Системы мобильной связи
Стратегической целью развития современных общедоступных телекоммуникаций является предоставление высококачественной связи любому потребителю в любое время в любой точке земного шара. В соответствии с этим Международной организацией по стандартизации (ISO – International Standard Organisation) разработана концепция глобальной сети связи общего пользования. Под сетью понимается множество взаимодействующих друг с другом систем, осуществляющих хранение, обработку и передачу разнообразной информации.
Глобальная сеть объединяет телефонные сети общего пользования, сети передачи данных, системы мобильной и спутниковой связи. Ею охватывается все многообразие пользовательских терминалов (проводные и бесшнуровые телефонные аппараты, персональные компьютеры, сотовые и спутниковые телефоны, аппараты факсимильной связи и пр.), линий связи (кабельных, оптических, беспроводных и т.д.), узлов коммутации (учрежденческих, районных, междугородних), систем управления, контроля и технического обслуживания. Для того, чтобы составить адекватное представление о наиболее общих чертах и архитектуре столь сложного и разветвленного образования, разумно вписать его в рамки некоторой абстрактной модели, классифицирующей элементы сети по их функциональному назначению и механизмам взаимодействия.
Понятие о модели взаимодействия открытых систем
Эта эталонная модель (OSI – Open Systems Interconnection), разработанная ISO, обычно обозначается как модель ISO/OSI и является базовой в том смысле, что для описания некоторых систем достаточна лишь часть ее компонентов. Несмотря на существование конкурентоспособных альтернатив, модель OSI получила повсеместное распространение и широко используется как концептуальная основа в информационной системотехнике.
Под открытой системой понимается система, удовлетворяющая требованиям международных организаций или требованиям производителя, контролирующего большую часть рынка сбыта. Открытость означает, что система не является чьей-то собственностью, т.е. любой производитель вправе создавать и выставлять на продажу собственный продукт (аппаратуру или программное обеспечение), предназначенный для практического доступа к услугам системы. Между производителями возникает конкуренция, что способствует снижению цены оборудования. Пользователи при этом не зависят от единственного производителя и могут менять поставщиков аппаратуры.
Диаграмма рис. 4.1 иллюстрирует схему взаимодействия элементов и уровней базовой модели, представленной в общем виде. Модель некоторых систем содержит лишь часть этих элементов. Так, системы с коммутацией каналов описываются одноуровневой моделью. Расшифруем используемые термины.
Прикладной процесс выполняет обработку данных для нужд пользователя либо с помощью некоторых аппаратно-программных средств, либо непосредственно в мозгу человека.
Под интерфейсом (стыком) понимается определенная стандартами граница между взаимодействующими объектами. Для систем мобильной связи главенствующее значение имеет радиоинтерфейс, охватывающий средства соединения между мобильной и базовой станциями.
Физические средства соединения - это совокупность аппаратуры и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов между системами.
Абонент через интерфейс пользователя дает задание прикладному процессу и получает результат его выполнения.
Рис.4.1. Модель взаимодействия открытых систем
Областью взаимодействия называется иерархическая группа функциональных блоков, предназначенных для обмена данными между системами. В базовой модели эти функции поделены на семь расположенных друг над другом слоев, именуемых уровнями, как показано на рис. 4.1.
Такое деление позволяет разбить сложную систему на ряд более простых (осуществить декомпозицию), образовать стандартные модули и интерфейсы между уровнями. Опишем кратко основные функции, закрепленные за каждым уровнем.
Верхний, седьмой прикладной уровень обеспечивает различные формы взаимодействия прикладных процессов, т. е. является прикладным интерфейсом. На этом уровне выполняется управление заданиями, идентификация пользователей по паролям, адресам, электронным подписям.
На представительном уровне осуществляется кодирование сообщений, поступающих с седьмого уровня, в нужную форму. Здесь же при необходимости осуществляется сжатие данных и шифрование.
Сеансовый уровень определяет процедуру проведения сеансов между прикладными процессами, т. е. обеспечивает установку, поддержание и разрыв соединения.
Транспортный уровень отвечает за точность доставки пакетов (блоков данных по 500 – 2000 бит), по виртуальным каналам, проложенным между портами.
Сетевой уровень создает виртуальные каналы – пути, по которым данные передаются от одного порта к другому.
На канальном уровне производится формирование и передача кадров (блоков данных), обнаружение и исправление ошибок.
Физический уровень создает интерфейсы для подключения систем к физическим средствам соединения (электрическим и оптическим кабелям, радиоэфиру вместе с аппаратурой передачи данных). Он отвечает за передачу последовательности бит, оповещает о появлении неисправностей и отказов (столкновении кадров, обрывов, отключении питания).
Хотя все сообщения передаются через первый – физический уровень, в модели OSI определены также логические каналы, понимаемые как пути, по которым передаются сигналы или данные между одноименными уровнями. Так, путь, связывающий четвертые уровни, называется транспортным каналом, путь между третьими – сетевым, вторыми – информационным и, наконец, собственно физическим каналом, называется путь, соединяющий первые уровни. Особое место занимает логический канал трафика (пользовательский канал), обеспечивающий обмен данными между абонентами.
При технической реализации систем логические каналы проектируются на физические, т. е. указывается, какой физический канал в данный момент времени выделяется для организации конкретного логического канала.
Эталонная модель обладает свойствами прозрачности и доступности сервиса. Прозрачность означает, что данные, переданные с какого-то уровня на нижние, на приемной стороне возвращаются на этот же уровень без изменений. Создается видимость, что для рассматриваемых одноименных уровней нижних не существует, они прозрачны. Ярким примером прозрачного объекта может служить телефонный тракт. Большинство людей, пользующихся телефоном, даже не имеют представления о преобразованиях, которым подвергается их речь в телефонном канале.
Под доступностью сервиса понимается возможность использования всеми верхними уровнями услуг (сжатие данных, защита от помех, от несанкционированного использования информации), выполняемых на нижних уровнях.
На рис. 4.1 линиями, соединяющими одноименные уровни, обозначены протоколы – правила взаимодействия двух (или более) объектов. Названия протоколов совпадают с названиями соответствующих уровней, например, существуют сеансовые, транспортные, сетевые протоколы.
Протоколы должны удовлетворять определенным требованиям. Прежде всего, протокол – это последовательность шагов, выполняемых взаимодействующими объектами добровольно, в порядке строгой очередности для достижения поставленной цели. Далее, протокол должен содержать описание действий его участников при любых возникающих ситуациях (должны быть исключены тупиковые ситуации). Правила игры в шахматы, в шашки являются примерами протоколов.
Следует упомянуть о существовании криптографических протоколов, обеспечивающих достижение цели в условиях возможного мошенничества, как со стороны законных пользователей, так и внешнего нарушителя. Примером такого протокола может служить аутентификация абонента.
Для описания систем мобильной связи базовая семиуровневая модель трансформируется путем деления на два укрупненных слоя. В стандартах GSM и TETRA верхние уровни с четвертого по седьмой образуют один слой, нижние (с первого по третий) – другой. При передаче речи функции седьмого и шестого уровней выполняет человек. В его мозгу зарождается сообщение, он выбирает язык общения. Задачи, решаемые на пятом и четвертом уровнях, важны для соединительных линий, объединяющих отдельные системы связи в единую сеть. Поэтому указанные системы описываются трехуровневой моделью, включающей лишь сетевой, канальный и физический уровни.