Общие принципы работы сотовых сетей. Регистрация в сети. Территориальное деление сети и handover
Основные составляющие сотовой сети — это cотовые телефоны и базовые станции. Базовые станции обычно располагают на крышах зданий и вышках. Будучи включённым, сотовый телефон прослушивает эфир, находя сигнал базовой станции. После этого телефон посылает станции свой уникальный идентификационный код. Телефон и станция поддерживают постоянный радиоконтакт, периодически обмениваясь пакетами. Связь телефона со станцией может идти по аналоговому протоколу (AMPS, NAMPS, NMT-450) или по цифровому (DAMPS, CDMA, GSM, UMTS). Если телефон выходит из поля действия базовой станции, он налаживает связь с другой.
Сотовые сети могут состоять из базовых станций разного стандарта, что позволяет оптимизировать работу сети и улучшить её покрытие.
Сотовые сети разных операторов соединены друг с другом, а также со стационарной телефонной сетью. Это позволяет абонентам одного оператора делать звонки абонентам другого оператора, с мобильных телефонов на стационарные и со стационарных на мобильные.
Давайте же попробуем разобраться, как организованы и на каких принципах функционируют сети GSM.
Самая простая часть структурной схемы - переносной телефон, состоит из двух частей: собственно "трубки" - и смарт-карты SIM (Subscriber Identity Module - модуль идентификации абонента), получаемой при заключении контракта с оператором. Сам телефон снабжен уникальным номером - IMEI (International Mobile Equipment Identity - международный идентификатор мобильного устройства), который может передаваться сети по ее запросу. 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 именуют "коммутатор", а также, при проблемах со связью, винят во всех смертных грехах. Коммутатор в сети может быть и не один (в данном случае очень уместна аналогия с многопроцессорными компьютерными системами). Он 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 является HLR (Home Location Register - реестр собственных абонентов) и VLR (Visitor Location Register - реестр перемещений). 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 телефонный номер в его обычном понимании), перечень доступных услуг и многое другое.
В отличие от HLR, который в системе один, VLR`ов может быть и несколько - каждый из них контролирует свою часть сети, например какой-то определенный район или округ города. В VLR содержатся данные об абонентах, которые находятся на данный момент в сети на его (и только его!) территории (причем обслуживаются не только свои абоненты, но и зарегистрированные в сети роумеры). Как только пользователь покидает зону действия какого-то VLR, информация о нем копируется в другой VLR, а из старого удаляется.
Фактически, между тем, что есть об абоненте в HLR и в VLR много общего, но при этом есть и принципиальное отличие: 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 сейчас работает, при этом сам VLR может принадлежать чужой сети, расположенной, например, на другом конце Земли.
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.
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" - BS (Base Station - базовая станция). Базовые станции можно наблюдать повсюду - в городах, полях - фактически это просто приемно-передающие устройства. Каждый BSC контролирует целую группу BS 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).
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).
Если сеть найдена, то по запросу сети телефон передает IMSI абонента. IMSI начинается с кода страны "прописки" 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 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 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 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 - временный номер мобильного абонента. TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия с сетью и может периодически меняться.
Теоретически, при регистрации должен передаваться и номер IMEI, но российские операторы в большинстве регионов не отслеживают IMEI используемых абонентами телефонов.
Но если рассматривать некую "идеальную" сеть, функционирующую так, как было задумано создателями GSM, то 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 - 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.
Как уже было сказано, сеть состоит из множества BS - базовых станций (одна BS - одна "сота", ячейка). Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика, BS объединяют в группы, получившие название LA (Location Area - области расположения). 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 мощность (и качество) сигнала может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение на канал (может быть, другой BS) с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения, причем ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего.
Handover`ы принято разделять на четыре типа:
смена каналов в пределах одной базовой станции – с одного канала на другой.
смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под управлением того же контроллера.
переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными контроллерами, но одним коммутатором.
переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные контроллерами, но и коммутаторами.
В общем случае, проведение handover`а - задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover`ами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор, процессом смены каналов управляется BSC, а MSC лишь информируется о происшедшем.
Bluetooth — технология беспроводной передачи данных. Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильный телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, клавиатуры, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. В системе IEEE эта технология носит название 802.15.1
Связь по технологии Bluetooth устанавливается автоматически и почти мгновенно, на соединение устройств кабелем уходит больше времени. Применение средств Bluetooth, дальность действия которых, как правило, составляет около 10 м, позволяет отказаться от использования кабелей для соединения персональных электронных устройств. Например, с помощью технологии Bluetooth вы можете подключить ноутбук или карманный ПК к сотовому телефону и задействовать последний в качестве беспроводного модема.
Эта спецификация была разработана компанией Ericsson, позднее оформлена группой Special Interest Group (SIG). SIG была официально объявлена в 1999 году. Она была основана Sony Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia, а затем множество других компаний, включая Microsoft и Motorola, вступили в неё как ассоциированные члены.
Радиосвязь Bluetooth осуществляется в диапазоне 2,4 ГГц, который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях и являлся свободным от лицензирования, обеспечивая передачу данных со скоростями до 723 Кбит/с на расстоянии до 100 м. На дальность влияет мощность передатчика, который характеризуется классом Bluetooth. На данный момент существует 3 класса Bluetooth:
1 класс – максимальная мощность до 100 мВт, что позволяло достичь радиуса действия до 100 м.
2 класс – максимальная мощность до 2,5 мВт, что позволяло достичь радиуса действия до 10 м.
3 класс – максимальная мощность до 1 мВт, что позволяло достичь радиуса действия до 1 м.
Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц)[8][9]. В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты[10] (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорого.
Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду[7] (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.
Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint»[7].
Спецификации
Bluetooth 1.0
Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.
Bluetooth 1.1
В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).
Bluetooth 1.2
В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART.
Главные улучшения включают следующее:
Быстрое подключение и обнаружение.
Адаптивная перестройка частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам.
Более высокие, чем в 1.1, скорости передачи данных, практически до 721 кбит/с.
Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных.
В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART.
Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005[11].
Введены режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP.
Bluetooth 2.0 + EDR
Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радио технологий для передачи данных[12].
Стандартная (базовая) скорость передачи данных использует GFSK-модуляцию радиосигнала при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху — 2 и 3 Mбит/с соответственно[13].
Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере одно коммерческое устройство, HTC TyTN Pocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях[14].
Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества:
Увеличение скорости передачи в 3 раза (2,1 Мбит/с) в некоторых случаях.
Уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания.
Более низкое потребление энергии благодаря уменьшению нагрузки.
Bluetooth 2.1
2007 год. Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3—10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.
Bluetooth 2.1 + EDR
В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов за которые оно выполняется.
Bluetooth 3.0 + HS
3.0 + HS спецификация[13] была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (асимметричная мультипроцессорная обработка) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации[15].
Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие — по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.