Беспроводные линии GSM. Протоколы, стандарты, безопасность в сетях GSM

Пользователей GSM (пользователей мобильных телефонов) больше, чем пользователей Интернета. Многих GSM-пользователей интересуют два вопроса:

Как использовать GSM-сеть для подключения компьютера к Интернету.
Как отправлять информацию непосредственно с мобильного телефона в Интернет (или как просматривать web-страницы с помощью мобильного телефона).

Попытаемся ответить на эти вопросы.

Стандарт GSM опубликован Европейским Телекоммуникационным Институтом Стандартизации (European Telecommunications Standard Institute ETSI).

Система GSM покрывает территорию, разбивая ее на ячейки - соты. Отсюда и название - сотовая связь. Каждая сота обслуживается одной BTS (Base Transceiver Station) - базовой станцией передатчика, попросту говоря передатчиком. Отдельные ячейки могут пересекаться (накладываться друг на друга), как показано на рисунке 1. При перемещении пользователя мобильного телефона из одной соты в другую, сота передает управление следующей соте - той, в которую переместился пользователь.

Давайте упростим задачу и будем считать, что наша система выглядит как на рисунке 2.

Что бы работала вся система GSM, очень важно отслеживать координаты пользователя. Несколько ячеек формируют область. Сеть постоянно обновляет информацию о местонахождении пользователя. Если нужно например найти пользователя, проверяются все ячейки определенной области.

Стандарт GSM использует две частоты:

Первичная частота - 900 МГц. Полоса пропускания - 25 МГц, то есть диапазон от 890 до 915 МГц или от 935 до 960 МГц.
Вторичная частота - 1800 МГц. Используются две полосы: от 1710 до 1785 МГц и от 1805 до 1880 МГц, то есть полоса пропускания в три раза выше, чем у GSM 900 (составляет 75 МГц).

Выделенные полосы пропускания делятся на секции по 200 КГц, использующиеся как станциями BTS, так и самими мобильными телефонами. Теоретически, первичная частота содержит 124 частоты. Так как две крайние обычно не используются, то у нас остается 122 частоты.

Одна ячейка может использовать 122/9 частот, то есть 13. На практике же одну занимает BTS, а остальные (от 4 до 12) используются мобильными телефонами.

На рисунке 3 изображена инфраструктура GSM:

Радио-интерфейс - используется для связи между станцией BTS и мобильным телефоном.
BTS (Base Transceiver Station) - станция передатчика.
BSC (Base Station Controller) - станция, контролирующая пару станций BTS.
NSS (Network and Switching System) - система, переключающая (коммутирующая) вызовы. Каждый вызов, даже в пределах одной соты, коммутируется системой NSS. Система NSS может передавать вызовы в другие сети; для своей работы она использует сигнализацию SS7, которая была рассмотрена при рассмотрении технологии ISDN.

Система NSS состоит из:

MSC (Mobile Services Switching Center) - центр переключения услуг, управляющий несколькими BSC.
HLR (Home Location Register) - реестр домашних абонентов, содержащий информацию о пользователях - имя, предоставленные сервисы и т. д., то есть базу данных. Аутентификационный центр, также является частью HLR.
VLR (Visitors Location Register) - реестр активных абонентов, содержащий базу данных посещений пользователей (данная информация не содержится в HLR).
GSMC - шлюз, на который перенаправляются все входящие вызовы.
Network Control - центр управления сетью.

Для организации связи между BTS и мобильными телефонами используются коммуникационные каналы. Основной канал, применяющийся для связи, называется TCH (Traffic Channel). Существует несколько типов TCH:

TCH/F канал (F = полная скорость).
ТСН/Н канал (Н = половина скорости).
ТСН/8 канал (1/8 возможной скорости).

Каждый из этих типов каналов ассоциируется с одним медленным SACCH-каналом. Данный канал используется для передачи приблизительно двух сообщений в секунду, в зависимости от типа канала - TCH/F.

Каждая частота передачи делится на восемь слотов (то есть одна частота может использоваться восемью пользователями). Каждый слот может передавать один TCH/F канал, то есть голос со скоростью 13 Кбит/с или данные со скоростью 12.6 Кбит/с.

Слот канала TCH/F также содержит SACCH-канал. Оба канала создают один ассоциированный канал, называемый TACH/F. Это же касается и канала ТСН/Н: только в данном случае создается ассоциированный канал ТАСН/Н.

Теоретически, если не использовать сервисные каналы, можно разделить одну частоту между восемью пользователями, то есть одна частота будет использована для передачи восьми вызовов.

Но кроме каналов TACH/F и ТАСН/Н, которые используются для передачи информации пользователя, сеть GSM использует несколько сервисных каналов:

Канал синхронизации SCH (synchronization channel) и канал коррекции FCCH. Оба эти канала гарантируют синхронизацию в пределах ячейки (GSM используют только синхронную связь).
ВССН (Broadcast Control Channel) - широковещательный управляющий канал. Каждая ячейка индицируется в этом канале. Данный канал позволяет определить следующую ячейку при перемещении пользователя. ВССН-канал обрабатывается мобильным телефоном, даже если тот выключен. Это значит, что ваше месторасположение можно определить, даже если вы выключили телефон (если же вы не хотите, что бы кто-то узнал о вашем местоположении, отключите аккумулятор вашего мобильного телефона).
PAGCH (Paging and Access Channel) - сигнализирует о входящем звонке в пределах определенной области.
RACH (Random Access Channel) - используется для связи мобильного телефона и сети. Этот канал задействуется, когда пользователь мобильного телефона хочет кому-то позвонить, т.е. при создании исходящего вызова. Поскольку этот канал использует случайный доступ, могут возникнуть коллизии.
CBCH (Cell Broadcast Channel) - канал используется неактивными телефонами: по этому каналу телефоны отправляют сообщения (приблизительно 80 байтов) каждые две минуты, информируя сеть о своей готовности. Сервисные каналы FCCH, SCH, ВССН и PGCH являются частью одного канала TACH/F (занимают часть его полосы).

Как мы уже знаем, соты сети GSM обслуживаются станцией BTS, которая может содержать 1, 4 или 12 передатчиков. В соте (ячейке) используется следующая установка каналов:

Для 1-го передатчика (8 слотов):
1 слот для каналов FCCH, SCH, ВССН, PAGCH, RACH и 4х ТАСН/8.
7 слотов для TACH/F, то есть одна ячейка может обслуживать одновременно 7 вызовов.
Для 4-х передатчиков (всего 4 х 8 = 32 слота):
1 слот для каналов FCCH, SCH, ВССН, PAGCH, RACH.
2 слота для 8х ТАСН/8.
29 слотов для TACH/F, то есть одна ячейка может обслуживать одновременно 29 вызовов.
Для 12-ти передатчиков:
1 слот для каналов FCCH, SCH, ВССН, PAGCH, RACH.
5 слотов для 8х ТАСН/8.
87 слотов для TACH/F, то есть одна ячейка может обслуживать одновременно 87 вызовов.

Подключение компьютера к Интернету через сеть GSM

Один из возможных способов подключения к Интернету через сеть GSM заключается в использовании сервисов GSM для передачи данных. При этом задействуется канал TCH/F.

Мобильный телефон подключается к компьютеру с помощью адаптера RA-0, который является частью мобильного телефона или компьютера. Данный адаптер преобразует асинхронный сигнал в синхронный, который будет передаваться по каналу TCH/F.

На рисунке 4 показано, как компьютер подключается к адаптеру RA-0 (Rate Adaptation 0) через асинхронный СОМ-порт. Адаптер преобразует асинхронный сигнал в синхронный, который будет передан мобильным телефоном через BTS другому специальному модулю сети GSM - устройству TRAU (Transcoder/Rate Adapter Unit).

Адаптер RA-0 заполняет канал незначительными колебаниями для достижения скорости 8 Кбит/с или 16 Кбит/с. Модуль TRAU также добавляет в полученный канал колебания - для достижения скорости 64 Кбит/с. Такой сигнал может быть обработан обычными телефонными станциями.

Затем сигнал из NSS попадает как один из В-каналов ISDN на маршрутизатор интернет-провайдера. Провайдер обычно подключен к NSS по линии Е1 или ЕЗ, поэтому одновременно к Интернету могут подключиться несколько пользователей.

После установки канала для передачи данных из сети GSM в Интернет все происходит как обычно: пользователь будет работать по протоколу РРР, который используется, в том числе, и для аутентификации пользователя.

Описанный способ подключения к Интернету имеет два основных недостатка:

Очень низкая скорость передачи данных - 9.6 Кбит/с.
Требуется время для установки соединения. Стоимость мобильной связи все еще очень высока, поэтому вы после загрузки страницы, вероятно, будете разрывать соединение, чтобы не платить за время в Интернете, которое не используется (пока вы, например, читаете какую-то страницу). Для просмотра следующей страницы, вам нужно будет вновь устанавливать соединение, а это займет больше времени, чем обычное dial-up-соединение по телефонной сети.

Оба эти недостатка исправляются технологией GPRS (General Packet Radio Service) - нe путать с глобальным позиционированием. Эта технология не предусматривает установку виртуального соединения, а использует передачу пакетов. Мобильный телефон постоянно подключен к сети — это и есть основное преимущество.

Технологию GPRS можно сравнить с подключением компьютера по локальной сети. При ее использовании пакеты сразу отправляются маршрутизатором, и нам не нужно ждать, пока установится соединение, как в случае с dial-up-подключением.

Рис.3 - Инфраструктура GSM.

Рис.2 - Упрощенная система областей ячеек.

Рис.1 - Территория разделена на соты.

Рис.4 - Схема подключения к Интернету.