в системах первого поколения ССПС. Два пакета

по 57 бит данных каждого временного слота предназначены для передачи

пользовательской информации, а один разделительный бит в каждом пакете

является флагом для того, чтобы отделить передачу речи от других передач.

В состав слота включены также 26 бит эквалайзерной (синхронизирующей)

последовательности. Слот начинается и завершается концевиком, состоящим

из 3 бит логических нулей. Межслотовые интервалы, состоящие из 8,25 бит,

предохраняют от перекрытия

на базовой станции

сигналов,

поступающих

раз-

ных мобильных терминалов. При передаче 156,25 бит за 577 мкс, скорость

передачи равна 270,833 кбит/с, битовый интервал - 3,69 мкс. Систему GSM

создавали исходя

из

предположения,

что приемники обеспечивают точный прием,

если множественные пути сигналов имеют разницу в задержке до

мкс, что

составляет более четырех битовых интервалов.

В GSM используется гауссовская частотная манипуляция с минимальным

сдвигом (OMSK) и индексом манипуляции

0,3,

при которой применяемая час-

тота среза равна

дБ

при

частоте 81,25 кГц

(0,3

битовой

скорости).

Эффектив-

ность модуляции сигналов

при

скорости передачи порядка

271

кбит/с,

при

раз-

делении каналов в 200 кГц, равна 1,35 бит/с/Гц. При кодировании скорость

источника составляет 13 кбит/с, а скорость передачи, включая распознавание

ошибок

корректирующие

коды,

22,8

кбит/с.

стандарте GSM использованы комбинированная TDMA/FDMA-схема орга-

низации каналов и принцип медленных скачков по частоте при передаче сооб-

щений

во

временных кадрах.

Принятая структура TDMA кадров и принципы формирования сигналов в

стандарте

GSM в

совокупности

методами канального кодирования позволили

снизить требуемое для приема отношение сигнал/помеха до 9 дБ, тогда как в

стандартах аналоговых сотовых сетей связи оно составляет 18 дБ.

Организация физических и логических каналов

в стандарте GSM

Физический канал в стандарте GSM представляет собой комбинацию вре-

менного

частотного разделения сигналов и определяется как последователь-

304

4.5.

Технология мобильных

сетей

НОСТЬ

радиочастотных каналов (с возможностью перескоков по частотам) и

временных окон TDMA-кадра.

Стандарт GSM разработан для создания ССПС в следующих полосах час-

тот: 890...915 МГц - для передачи подвижными станциями (линия «вверх»);

935...960 МГц -

для

передачи базовыми станциями (линия «вниз»). Частотные

планы ССПС, включая стандарт GSM, показаны на рис.4.26.

Каждая из полос, вьщеленных для GSM, разделена на частотные каналы.

Разнос каналов составляет 200 кГц, что позволяет организовать в GSM 124

частотных канала, которые распределяются в соответствии с размещением

сот. Частоты, вьщеленные для передачи от подвижной станции на базовую и в

обратном направлении, группируют

парами,

организуя

дуплексный

канал с

раз-

носом 45 МГц. Эти пары частот сохраняются и при перескоках частоты. Каж-

дая

ячейка (сота) характеризуется присвоением определенного количества пар

частот от 1 до 15 (не более).

Каждая частотная несущая содержит 8 физических каналов, размещенных

в 8 временных интервалах (слотах) в пределах TDMA-кадра. Каждый физи-

ческий канал использует один и тот же слот в каждом временном TDMA-

кадре.

До формирования физического канала сообщения и данные, представлен-

ные в цифровой форме, группируются и объединяются в логические каналы

двух

типов:

каналы связи

для

передачи кодированной речи

или

данных (ТСН),

каналы

управления

для

передачи

сигналов

управления

синхронизации. Разли-

чают 4 вида каналов

управления:

ВССН (Broadcast Control CHannels) - каналы

передачи сигналов управления, СССН

(Common Control

CHannels) - общие

кана-

лы управления, DCCH (stand-alone Dedicated Control CHannels) - индивидуаль-

ные каналы управления, АССН (Associated Control CHannels) - совмещенные

каналы

управления.

Каналы

передачи сигналов управления (ВССН) используют только

направ-

лении с базовой станции на все подвижные станции. Они несут информацию,

необходимую подвижным

станциям для работы в

системе. Различают

три

вида

каналов передачи сигналов управления:

FCCH (Frequency Correction CHannel) -

канал

подстройки частоты, исполь-

зуемый для синхронизации несущей в подвижной станции. По этому каналу

передают немодулированную несущую с фиксированным частотным сдвигом

относительно номинального значения частоты канала связи.

SCH

(Synchronisation CHannel) -

канал

синхронизации, по которому переда-

ют

информацию

на

подвижную станцию с кадровой (временнбй) синхрониза-

цией.

ВССН (Broadcast Control CHannel) ~ канал управления передачей, обеспе-

чивающей передачу основных команд

по

управлению передачей (номер общих

каналов управления тех из них, которые объединены с другими каналами, в

том числе и с физическими и т. д.)

305

1870

890

870 880 890

AMPS,

D-AMPS

МГц

К Н

825 845

Диапазон общего

пользования

для

средств

малой мощности

915

900 910 920

917

925

ETACS

872 883 888

933 I

930

928

МГц

К ^

Международная

подвижная служба связи

(наземная

морская)

Передача базовой станцией

Прием мобилыюй станцией

940 950

935 940 950

HCMTS

TACS

оилыюис:

960

/МГц

^NT

952

NMT-900

895 905 907

830 840

850 860 870 880

890

900

915

/МГц

870 885

HCMTS

Национальные сети

GSM

К ^

Z-

Передача мобильной станцией

^ . ^, „ ^^„^

Прием базовой станцией

Рис. 4.26.

Частотные планы

ССПС:

GSM

общеевропейский стаццарт

на

цифровые

ССПС;

AMPS

стаццарт

на

аналоговые ССПС Северной

Америки;

D -

AMPS (ADS)

стаццарт

на

цифровые ССПС Северной

Америки;

TACS (ETACS)

стаццарт Великобритании

на

аналоговую

ССПС;

NMT-900

стаццарт скаццинавских стран

на

аналоговую

ССПС;

HCMTS

стаццарт

на

аналоговые ССПС Японии

4.5. Технология мобильных сетей

Отображение логических каналов на физические каналы осуществляется

через процессы кодирования

шифрования передаваемых

сообщений.

Для за-

щиты логических каналов от ошибок, имеющих место в процессе передачи,

используют

три вида

кодирования:

блочное -

для

быстрого обнаружения ошибок при приеме;

сверточное - для исправления одиночных ошибок;

перемежение - для преобразования пакетов ошибок в одиночные.

Для защиты каналов от подслушивания в каналах связи и управления при-

меняют шифрование.

Аспекты безопасности в мобильных сетях

Сотовые системы подвижной связи нового поколения могут принять всех

потенциальных пользователей, если будет гарантирована безопасность связи:

секретность и аутентификация. Секретность должна исключрггь возможность

извлечения информации

из

каналов связи

кому-либо,

кроме санкционированно-

го получателя. Проблема аутентификации заключается в том, чтобы поме-

шать кому-либо, кроме санкционированного пользователя (отправителя), под-

менить канал, т. е. получатель должен быть уверен, что в настоящий момент

он принимает сообщение

от

санкционированного

пользователя.

Основным

спо-

собом обеспечения секретности является шифрование. Новой концепцией ис-

пользования шифрования является аутентификация сообщений.

Аутентификацию сообщений

через

шифрование осуществляют

за

счет

вклю-

чения

текст так называемого кода идентификации

(т.

е. фиксированного или

зависящего от передаваемых данных слова, которое знают отправитель и по-

лучатель, или которое они могут вьщелить в процессе передачи). Получатель

расшифровывает сообщение и путем сравнения получает удостоверение, что

принимаемые данные являются именно данными санкционированного отпра-

вителя.

К системе шифрования предъявляют следующие основные требования:

• обеспечение нелинейной связи между исходным текстом и зашифрован-

ным;

• возможность изменения параметров ышфрования

во

времени.

Если алгоритмы шифрования отвечают первому требованию, то, не зная

ключа, исключена возможность изменить код идентификации. Второе требо-

вание исключает возможность нарушения работы системы за счет воспроиз-

ведения

противником перехваченного ранее сообщения.

Одним путем из обеспечения этих требований является применение синх-

ронных систем передачи, но при этом необходимы системы цикловой и такто-

вой

синхронизации,

что во

многих случаях

неприемлемо.

Второй

путь

состоит

во

включении

информационную последовательность (каждое сообщение)

вре-

менных меток, так чтобы зашифрованные данные бьши бы однозначно с ними

связаны.

307

Технологии глобальных

сетей

Алгоритмы пшфрования делят на два класса:

классические,

с открыгым ключом.

Классические алгоритмы используют

один ключ для

шифрования

дешиф-

рования. Алгоритмы с открыгым ключом используют два ключа :

для перехода от нешифрованного текста к шифрованному;

для обратного перехода

от

шифрованного

нешифрованному.

Алгоритм шифрования с открытым ключом RSA обеспечивает высокую

степень безопасности передачи речевых сообщений.

В стандарте GSM термин «безопасность» подразумевает исключение не-

санкционированного использования системы

обеспечение секретности

пере-

говоров подвижных абонентов. В стандарте GSM определены следующие ме-

ханизмы безопасности:

• аутентификация;

• секретность передачи данных;

• секретность абонента;

• секретность направлений соединения абонентов.

Защита сигналов управления

данных пользователя осуществляется толь-

ко по

радиоканалу.

Рассмотрим механизмы аутентификации и секретности передачи данных.

Механизмы аутентификации. Для исключения несанкционированного

использования ресурсов системы связи определены механизмы аутентифика-

ции

- удостоверения подлинности абонента.

Каждый подвижный абонент на время пользования системой связи получа-

ет стандартный модуль подлинности абонента (SIM), который содержит:

• международный идентификационный

номер

подвижного абонента

(IMSI);

•

свой

индивидуальный

ключ

аутентификации

(Ki);

• алгоритм аутентификации

(A3).

С помощью заложенной

в SIM

информации

результате взаимного обмена

данными между подвижной станцией и сетью осуществляется полный цикл

аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.

Процедура проверки

сетью

подлинности абонента изображена на

рис.

4.27.

Мобильная станция

i t

SPES

Радиоканал

Сеть

RAND

SPES

X. Да/Нет

Рис.

4.27.

Процедура

^тентификации

абонента

308

4.5.

Технология мобильных

сетей

А8

Кс

Процедура проверки сетью подлинности або- Мобильная станция

нента реализуется следующим образом. Сеть к1 RAND

передает случайный номер (RAND) на подвиж-

ную станцию. На ней с помощью ключа Ki и

алгоритма аутентификации A3 определяется

значение отклика (SRES), т. е.

SRES = Ki[RAND]. " JT

Подвижная станция посылает вычисленное

значение SRES в сеть, которая сверяет значе- ^^^- '*-^^- Схема получения

ние принятого SRES со значением SRES, вы- ключа шифрования

численным сетью. Если оба значения совпадают, подвижная станция присту-

пает к передаче сообщений. В противном случае связь прерывается, и индикатор

подвижной станции показывает, что опознавание не состоялось. Для обеспече-

ния секретности вычисление SRES происходит в рамках SIM.

Секретность передачи данных. Для обеспечения секретности переда-

ваемой по радиоканалу информации введен следующий механизм защиты. Все

конфиденциальные сообщения необходимо передавать в режиме защиты ин-

формации. Алгоритм формирования ключей шифрования (А8) хранится в мо-

дуле SIM. После приема случайного номера RAND подвижная станция вычис-

ляет, кроме отклика SRES, также и ключ шифрования (Кс), используя RAND,

Ki и алгоритм А8 (рис.

4.28.)

Kc=Ki[RAND].

Ключ шифрования Кс не передается по радиоканалу. Как подвижная стан-

ция, так и сеть вычисляют ключ шифрования, который используют другие под-

вижные абоненты. По причине секретности вьгшсление Кс происходит в SIM.

Спутниковые системы подвижной связи

Примером спутниковой системы подвижной связи является система «Гло-

балстар».

Эта система, используя сеть низкоорбитальных спутников или объектов

(НОО), предоставляет услуги по передаче голоса, данных, обмену сообщения-

ми,

факсимиле и услуги определения местонахождения для клиентов во всем

мире, использующих существующие общественные или частные телефонные

компании. Она состоит из трех основных сегментов (космический сегмент,

сегмент пользователя, наземный сегмент), взаимодействующих с существую-

щими наземными сетями связи (рис. 4.29).

Космический сегмент системы «Глобалстар» представляет собой группи-

ровку из 48 низкоорбитальньпс спутников

со

следующими характеристиками:

Число орбит 8

Высота

орбит,

км

1414

Наклонение,

град

Число спутников на одной орбите 6

Число

космических аппаратов,

одновременно обслуживающих территорию России,не менее 4

309