Системы радиосвязи и сети телерадиовещания.-3

Рис 3.4. Процедура корректировки местоположения.

Общий состав секретной информации и ее распределение в аппаратных средствах GSM

В соответствии с рассмотренными механизмами безопасности, действующими в стандарте GSM, секретной считается следующая информация:

RAND - случайное число, используемое для аутентификации подвижного абонента;

SRES - значение отклика - ответ подвижной станции на полученное случайное число;

Ki - индивидуальный ключ аутентификации пользователя, используемый для вычисления, значения отклика и ключа шифрования;

Кс - ключ шифрования, используемый для шифрования/дешифрования сообщений, сигналов управления и данных пользователя в радиоканале;

A3 - алгоритм аутентификации, используемый для вычисления значения отклика из случайного числа с использованием ключа Ki;

А8 - алгоритм формирования ключа шифрования, используемый для вычисления ключа Кс из случайного числа с использованием ключа Ki;

А5 - алгоритм шифрования/дешифрования сообщений, сигналов управления и данных пользователя с использованием ключа Кс;

CKSN - номер ключевой последовательности шифрования, указывает на действительное число Кс, чтобы избежать использования разных ключей на передающей и приемной сторонах;

TMSI - временный международный идентификационный номер пользователя.

Обеспечение секретности при обмене сообщениями между HLR, VLR и MSC

Основным объектом, отвечающим за все аспекты безопасности, является центр аутентификации (AUC). Этот центр может быть отдельным объектом или входить в состав какого-либо оборудования, например, в регистр местоположения (HLR). Как управлять AUC будет решать тот, кому будет поручена эксплуатация сети. Интерфейс GSM с AUC не определен.

AUC может решать следующие задачи:

формирование индивидуальных ключей аутентификации пользователей Ki и соответствующих им международных идентификационных номеров абонентов

(IMSI);

формирование набора RAND/SRES/Kc для каждого IMSI и раскрытие этих групп для HLR при необходимости. .

Если подвижная станция переходит в новую зону расположения с новым VLR, новый VLR должен получить секретную информацию об этой подвижной станции. Это может быть обеспечено следующими двумя способами:

подвижная станция проводит процедуру идентификации по своему международному номеру IMSI. При этом VLR запрашивает у регистра местоположения HLR группы данных RAND/SRES/Kc, принадлежащих данному

IMSI;

подвижная станция проводит процедуру аутентификации, используя прежний временный номер TMSI с наименованием зоны расположения LAI. Новый VLR

запрашивает прежний VLR для посылки международного номера IMSI и оставшихся групп из RAND/SRES/Kc, принадлежащих этим TMSI/LAI.

Если подвижный абонент остается на более длительный период в VLR, тогда после некоторого количества доступов с аутентификацией VLR из соображений секретности потребует новые группы RAND/SRES/Kc от HLR.

Все эти процедуры определены в Рекомендации GSM 09.02.

Проверка аутентификации выполняется в VLR. VLR посылает RAND на коммутационный центр (MSC) и принимает соответствующие отклики SRES. После положительной аутентификации TMSI размещается с IMSI. TMSI и используемый ключ шифрования Кс посылаются в центр коммутации (MSC). Эти же процедуры определяются в Рекомендации GSM 09.02.

Эволюция стандарта GSM

Когда в 1991 г. появились первые сети GSM главное внимание уделялось обеспечению ими услуг речевой связи на достойном уровне по сравнению с существовавшими тогда аналоговыми сотовыми системами. Однако уже с самого начала технология GSM была способна предложить несколько новых видов услуг, которые незамедлительно привлекли внимание определенной категории пользователей. Наиболее существенными нововведениями стали возможности шифрования передаваемой информации и роуминга по всей Европе.

Следующим шагом развития GSM было введение услуг пересылки коротких сообщений (Short Message Service SMS) и передачи данных. Сначала возможности услуг SMS ограничивались уведомлением о поступлении сообщения в ящик голосовой почты. С 1995 г., сервис SMS стал расширяться. Сегодня пользователи систем GSM имеют возможность посылать друг другу короткие сообщения непосредственно с телефонной трубки или через компьютерные сети. Период с конца 1994 г. до начала 1995 г. время бурного развития услуг передачи данных. Это было обусловлено появлением привлекательных радиотелефонов и тем, что значительное число сетей GSM стали способны поддерживать такие услуги. Широкое распространение портативных ПК позволяет абонентам сетей GSM получать доступ к компьютерным системам их офисов, а также посылать и принимать сообщения электронной почты через сети GSM.

Изначально развитие GSM планировалось таким образом, что любая новая услуга или техническое новшество должны были вводиться одновременно во всех сетях GSM. Это привело к так называемому поэтапному развитию GSM. Введение в строй сетей GSM в 1991 г. было, фактически, первым этапом . Второй этап развития GSM обеспечил такие дополнительные услуги, как, определение номера вызывающего абонента, удержание линии, групповой вызов, определение закрытой группы абонентов, выдача информации о плате за разговор. Другое важное новшество, которое было реализовано вскоре после

междугородный/международный трафик. Так, один абонент может послать другому сообщение из другой страны и оплачивать его по обычному внутреннему тарифу.

Поступающие в центр SMS короткие сообщения фиксируются в базе данных системы и отправляются адресатам в соответствии с прописанной схемой доставки. Доставленное сообщение удаляется из базы данных (схема удаления тоже является настраиваемой). Для организации маршрута доставки сообщения центр SMS взаимодействует с базой данных HLR (Home Location Register - база данных с информацией о клиентах оператора мобильной связи). В случае невозможности доставить сообщение в данный момент времени (абонент находится вне зоны обслуживания, в метро или терминал выключен) центр SMS периодически возобновляет попытки передачи (после активизации терминала). Длина сообщения для технологии SMS определяется соответствующими стандартами и может доходить до 160 символов.

Несмотря на очевидную привлекательность и удобство перечисленных выше возможностей, следует тем не менее выделить главное достоинство технологии SMS - ее способность интегрироваться с другими сетевыми информационными технологиями и предоставлять абоненту мобильной сотовой сети универсальное средство эффективного доступа ко всему многообразию типов и видов передачи текстовой информации. Иными словами, технология SMS обеспечивает возможность взаимодействия и обмена информацией между абонентами различных сетей (см. нижнюю часть рисунка).

Работа с системой интерактивного речевого взаимодействия

Взаимодействие центра SMS с системой IVR (Interactive Voice Response - интерактивное речевое взаимодействие) позволяет посылать на мобильный телефон короткие сообщения с телефона как фиксированной, так и любой другой телефонной сети. Единственное условие здесь - наличие у телефонного аппарата возможностей тонового набора. В рамках сеанса взаимодействия с системой IVR отправитель имеет возможность либо выбрать и отправить предопределенное сообщение из имеющейся библиотеки (например, “С добрым утром”, “С Новым годом”), либо самостоятельно набрать сообщение с тастатуры телефона (в последнем случае желательно, чтобы на аппарате отправителя имелся дисплей).

Взаимодействие со службой Web

Интеграция центра SMS со службой Web позволяет любому пользователю ПЭВМ, подключенному к сети Интернет, обмениваться короткими сообщениями с абонентом сотовой сети. При этом возможны следующие варианты обмена сообщениями:

•Отправка сообщения с ПЭВМ на “трубку” - отправитель из Web-интерфейса вводит идентификатор интересующего его абонента (в общем случае номер телефона), текст сообщения и нажимает кнопку, инициирующую отправку этого сообщения абоненту.

•Прием посланного с трубки сообщения через Web-сервер. Такую возможность технология SMS предоставляет посредством размещения посланных сообщений на сайте оператора. Абонент сети сотовой связи (подписчик услуги SMS) может открыть соответствующую страницу и прочитать оставленные ему сообщения с любого подключенного к Интернет компьютера с Web-браузером, независимо от своего местонахождения. Такая возможность особенно важна в тех случаях, когда абонент, перемещаясь, выходит из зоны охвата сотовой сети, но имеет доступ к Интернет. В результате абонент оказывается доступным и за пределами зоны охвата. Следует упомянуть, что рассмотренный доступ удобен и сам по себе, особенно при прочтении большого объема накопившихся сообщений.

Естественно, что возможность получения абонентом информации предполагает процедуру идентификации обращающегося. Вопрос о том, размещать или не размещать адресованную ему информацию на Web-сервере (иными словами, дублировать ее или нет) решает сам абонент путем выполнения индивидуальных настроек, которые также могут осуществляться в режиме интерактивного обмена короткими сообщениями.

Работа с электронной почтой

Взаимодействие центра SMS и электронной почты позволяет абоненту мобильной сети динамично отслеживать поступление новых сообщений и вести обмен сообщениями. Технология обеспечивает следующие варианты обмена:

•Отправка сообщения E-mail с “трубки”.Абонент набирает на дисплее трубки адрес и текст сообщения и передает эту информацию центру SMS, который обеспечивает отправку сообщения по заданному адресу.

•Получение сообщения E-mail абонентом мобильной сети на “трубку”. Каждому абоненту сотовой сети ставится в соответствие некий электронный адрес, идентифицирующий его в пространстве электронных адресов данного оператора (например, абонент с номером 9876543 может иметь электронный адрес 9876543@mail.mobil.com). Поступающая на этот адрес электронная почта направляется центром SMS на мобильный телефон абонента. В зависимости от объема письма будет посылаться либо все сообщение, либо его часть. Получение абонентом мобильной сети уведомлений о поступлении электронной почты. В этом случае абонент будет оперативно принимать на трубку сообщения о поступлении новых электронных писем. Настройки данного сервиса позволяют получать либо просто информацию о количестве новых писем (например, “5 new E-mail”), либо краткую информацию о письме - отправитель, дата отправки, тема и др. Оперативная информированность позволит абоненту в удобном ему месте принять весь объем почты с помощью ПЭВМ.

Взаимодействие с ИБС и управление услугами

Технология SMS предоставляет оператору мощный инструментарий в части организации предоставления абонентам сотовых сетей широкого спектра услуг, связанных с функционированием информационно-биллинговой системы (ИБС).

Как известно, большинство услуг, предоставляемых абоненту сети мобильной связи, платные. Тарифы на них и динамику их использования отслеживает ИБС. С одной стороны, возможность оперативного включения и отключения определенных услуг и управления ими позволила бы абоненту оптимизировать эксплуатацию “трубки”, т. е. получить максимальный сервис при минимуме затрат. С другой стороны, уверенность в том, что он не переплачивает, снижает для абонента психологический порог при подписке на новые, предлагаемые оператором услуги. Для операторов же этот процесс означает упрощение введения новых сервисов, увеличение графика и рост общего дохода. Именно такую возможность оперативного и динамического управления услугами и предоставляет технология SMS.

Сервис коротких текстовых сообщений реализует для абонента интерактивный режим взаимодействия с ИБС и компонентами активизации услуг мобильной связи. Рассмотрим некоторые типовые примеры такого взаимодействия:

•Запрос об остатке на счете. Позволяет абоненту сети получить данные о состоянии своего счета, сделав стандартный запрос.

•Информирование о приближении к порогу отключения. Заблаговременно уведомляет абонента о приближении к порогу отключения и о тех действиях, которые оператор предпримет при достижении известного минимального значения баланса. Это, как правило, постепенное, пошаговое отключение услуг, а затем и собственно связи.

•Информирование абонента о скорости расходования средств в процессе разговора. Позволяет абоненту посредством стандартного запроса контролировать динамику расходования средств.

•Прием платежей по картам авансовых платежей. Абонент формирует сообщение по активации карты (информация о номере карты, ее номинале или величине оприходуемой суммы при частичной активации) и отправляет его. В ответ поступает сообщение, подтверждающее увеличение баланса на соответствующую сумму. Данный способ выгодно отличается от ак-тивизации карт в системе IVR, так как при этом не только не занимается речевой канал, но и все происходит наглядно, одной итерацией, без возможных при речевых итерациях ошибок и необходимости их исправления.

•Подключение и отключение услуг. Абонент короткой командной строкой может включать или отключать практически любые из предоставляемых ему оператором услуг:

-включение/отключение роуминга при пересечении границы государства;

-включение/отключение услуги постоянного информирования о чем-либо (например, о поступлении E-mail);

- включение/отключение услуг речевой почты, получения рекламной информации и т. п.

Работа со справочно-информационными сетями

Взаимодействие со справочно-информационными общественными и коммерческими сетями - а их число непрерывно растет - позволяет абоненту иметь на экране дисплея самую разнообразную оперативную информацию, спектр которой в перспективе ограничен только фантазией поставщиков такой информации.

Говоря о получении на дисплей мобильного телефона информации, следует различать два возможных режима ее поступления:

•Режим “пассивного” получения циркулярно рассылаемой информации, подписчиком на которую является данный абонент. Такой информацией уже сегодня могут быть курс основных валют, прогноз погоды, новости и т. п., Периодичность получения данных в таком режиме задается самим абонентом.

•Режим интерактивного взаимодействия с информационными базами данных посредством коротких сообщений. Такой режим обеспечивает гибкое перемещение по базе данных и позволяет абоненту проникнуть на любой уровень глубины и детализации информации. Примерами такого применения могут быть телебанкинг, получение кросскурсов валют, котировок на бирже, расписания движения транспорта, информации о товарах и услугах и пр.

Концепция технологии SMS

В рамках возможностей сигнализации ОКС № 7 технология SMS для своего воплощения подразумевает программно-аппаратную реализацию трех уровней подсистемы передачи сообщений (МТР1, МТР2 и МТРЗ), уровня управления соединениями SCCP и уровня подсистемы поддержки транзакций ТСАР (см. рисунок).

Уровень SCCP в данном случае отвечает за передачу блоков данных сигнализации (собственно сообщений) в рамках процедур услуг, не ориентированных на соединение. Уровень ТСАР (взаимодействуя с SCCP и МТР) в технологии SMS обеспечивает корректность передачи сообщений через сеть (подуровень транзакций TSL) и результативность этих передач (компонентный подуровень CSL). На рисунке показаны все эти реализуемые технологией SMS компоненты, а также компоненты, отвечающие за организацию мобильной связи для стандартов GSM (подсистема MAP) и NMT (подсистема MUP).

При проектировании современного центра SMS учитываются основополагающие принципы модели взаимодействия открытых систем ( OSI ), что позволяет интегрировать

решения технологии SMS в единую аппаратно-программную масштабируемую платформу для всего многообразия внедряемых служб сети. Такая концепция архитектуры позволяет операторам минимизировать затраты на внедрение новых технологий, таких, как IVR (интерактивное речевое взаимодействие), Prepaid (предоплаченные телефонные карты), VMS (речевая почта), и осуществлять их на базе универсального контроллера, реализующего все необходимые компоненты передачи и управления соединениями, причем как для подуровней сервисов, ориентированных на соединение, так и для сервисов с коммутацией пакетов, а также для их комбинаций. Подсистемы ISUP и INAP наряду с рассмотренными выше позволяют внедрять весь комплекс современных услуг связи.

Рис. 3.6 Место сервиса SMS в структуре протоколов ОКС N 7

В ходе внедрения технологии SMS оператор сети мобильной связи попутно решает две важные задачи:

•повышение информативной плотности имеющихся канальных ресурсов за счет использования возможностей сигнализации ОКС № 7 для передачи данных;

•углубление интеграции ресурсов и служб сети.

General Packet Radio Service

Протокол GPRS (пакетный радио-сервис общего назначения) используется для передачи данных, обеспечивая мобильным сетям совместимость с сетью Интернет. GPRS использует пакетную технологию для эффективной передачи неравномерного (burst) трафика. Протокол поддерживает скорость передачи от 9,6 Кбайт/с до более чем 150 Кбайт/с на одного пользователя.

GPRS позволит ввести принципиально новые услуги, которые раньше не были доступны. Прежде всего это мобильный доступ к ресурсам Интернета с удовлетворяющей потребителя скоростью, мгновенным соединением и с очень выгодной системой тарификации. Например, при просмотре с помощью системы GPRS WEB-страницы в Интернете, мы можем изучать содержимое столько, сколько нам необходимо, поскольку платим только за принятую информацию и не платим за время нахождения в сети Интернет (не передавая данные, мы не занимаем каналы сети). При введении повременной оплаты на фиксированных телефонных линиях, тарифы на доступ в Интернет с мобильного GPRS-телефона будут еще более конкурентоспособны.

Технология GPRS позволит быстро передавать и получать большие объемы данных, видеоизображения, музыкальные файлы стандарта MP-3 и другую мультимедийную информацию.

Для тех абонентов, кто уже оценил удобство использования телефонов с WAP - браузером, внедрение технологии GPRS означает практически мгновенную загрузку WAP - страниц на экране телефона и более выгодную систему тарификации.

Для корпоративных пользователей система GPRS может послужить отличным инструментом для обеспечения безопасного и быстрого доступа сотрудников к корпоративным сетям предприятий, к почтовым, информационным серверам, удаленным

базам данных. При этом появится возможность получать доступ к корпоративным сетям даже если абонент находится в сети другого GSM оператора, с которым организован GPRS-роуминг.

Технологии GPRS может применяться в системах телеметрии: устройство может быть все время подключено, не занимая при этом отдельный канал. Такая услуга может быть востребована службами охраны, банками для подключения банкоматов и в других областях, в том числе и промышленных.

На структурном уровне систему GPRS можно разделить на 2 части: подсистему базовых станций и ядро сети GPRS (GPRS Core Network). В подсистему базовых станций входят все контроллеры и базовые станции системы GSM, которые поддерживают пакетную передачу данных на программном и аппаратном уровне. Ядро сети GPRS включает в себя совершенно новые сетевые элементы, предназначенные для обработки пакетов данных и обеспечения связи с сетью Интернет.

Основным сетевым элементом является пакетный коммутатор - SGSN (Serving GPRS Support Node). Данный сетевой элемент берет на себя все функции обработки пакетной информации и преобразования кадров GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP глобальной компьютерной сети Internet. Пакетный коммутатор призван разгрузить GSM коммутатор, обеспечивая обработку пакетной информации, оставляя обычному коммутатору лишь голосовой трафик.

Вторым важным сетевым элементом является GPRS шлюз - GGSN (Gataway GPRS Support Node). Он обеспечивает связь системы GPRS с пакетными сетями передачи данных: Internet, X.25 и др. GGSN содержит всю необходимую информацию о сетях, куда абоненты GPRS могут получать доступ, а также параметры соединения.

Кроме упомянутых элементов в GPRS Core входят другие элементы: DNS (Сервер доменных имен), Charging Gateway (Шлюз для связи с системой тарификации), Border Gateway (Пограничный шлюз) и другие вспомогательные элементы.

Следует отметить широкие возможности масштабирования системы GPRS. При быстром увеличении количества абонентов, пользующихся услугой пакетной передачи данных возможно увеличение емкости системы GPRS за счет расширения или установки дополнительных пакетных коммутаторов (SGSN). При увеличении суммарного объема данных, передаваемых абонентами (при несущественном увеличении числа абонентов), возможна установка дополнительных GPRS - шлюзов, которые обеспечат большую суммарную пропускную способность всей системы, а также расширение системы базовых станций. Таким образом, наращивая систему GPRS, оператор сможет обеспечивать высокое качество услуг, основанных на пакетной передаче данных.

Для того, чтобы использовать возможность передачи данных посредством системы GPRS, требуется специальные терминалы, поддерживающие работу в режиме GPRS. Стандартами определены 3-класса GPRS терминалов:

класс А - терминал позволяет осуществлять одновременно голосовое соединение и работу в режиме GPRS;

класс В - терминал поддерживает и голосовое соединения и передачу данных в пакетном режиме (GPRS), но эти режимы используются не одновременно (во время передачи данных через GPRS абонент не может совершать и принимать голосовые звонки и наоборот);

класс С – терминал работает только в режиме GPRS

В сетях, поддерживающих GPRS, предусмотрен поэтапный путь наращивания скорости передачи данных; максимальная реальная скорость приема и передачи, которую на первом этапе сможет поддерживать система GPRS, равна 107 Кбит/с.

Сегодня основные ограничения накладывают абонентские терминалы. Скорость приема и передачи информации, которую может обеспечить мобильный терминал, зависит от количества каналов, которые терминал поддерживает на прием и передачу. Один канал

поддерживает передачу информации с максимальной скоростью 13.4 кбит/с. Таким образом, количество каналов, которые будет поддерживать конкретная модель терминала будет определять максимальные возможные скорости, на которых возможна передача и прием информации.

При использовании системы пакетной передачи абонент получает и отправляет данные с переменной скоростью, которая определяется условиями распространения сигнала и наличием свободных каналов в пределах заданной соты. При этом динамическое выделение каналов производится исходя из приоритета голосовых каналов, т. е. система автоматически выделяет под пакетную передачу все каналы, не занятые передачей голоса. Таким образом, реальная скорость приема и передачи будет во многом зависеть от загруженности голосовых каналов в пределах каждой конкретной соты.

Перспектива появления новых аппаратов с поддержкой большого количества каналов, а значит, работающих на максимально возможных скоростях передачи данных (до 115 Кбит/с), вызывает определенное беспокойство у некоторых специалистов. Дело в том, что потенциально устройства GPRS при работе на высоких частотах могут выходить за рамки максимально допустимого уровня радиационного излучения. Повторим еще раз, речь идет только о высоких скоростях обмена, поскольку, например, канал GPRS, работающий со скоростью 30-40 Кбит/с, излучает максимум 0.75 Вт. Это конечно больше, чем фактическое излучение терминала стандарта GSM, но в пределах нормы. Средний уровень мощности излучения еще ниже, поскольку передатчик работает только тогда, когда передаются данные, а в остальное время он выключен. При передаче файла из телефона в базовую станцию передатчик работает постоянно; при передаче текстовых сообщений или во время веб-браузинга он включается редко, что снижает мощность излучения до нескольких милливатт.

Основными характеристиками протокола GPRS являются эффективное использование радио- и сетевых ресурсов, а также полностью прозрачная поддержка протокола IP. GPRS оптимизирует использование сетевых и радиоресурсов. Протокол GPRS использует радиоресурсы только в тех случаях, когда реально требуется принять или передать данные. Используя пакетную технологию, этот протокол позволяет приложениям использовать сетевые ресурсы только тогда, когда пользовательские приложения имеют данные для передачи через сеть. Таким образом, протокол адаптирован к неравномерному характеру графика пользовательских приложений.

Еще одной важной характеристикой GPRS является обеспечение немедленного соединения и высокая пропускная способность. Поддерживаются приложения, базирующиеся на стандартных протоколах передачи данных, таких, как IP и Х.25. В GPRS обесточиваются 4 различных уровня качества обслуживания. Для поддержки приложений передачи данных Протокол GPRS использует несколько новых сетевых узлов, в дополнение к сетевым узлам, применяемым в GSM PLMN. Эти узлы отвечают за маршрутизацию графика и реализацию других функций обмена с внешними сетями коммутации пакетов, поиск абонентов, выбор ячеек, роуминг и многие другие функции, требуемые для обеспечения работы сотовой сети. Кроме того, GPRS использует протоколы GSM SMS и GSM MM (последний в GPRS называется GMM).

Рис. 3.7 Маршрут передачи GPRS