Если говорить о поколениях мобильной связи, то в России наиболее развито и широко представлено 2G. Основные стандарты второго поколения в РФ – GSM 900/1800 и CDMA 450. Как GSM, так и CDMA используются для голосовых звонков, текстовых сообщений и мобильного доступа в интернет. Хотя второе поколение и не может обеспечить таких же скоростей, как скажем, 3G, или 4G, но это единственный вид сотовой связи который присутствует во всех регионах Российской Федерации, даже в наиболее удаленных. Крупнейшими мобильными провайдерами на территории РФ являются МегаФон, МТС, Beeline, ВымпелКом и Теле2. В среднем покрытие территории РФ составляет 85%, однако МТС, к примеру, обеспечивает покрытие на 100% России.

(Кликните по изображению, чтобы увидеть его в полном размере)

Стандарт GSM в России использует частоты в 900 и 1800 МГц. Поскольку все мобильные телефоны являются дуплексными устройствами, для связи используются сразу две частоты, одна для приема, вторая для передачи данных. К слову, при методом триангуляции по вышкам сотовой связи используются именно эти две частоты. CDMA использует две частоты в диапазонах 450 и 850 МГц, с таким же дуплексным распределением. Крупнейшим CDMA провайдером является СКАЙЛИНК. Как мы уже отмечали, эти стандарты используются в основном для голосовых звонков, текстовых сообщений и мобильного доступа в интернет. Доступ в интернет реализован на технологиях GPRS и EDGE.

Третье поколение мобильной связи или 3G, которое широко используется по всему миру также представлено и в России. Крупнейшие сети 3G в стране работают на технологии WCDMA и согласно решению ГКРЧ работают на частотах 2000-2100 МГц. Под 3G следует понимать 3G со всеми надстройками: HSUPA, HSPDA HSPA+, которые часто ошибочно имеют как . Скорости передачи данных в таких сетях несравненно выше чем в сети GSM, и варьируется в диапазоне 2-14 Мбит/сек. Это поколение мобильной связи позволяет нам пользоваться быстрым мобильным интернетом и совершать видео звонки.

Крупнейшими операторами рынка услуг 3G в России являются МТС, МегаФон, ВымпелКом, Beeline и СКАЙЛИНК. Вместе эти компании обеспечивают работу сети 3G в более чем 120 крупнейших городах Российской Федерации. Покрытие сетей третьего поколения не так велико и сосредоточено, в основном, в густо населенных городах. 3G часто используют для организации скрытого беспроводного видео наблюдения, так как скорость передачи позволяет передавать потоковое видео, а низкое энергопотребление увеличивает время работы скрытой камеры. Это отчасти объясняет популярность .

Сети четвертого поколения также активно развиваются. Первыми компаниями, которые начали строительство такой сети являются Yota и Freshtel, после них в развитие этого поколения связи на территории РФ включились такие гиганты как МТС и МегаФон. Также в России былы недавно организованны производственные мощности, которые разрабатывают и собирают оборудование для базовых станций четвертого поколения, а также производят все необходимое для этого периферийное оборудование. Первым городом, где была запущена сеть 4G был Новосибирск, а после четвертое поколение мобильной связи появилось и в Москве. 4G представлена двумя стандартами - LTE (791-862 МГц) и Wi-Max (2500-2600 МГц). На сегодня сеть 4G полностью развернута в таких городах как: Москва, Санкт-Петербург, Сочи, Самара, Новосибирск, Уфа и Краснодар.

Выше были приведены наиболее распространенные стандарты сотовой связи, однако стоит отметить, что РФ также создала свою систему глобального позиционирования, под названием . Она была создана в замену американской спутниковой системе навигации GPS. ГЛОНАСС сильно отличается от GPS. Американская система работает на трех каналах и использует 3 разных частоты:1575.42, 1227.60 и 1176.45 МГц, и делится на гражданский и военный сектора, а частота 1575.42 МГц отведена для работы службы спасения. ГЛОНАСС, в свою очередь работает с двумя каналами, их частоты: 1602-1615 и 1246-1256 МГц. ГЛОНАСС наиболее популярен в приполярных районах, так как орбиты спутников ГЛОНАСС выше чем орбиты GPS и имеют лучшую видимость. Однако стоит отметить, что GPS определяет координаты точнее.

В целом можно сказать, что Россия имеет неплохое покрытие различными стандартами и поколениями сотовой связи, а высокие темпы не могут не радовать активных пользователей мобильных гаджетов.

Сети GSM. Взгляд изнутри.

Немного истории

На заре развития мобильной связи (а было это не так давно - в начале восьмидесятых) Европа покрывалась аналоговыми сетями самых разных стандартов - Скандинавия развивала свои системы, Великобритания свои… Сейчас уже сложно сказать, кто был инициатором последовавшей очень скоро революции - "верхи" в виде производителей оборудования, вынужденные разрабатывать для каждой сети собственные устройства, или "низы" в качестве пользователей, недовольные ограниченной зоной действия своего телефона. Так или иначе, в 1982 году Европейской Комиссией по Телекоммуникациям (CEPT) была создана специальная группа для разработки принципиально новой, общеевропейской системы мобильной связи. Основными требованиями, предъявляемыми к новому стандарту, были: эффективное использование частотного спектра, возможность автоматического роуминга, повышенное качество речи и защиты от несанкционированного доступа по сравнению с предшествующими технологиями, а также, очевидно, совместимость с другими существующими системами связи (в том числе проводными) и тому подобное.

Плодом упорного труда многих людей из разных стран (честно говоря, мне даже страшно представить себе объем проделанной ими работы!) стала представленная в 1990 году спецификация общеевропейской сети мобильной связи, названная Global System for Mobile Communications или просто GSM. А дальше все замелькало, как в калейдоскопе - первый оператор GSM принял абонентов в 1991 году, к началу 1994 года сети, основанные на рассматриваемом стандарте, имели уже 1.3 миллиона подписчиков, а к концу 1995 их число увеличилось до 10 миллионов! Воистину, "GSM шагает по планете" - в настоящее время телефоны этого стандарта имеют около 200 миллионов человек, а GSM-сети можно найти по всему миру.

Давайте же попробуем разобраться, как организованы и на каких принципах функционируют сети GSM. Сразу скажу, что задача предстоит не из легких, однако, поверьте - в результате мы получим истинное наслаждение от красоты технических решений, используемых в этой системе связи.

За рамками рассмотрения останутся два очень важных вопроса: во-первых, частотно-временное разделение каналов (с этим можно ознакомиться ) и, во-вторых, системы шифрования и защиты передаваемой речи (это настолько специфичная и обширная тема, что, возможно, в будущем ей будет посвящен отдельный материал).

Основные части системы GSM, их назначение и взаимодействие друг с другом.

Начнем с самого сложного и, пожалуй, скучного - рассмотрения скелета (или, как принято говорить на военной кафедре моего Alma Mater, блок-схемы) сети. При описании я буду придерживаться принятых во всем мире англоязычных сокращений, конечно, давая при этом их русскую трактовку.

Взгляните на рис. 1:

Рис.1 Упрощенная архитектура сети GSM.

Самая простая часть структурной схемы - переносной телефон, состоит из двух частей: собственно "трубки" - МЕ (Mobile Equipment - мобильное устройство) и смарт-карты SIM (Subscriber Identity Module - модуль идентификации абонента), получаемой при заключении контракта с оператором. Как любой автомобиль снабжен уникальным номером кузова, так и сотовый телефон имеет собственный номер - IMEI (International Mobile Equipment Identity - международный идентификатор мобильного устройства), который может передаваться сети по ее запросу (более подробно про IMEI можно узнать ). SIM , в свою очередь, содержит так называемый IMSI (International Mobile Subscriber Identity - международный идентификационный номер подписчика). Думаю, разница между IMEI и IMSI ясна - IMEI соответствует конкретному телефону, а IMSI - определенному абоненту.

"Центральной нервной системой" сети является NSS (Network and Switching Subsystem - подсистема сети и коммутации), а компонент, выполняющей функции "мозга" называется MSC (Mobile services Switching Center - центр коммутации). Именно последний всуе называют (иногда с придыханием) "коммутатор", а также, при проблемах со связью, винят во всех смертных грехах. MSC в сети может быть и не один (в данном случае очень уместна аналогия с многопроцессорными компьютерными системами) - например, на момент написания статьи московский оператор Билайн внедрял второй коммутатор (производства Alcatel). MSC занимается маршрутизацией вызовов, формированием данных для биллинговой системы, управляет многими процедурами - проще сказать, что НЕ входит в обязанности коммутатора, чем перечислять все его функции.

Следующими по важности компонентами сети, также входящими в NSS , я бы назвал HLR (Home Location Register - реестр собственных абонентов) и VLR (Visitor Location Register - реестр перемещений). Обратите внимание на эти части, в дальнейшем мы будем часто упоминать их. HLR , грубо говоря, представляет собой базу данных обо всех абонентах, заключивших с рассматриваемой сетью контракт. В ней хранится информация о номерах пользователей (под номерами подразумеваются, во-первых, упоминавшийся выше IMSI , а во-вторых, так называемый MSISDN -Mobile Subscriber ISDN, т.е. телефонный номер в его обычном понимании), перечень доступных услуг и многое другое - далее по тексту часто будут описываться параметры, находящиеся в HLR .

В отличие от HLR , который в системе один, VLR `ов может быть и несколько - каждый из них контролирует свою часть сети. В VLR содержатся данные об абонентах, которые находятся на его (и только его!) территории (причем обслуживаются не только свои подписчики, но и зарегистрированные в сети роумеры). Как только пользователь покидает зону действия какого-то VLR , информация о нем копируется в новый VLR , а из старого удаляется. Фактически, между тем, что есть об абоненте в VLR и в HLR , очень много общего - посмотрите таблицы, где приведен перечень долгосрочных (табл.1) и временных (табл.2 и 3) данных об абонентах, хранящихся в этих реестрах. Еще раз обращаю внимание читателя на принципиальное отличие HLR от VLR : в первом расположена информация обо всех подписчиках сети, независимо от их местоположения, а во втором - данные только о тех, кто находится на подведомственной этому VLR территории. В HLR для каждого абонента постоянно присутствует ссылка на тот VLR , который с ним (абонентом) сейчас работает (при этом сам VLR может принадлежать чужой сети, расположенной, например, на другом конце Земли).

Таблица 1. Полный состав долгосрочных данных, хранимых в HLR и VLR .

Таблица 2. Полный состав временных данных, хранимых в HLR .

Таблица 3. Полный состав временных данных, хранимых в VLR .

NSS содержит еще два компонента - AuC (Authentication Center - центр авторизации) и EIR (Equipment Identity Register - реестр идентификации оборудования). Первый блок используется для процедур установления подлинности абонента, а второй, как следует из названия, отвечает за допуск к эксплуатации в сети только разрешенных сотовых телефонов. Подробно работа этих систем будет рассмотрена в следующем разделе, посвященном регистрации абонента в сети.

Исполнительной, если так можно выразиться, частью сотовой сети, является BSS (Base Station Subsystem - подсистема базовых станций). Если продолжать аналогию с человеческим организмом, то эту подсистему можно назвать конечностями тела. BSS состоит из нескольких "рук" и "ног" - BSC (Base Station Controller - контроллер базовых станций), а также множества "пальцев" - BTS (Base Transceiver Station - базовая станция). Базовые станции можно наблюдать повсюду - в городах, полях (чуть не сказал "и реках") - фактически это просто приемно-передающие устройства, содержащие от одного до шестнадцати излучателей. Каждый BSC контролирует целую группу BTS и отвечает за управление и распределение каналов, уровень мощности базовых станций и тому подобное. Обычно BSC в сети не один, а целое множество (базовых станций же вообще сотни).

Управляется и координируется работа сети с помощью OSS (Operating and Support Subsystem - подсистема управления и поддержки). OSS состоит из всякого рода служб и систем, контролирующих работу и трафик - дабы не перегружать читателя информацией, работа OSS ниже рассматриваться не будет.

Регистрация в сети.

При каждом включении телефона после выбора сети начинается процедура регистрации. Рассмотрим наиболее общий случай - регистрацию не в домашней, а в чужой, так называемой гостевой, сети (будем предполагать, что услуга роуминга абоненту разрешена).

Пусть сеть найдена. По запросу сети телефон передает IMSI абонента. IMSI начинается с кода страны "приписки" его владельца, далее следуют цифры, определяющие домашнюю сеть, а уже потом - уникальный номер конкретного подписчика. Например, начало IMSI 25099… соответствует российскому оператору Билайн. (250-Россия, 99 - Билайн). По номеру IMSI VLR гостевой сети определяет домашнюю сеть и связывается с ее HLR . Последний передает всю необходимую информацию об абоненте в VLR , который сделал запрос, а у себя размещает ссылку на этот VLR , чтобы в случае необходимости знать, "где искать" абонента.

Очень интересен процесс определения подлинности абонента. При регистрации AuC домашней сети генерирует 128-битовое случайное число - RAND, пересылаемое телефону. Внутри SIM с помощью ключа Ki (ключ идентификации - так же как и IMSI , он содержится в SIM ) и алгоритма идентификации А3 вычисляется 32-битовый ответ - SRES (Signed RESult) по формуле SRES = Ki * RAND. Точно такие же вычисления проделываются одновременно и в AuC (по выбранному из HLR Ki пользователя). Если SRES , вычисленный в телефоне, совпадет со SRES , рассчитанным AuC , то процесс авторизации считается успешным и абоненту присваивается TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity-временный номер мобильного абонента). TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия подписчика с сетью и может периодически меняться (в том числе при смене VLR ).

Теоретически, при регистрации должен передаваться и номер IMEI , но у меня есть большие сомнения насчет того, что московские операторы отслеживают IMEI используемых абонентами телефонов. Давайте будем рассматривать некую "идеальную" сеть, функционирующую так, как было задумано создателями GSM. Так вот, при получении IMEI сетью, он направляется в EIR , где сравнивается с так называемыми "списками" номеров. Белый список содержит номера санкционированных к использованию телефонов, черный список состоит из IMEI , украденных или по какой-либо иной причине не допущенных к эксплуатации телефонов, и, наконец, серый список - "трубки" с проблемами, работа которых разрешается системой, но за которыми ведется постоянное наблюдение.

После процедуры идентификации и взаимодействия гостевого VLR с домашним HLR запускается счетчик времени, задающий момент перерегистрации в случае отсутствия каких-либо сеансов связи. Обычно период обязательной регистрации составляет несколько часов. Перерегистрация необходима для того, чтобы сеть получила подтверждение, что телефон по-прежнему находится в зоне ее действия. Дело в том, что в режиме ожидания "трубка" только отслеживает сигналы, передаваемые сетью, но сама ничего не излучает - процесс передачи начинается только в случае установления соединения, а также при значительных перемещениях относительно сети (ниже это будет рассмотрено подробно) - в таких случаях таймер, отсчитывающий время до следующей перерегистрации, запускается заново. Поэтому при "выпадении" телефона из сети (например, был отсоединен аккумулятор, или владелец аппарата зашел в метро, не выключив телефон) система об этом не узнает.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных классов доступа (с номерами от 0 до 9). Кроме того, существует несколько специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети). Информация о классе доступа хранится в SIM . Особый, 10 класс доступа, позволяет совершать экстренные звонки (по номеру 112), если пользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу, или вообще не имеет IMSI (SIM ). В случае чрезвычайных ситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрыт доступ в сеть.

Территориальное деление сети и handover .

Как уже было сказано, сеть состоит из множества BTS - базовых станций (одна BTS - одна "сота", ячейка). Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика, BTS объединяют в группы - домены, получившие название LA (Location Area - области расположения). Каждой LA соответствует свой код LAI (Location Area Identity). Один VLR может контролировать несколько LA . И именно LAI помещается в VLR для задания местоположения мобильного абонента. В случае необходимости именно в соответствующей LA (а не в отдельной соте, заметьте) будет произведен поиск абонента. При перемещении абонента из одной соты в другую в пределах одной LA перерегистрация и изменение записей в VLR /HLR не производится, но стоит ему (абоненту) попасть на территорию другой LA , как начнется взаимодействие телефона с сетью. Каждому пользователю, наверное, не раз приходилось слышать периодические помехи (типа хрюк-хрюк---хрюк-хрюк---хрюк-хрюк:-)) в музыкальной системе своего автомобиля от находящегося в режиме ожидания телефона - зачастую это является следствием проводимой перерегистрации при пересечении границ LA . При смене LA код старой области стирается из VLR и заменяется новым LAI , если же следующий LA контролируется другим VLR , то произойдет смена VLR и обновление записи в HLR .

Вообще говоря, разбиение сети на LA довольно непростая инженерная задача, решаемая при построении каждой сети индивидуально. Слишком мелкие LA приведут к частым перерегистрациям телефонов и, как следствие, к возрастанию трафика разного рода сервисных сигналов и более быстрой разрядке батарей мобильных телефонов. Если же сделать LA большими, то, в случае необходимости соединения с абонентом, сигнал вызова придется подавать всем сотам, входящим в LA , что также ведет к неоправданному росту передачи служебной информации и перегрузке внутренних каналов сети.

Теперь рассмотрим очень красивый алгоритм так называемого handover `ра (такое название получила смена используемого канала в процессе соединения). Во время разговора по мобильному телефону вследствие ряда причин (удаление "трубки" от базовой станции, многолучевая интерференция, перемещение абонента в зону так называемой тени и т.п.) мощность (и качество) сигнала может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение на канал (может быть, другой BTS ) с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения (добавлю - ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего handover `а). Handover`ы принято разделять на четыре типа:

• смена каналов в пределах одной базовой станции
• смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под патронажем того же BSC .
• переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC , но одним MSC
• переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC , но и MSC .

В общем случае, проведение handover `а - задача MSC . Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover `ами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC , а MSC лишь информируется о происшедшем.

Во время разговора мобильный телефон постоянно контролирует уровень сигнала от соседних BTS (список каналов (до 16), за которыми необходимо вести наблюдение, задается базовой станцией). На основании этих измерений выбираются шесть лучших кандидатов, данные о которых постоянно (не реже раза в секунду) передаются BSC и MSC для организации возможного переключения. Существуют две основные схемы handover `а:

• "Режим наименьших переключений" (Minimum acceptable performance). В этом случае, при ухудшении качества связи мобильный телефон повышает мощность своего передатчика до тех пор, пока это возможно. Если же, несмотря на повышение уровня сигнала, связь не улучшается (или мощность достигла максимума), то происходит handover .
• "Энергосберегающий режим" (Power budget). При этом мощность передатчика мобильного телефона остается неизменной, а в случае ухудшения качества меняется канал связи (handover ).

Интересно, что инициировать смену каналов может не только мобильный телефон, но и MSC , например, для лучшего распределения трафика.

Маршрутизация вызовов.

Поговорим теперь, каким образом происходит маршрутизация входящих вызовов мобильного телефона. Как и раньше, будем рассматривать наиболее общий случай, когда абонент находится в зоне действия гостевой сети, регистрация прошла успешно, а телефон находится в режиме ожидания.

При поступлении запроса (рис.2) на соединение от проводной телефонной (или другой сотовой) системы на MSC домашней сети (вызов "находит" нужный коммутатор по набранному номеру мобильного абонента MSISDN , который содержит код страны и сети).

Рис.2 Взаимодействие основных блоков сети при поступлении входящего вызова.

MSC пересылает в HLR номер (MSISDN ) абонента. HLR , в свою очередь, обращается с запросом к VLR гостевой сети, в которой находится абонент. VLR выделяет один из имеющихся в ее распоряжении MSRN (Mobile Station Roaming Number - номер "блуждающей" мобильной станции). Идеология назначения MSRN очень напоминает динамическое присвоение адресов IP при коммутируемом доступе в Интернет через модем. HLR домашней сети получает от VLR присвоенный абоненту MSRN и, сопроводив его IMSI пользователя, передает коммутатору домашней сети. Заключительной стадией установления соединения является направление вызова, сопровождаемого IMSI и MSRN , коммутатору гостевой сети, который формирует специальный сигнал, передаваемый по PAGCH (PAGer CHannel - канал вызова) по всей LA , где находится абонент.

Маршрутизация исходящих вызовов не представляет с идеологической точки зрения ничего нового и интересного. Приведу лишь некоторые из диагностических сигналов (таблица 4), свидетельствующие о невозможности установить соединение и которые пользователь может получить в ответ на попытку установления соединения.

Таблица 4. Основные диагностические сигналы об ошибке при установлении соединения.

Заключение

Конечно, в мире нет ничего идеального. Рассмотренные выше сотовые системы GSM не исключение. Ограниченное число каналов создает проблемы в деловых центрах мегаполисов (а в последнее время, ознаменованное бурным ростом абонентской базы, и на их окраинах) - чтобы позвонить, часто приходится ждать уменьшения нагрузки системы. Малая, по современным меркам, скорость передачи данных (9600 бит/с) не позволяет пересылать объемные файлы, не говоря о видеоматериалах. Да и роуминговые возможности не так уж безграничны - Америка и Япония развивают свои, несовместимые с GSM, цифровые системы беспроводной связи.

Конечно, рано говорить, что дни GSM сочтены, но нельзя и не замечать появления на горизонте так называемых 3G -систем, олицетворяющих начало новой эры в развитии сотовой телефонии и лишенных перечисленных недостатков. Как хочется заглянуть на несколько лет вперед и посмотреть, какие возможности получим все мы от новых технологий! Впрочем, ждать осталось не так долго - начало коммерческой эксплуатации первой сети третьего поколения намечается на начало 2001 года… А вот какая судьба уготована новым системам - взрывообразный рост, как GSM, или разорение и уничтожение, как Iridium, покажет время…

Эта статья первая из цикла статей про сотовую связь. В данном цикле я хотел бы подробно описать принципы работы сетей сотовой связи второго, третьего и четвертого поколений. Стандарт GSM относится ко второму поколению (2G).

Сотовая связь первого поколения была аналоговой и сейчас не используются, поэтому рассматривать мы ее не будем. Второе поколение является цифровым и эта особенность позволила полностью вытеснить сети 1G. Цифровой сигнал по сравнению с аналоговым более помехоустойчивый, что является крупным преимуществом в подвижной радиосвязи. Кроме того, цифровой сигнал помимо речи позволяет передавать данные (SMS, GPRS). Стоит отметить, что данная тенденция по переходу с аналогового сигнала на цифровой является характерной не только для сотовой связи.

GSM (Global System Mobile) — глобальный стандарт цифровой мобильной связи, с разделение каналов по времени TDMA и частоте FDMA. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 1980-х годов.

GSM обеспечивает поддержку услуг:

• Передачи данных GPRS
• Передача речи
• Передача коротких сообщений SMS
• Передача факса

Кроме того, существуют дополнительные услуги:

• Определение номера
• Переадресация вызова
• Ожидание и удержание вызова
• Конференц-связь
• Голосовая почта

Архитектура сети GSM

Рассмотрим подробнее из каких элементов строится сеть GSM и каким образом они взаимодействуют между собой.

Сеть GSM делится на две системы: SS (Switching System) — коммутационная подсистема, BSS (Base Station System) — система базовых станций. SS выполняет функции обслуживания вызовов и установления соединений, а также отвечает за реализацию всех назначенных абоненту услуг. BSS отвечает за функции, относящиеся к радиоинтерфейсу.

SS включает в себя:

• MSC (Mobile Switching Center) — узел коммутации сети GSM
• GMSC (Gate MSC) — коммутатор, который обрабатывает вызовы от внешних сетей
• HLR (Home Location Register) — база данных домашних абонентов
• VLR (Visitor Location Register) — база данных гостевых абонентов
• AUC (Authentication Cetner) — центр аутентификации (проверки подлинности абонента)

BSS включает в себя:

• BSC (Base Station Controller) — контроллер базовых станций
• BTS (Base Transeiver Station) — приемо-передающая станция
• MS (Mobile Station) — мобильная станция

Состав коммутационной подсистемы SS

MSC выполняет функции коммутации для мобильной связи. Данный центр контролирует все входящие и исходящие вызовы, поступающие из других телефонных сетей и сетей передачи данных. К данным сетям можно отнести PSTN, ISDN, сети передачи данных общего пользования, корпоративные сети, а также сети мобильной связи других операторов. Функции проверки подлинности абонентов также выполняются в MSC. MSC обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. На MSC возлагаются функции коммутации. MSC формирует данные, необходимые для тарификации предоставленных сетью услуг связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передаёт их в центр расчётов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления.

В системе GSM каждый оператор располагает базой данных, содержащей информацию обо всех абонентах принадлежащих своей PLMN. В сети одного оператора логически HLR – один, а физически их много, т.к. это
распределенная база данных. Информация об абоненте заносится в HLR в момент регистрации абонента (заключения абонентом контракта на обслуживание) и хранится до тех пор, пока абонент не расторгнет контракт и не будет удалён из регистра HLR.
Хранящаяся информация в HLR включает в себя:

• Идентификаторы (номера) абонента.
• Дополнительные услуги, закрепленные за абонентом
• Информацию о местоположении абонента, с точностью до номера MSC/VLR
• Аутентификационную информацию абонента (триплеты)

HLR может быть выполнен как встроенная функция в MSC/VLR, так и отдельно. Если емкость HLR исчерпана, то может быть добавлен дополнительный HLR. И в случае организации нескольких HLR база данных остаётся единой – распределённой. Запись данных об абоненте всегда остаётся единственной. К данным, хранящихся в HLR, могут получить доступ MSC и VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

База данных VLR содержит информацию о всех абонентах мобильной связи, расположенных в данный момент в зоне обслуживания MSC. Таким образом, для каждого MSC на сети существует свой VLR. В VLR временно хранится информация о услугах, и благодаря этому связанный с ним MSC может обслуживать всех абонентов, находящихся в зоне обслуживания данного MSC. В HLR и VLR хранится очень похожая информация об абоненте, но есть некоторые отличия, которые будут рассмотрены в следующих главах. Когда абонент перемещается в зону обслуживания нового MSC, VLR, подключенный к данному MSC, запрашивает информацию об абоненте из того HLR, в котором хранятся данные этого абонента. HLR посылает копию информации в VLR и обновляет у себя информацию о местоположении абонента. После того как информация обновится, MS может осуществлять исходящие/входящие соединения.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации – удостоверения подлинности абонента. AUC — центр проверки подлинности абонента, состоит из нескольких блоков и формирует ключи аутентификации и шифрации (осуществляется генерация паролей). С его помощью MSC проверяет подлинность абонента, и при установлении соединения на радиоинтерфейсе будет включена шифрация передаваемой информации.

Состав подсистемы базовых станций BSS

BSC управляет всеми функциями, относящимися к работе радиоканалов в сети GSМ. Это коммутатор, который обеспечивает такие функции, как хэндовер MS, назначение радиоканалов и сбор данных о конфигурации сот. Каждый MSC может управлять несколькими BSC.

BTS управляет радиоинтерфейсом с MS. BTS включает в себя такое радиооборудование, как приемо-передатчики и антенны, которые необходимы для обслуживание каждой соты в сети. Контроллер BSC управляет несколькими BTS.

Географическое построение сетей GSM

Каждая телефонная сеть нуждается в определенной структуре для маршрутизации вызовов к требуемой станции и далее к абоненту. В сети мобильной связи эта структура особенно важна, так как абоненты перемещаются по сети, то есть меняют свое местоположение и это местоположение должно постоянно отслеживаться.

Не смотря на то, что сота является базовой единицей системы связи GSM, дать четкое определение очень сложно. Привязать этот термин к антенне или к базовой станции невозможно, т.к. существуют различные соты. Тем не менее, сота – это некоторая географическая область, которая обслуживается одной или несколькими базовыми станциями и в которой действует одна группа контрольных логических каналов GSM (сами каналы будут рассмотрены в следующих главах). Каждой соте назначается свой уникальной номер, называемый Глобальным идентификатором соты (CGI). В сети, охватывающей, например, целую страну, число сот может быть очень большим.

Зона местоположения (LA) определяется как группа сот, в которой будет производиться вызов мобильной станции. Местоположение абонента в пределах сети связано с той LA, в которой в данный момент находится абонент. Идентификатор данной зоны (LAI) хранится в VLR. Когда MS пересекает границу между двумя сотами, принадлежащими различным LA, она передает в сеть информацию о новой LA. Это происходит только в том случае, если MS находится в режиме Idle. Информация о новом местоположении не передается в течение установленного соединения, этот процесс будет происходить после окончания соединения. Если MS пересекает границу между сотами в пределах одной LA, она не сообщает сети о своем новом местоположении. При поступлении входящего вызова к MS пейджинговое сообщение распространяется в пределах всех сот, принадлежащих одной LA.

Зона обслуживания MSC состоит из некоторого числа LA и отображает географическую часть сети, находящуюся под управлением одного MSC. Для того, чтобы направить вызов к MS информация о зоне обслуживания MSC также необходима, поэтому зона обслуживания также отслеживается и информация о ней записывается в базе данных (HLR).

Зона обслуживания PLMN представляет собой совокупность сот, обслуживаемых одним оператором и определяется как зона, в которой оператор обеспечивает абоненту радиопокрытие и доступ к своей сети. В любой стране может быть несколько PLMN, по одной на каждого оператора. Определение роуминг употребляется в случае перемещения MS из одной области обслуживания PLMN в другую. Так называемый внутри сетевой роуминг представляет собой смену MSC/VLR.

Зона обслуживания GSM представляет собой всю географическую область, в которой абонент может получить доступ к сети GSM. Зона обслуживания GSM увеличивается по мере того, как новые операторы подписывают контракты, предусматривающие совместную работу по обслуживанию абонентов. В настоящее время зона обслуживания GSM охватывает с некоторыми промежутками многие страны от Ирландии до Австралии и от Южной Африки до Америки.

Международный роуминг – это термин, который применяется в том случае, когда MS перемещается от одной национальной PLMN в другую национальную PLMN.

Частотный план GSM

GSM включает в себя несколько диапазонов частот, наиболее распространены: 900, 1800, 1900 МГц. Изначально под стандарт GSM был выделен диапазон 900 МГц. В настоящее время данный диапазон остаётся всемирным. В некоторых странах используются расширенные диапазоны частот, обеспечивающие большую ёмкость сети. Расширенные диапазоны частот называются E-GSM и R-GSM, в то время как обычный диапазон носит название P-GSM (primary).

• P-GSM900 890-915/935-960 MHz
• E-GSM900 880-915/925-960 MHz
• R-GSM900 890-925/935-970 MHz
• R-GSM1800 1710-1785/1805-1880 MHz

В 1990 г. для увеличения конкуренции между операторами, в Великобритании начали развивать новую версию GSM, которая адаптирована к диапазону частот 1800. Сразу после утверждения данного диапазона несколько стран сделали заявку на использование данного диапазона частот. Введение данного диапазона увеличило рост количества операторов, приводя к увеличению конкуренции и, соответственно, улучшению качества
обслуживания. Применение данного диапазона позволяет увеличивать емкость сети за счёт увеличения полосы пропускания и, соответственно, увеличение количества несущих. Диапазон частот 1800 использует следующие диапазоны частот: GSM 1710-1805/1785-1880 MHz. До 1997 года стандарт 1800 носил название Digital Cellular System (DCS) 1800 MHz, в настоящее время носит название GSM 1800.

В 1995 году в США была специфицирована концепция PCS (Personal Cellular System). Основной идеей этой концепции является возможность предоставления персональной связи, то есть связи между двумя абонентами, а не между двумя мобильными станциями. PCS не требует, чтобы эти услуги были реализованы на основе сотовой технологии, но в настоящее время эта технология признана наиболее эффективной для данной концепции. Частоты, доступные для реализации PCS, находятся в области 1900 МГц. Поскольку в Северной Америке стандарт GSM 900 не может быть использован из-за того, что эта полоса частот занята другим стандартом, стандарт GSM 1900 является возможностью заполнения этого пробела. Основным различием между американским стандартом GSM 1900 и GSM 900 является то, что GSM 1900 поддерживает сигнализацию ANSI.

Традиционно полоса 800 МГц была занята распространенным в США стандартом TDMA (AMPS и D-AMPS). Как и в случае со стандартом GSM 1800 этот стандарт дает возможность получения дополнительных лицензий, то есть расширяет область работы стандарта на национальных сетях предоставляя операторам дополнительную емкость.

Стандарт GSM (от названия группы Groupe Special Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) - глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи второго поколения, с разделением канала по принципу TDMA и высокой степенью безопасности благодаря шифрованию с открытым ключом. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов.

Стандарт GSM является цифровым и обеспечивает высокое качество и конфиденциальность связи и предоставляет абонентам большой набор услуг: автоматический роуминг, прием/передача данных,SMS-сервис, голосовая и факсимильная почта. Основные недостатки стандарта: искажение голоса при цифровой обработке и передаче его по радиоканалу, небольшой радиус действия базовой станции, GSM телефон не может работать при расстоянии от базовой станции в 35 км.

Сотовые телефоны стандарта GSM функционирует в 4-х диапазонах частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. Существуют также, и довольно распространены, мультидиапазонные (Dual-Band, Multi-Band) телефоны, способные работать в диапазонах 900/1800 МГц, 850/1900 МГц, 900/1800/1900 МГц.

В стандарте GSM применяется GMSK модуляция с величиной нормированной полосы В*Т - 0,3, где В - ширина полосы фильтра по уровню минус 3 дБ, Т - длительность одного бита цифрового сообщения.

GSM на сегодняшний день является наиболее распространенным стандартом связи. По данным ассоциации GSMA на данный стандарт приходится 82% мирового рынка мобильной связи, 29% населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий.

Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 890 до 915 МГц (от телефона к базовой станции) и от 935 до 960 МГц (от базовой стации к телефону).

В некоторых странах диапазон частот GSM-900 был расширен до 880-915 МГц (MS -> BTS) и 925-960 МГц (MS <- BTS), благодаря чему максимальное количество каналов связи увеличилось на 50. Такая модификация была названа E-GSM (extended GSM).

Цифровой стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 1710 до 1880 МГц:

• Максимальная излучаемая мощность мобильных телефонов стандарта GSM-1800 - 1Вт, для сравнения у GSM-900 - 2Вт. Большее время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора и снижение уровня радиоизлучения.
• Высокая ёмкость сети, что важно для крупных городов.
• Возможность использования телефонных аппаратов, работающих в стандартах GSM-900 и GSM-1800 одновременно. Такой аппарат функционирует в сети GSM-900, но, попадая в зону GSM-1800, переключается - вручную или автоматически. Но использование аппарата в двух сетях возможно только в тех случаях, когда эти сети принадлежат одной компании, или между компаниями, работающими в разных диапазонах, заключено соглашение о роуминге.

Особенность GSM-1800 состоит в том, что зона охвата для каждой базовой станции значительно меньше, чем в стандартах GSM-900, AMPS/DAMPS, NMT-450 . Необходимо большее число базовых станций. Чем выше частота излучения, тем меньше проникающая способность (характеризуется т. н. глубиной скин-слоя) радиоволн и тем меньше способность отражаться и огибать преграды.

Также смотрите:

Прежде чем разобраться в том, как работает GSM, важно понять, что такое GSM.

GSM – международный цифровой стандарт планетарного значения, название которого произошло от словосочетания «Groupe Spécial Mobile».

Этот стандарт предназначен для мобильной сотовой связи с разделением каналов. Каналы разделяются по принципу TDMA. Разработан стандарт институтом стандартизации электросвязи ещё в конце восьмидесятых годов прошлого века.

Самая первая подобная система была создана в далёком 1946 году в Соединённых Штатах Америки. Глобальное внедрение мобильной связи началось только в 1979 году.

Стандартизация

Перед стартом GSM, в самом начале восьмидесятых годов прошлого века на европейской территории работали 24 аналоговые сети. Они не были совместимы между собой, поэтому приобрёл актуальность вопрос о создании единого стандарта. Потребность в решении этой проблемы послужила поводом создания группы GSM(Group Special Mobile). В эту группу вошли представители 24 стран Европы. Система компании Mannesmann была избрана в качестве цифрового стандарта, а внедрена эта система была в 1991 году в Германии.

Под аббревиатурой GSM сегодня скрывается уже несколько иное словосочетание - Global System for Mobile. Сам стандарт GSM или его версии успешно работают в 80 странах мира.

Как работает GSM

Для того, чтобы осуществить данный вид связи на определённой территории, применяются следующие действия:

• Установка приёмо-передающих станций стационарного типа. Каждая из станций действует на относительно небольших территориях площадью в несколько километров.
• Станции располагаются таким образом, чтобы перекрывать друг друга. Это даёт возможность сигналу абонента перемещаться из одной зоны в другую, причём связь не нарушится.

Для реализации этого вида связи, на практике соседствующие станции настроены на различные частоты. Таких частот обычно около трёх. Используя три разные частоты, станции, расположенные в виде треугольника, перекрывали зоны обслуживания.

Есть ещё и четвёртая станция, которая может использовать одну из частот снова. Это возможно, так как она граничит с двумя зонами. Таким образом, зона действия станции будет напоминать шестиугольник, имея вид пчелиной соты.

GSM – модули

Каждый слышал, но не все знают, что такое GSM –модуль. Между тем это очень полезное устройство, использующее принципы GSM. Если говорить конкретнее, то gsm-модуль – это устройство, помогающее производить мониторинг местонахождения вашего автомобиля. Это устройство работает в связке с сигнализацией или мобильным телефоном. Вы можете также, в случае необходимости, блокировать двигатель.

С помощью этого модуля идентифицируется абонент мобильной связи. Об этом вы узнали, когда читали о том, что такое сеть GSM.

Преимущества и недостатки стандарта GSM

Преимущества стандарта GSM:

• Меньшие в сравнении с аналоговыми стандартами размеры и вес аппаратов. При этом время работы без подзарядки заметно больше.
• Качество связи на очень высоком уровне.
• Низкий уровень помех на заданных частотах.
• Защита от подслушивания. Также за счёт алгоритмов шифрования связь защищена от нелегального использования.
• Обширные территории распространения.
• Возможность использования роуминга. Роуминг – это возможность перемещаться из одной сети в другую, не теряя при этом своего номера

Недостатки стандарта GSM:

• Ввиду цифровой обработки речи, речь может быть несколько искажена.
• Расстояние, покрытое сетью, не слишком большое. Оно составляет лишь 120 километров.

Таким образом, пока что gsm остается развивающейся технологией, но, тем не менее, ее значение в мире невозможно переоценить. Ведь мы пользуемся ей каждый день.