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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Das Funktionsprinzip von GSM-Netzen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik /Mobilfunk GSM (oder Global System for Mobile Communications) wurde 1990 entwickelt. Der erste GSM-Betreiber nahm 1991 Abonnenten auf, Anfang 1994 hatten Netze, die auf dem betreffenden Standard basierten, bereits 1.3 Millionen Abonnenten, und bis Ende 1995 war ihre Zahl auf 10 Millionen gestiegen! Beginnen wir mit dem komplexesten und vielleicht langweiligsten Netzwerk-Flussdiagramm. Für die Beschreibung werden international anerkannte englische Abkürzungen verwendet. Der einfachste Teil des Blockdiagramms - ein tragbares Telefon - besteht aus zwei Teilen: dem "Mobilteil" selbst - ME (Mobile Equipment - ein mobiles Gerät) und einer SIM-Smartcard (Subscriber Identity Module - Subscriber Identification Module), die beim Abschluss erhalten wird einen Vertrag mit einem Betreiber. Wie jedes Auto mit einer eindeutigen Karosserienummer ausgestattet ist, hat auch das Handy eine eigene Nummer - IMEI (International Mobile Equipment Identity - International Mobile Device Identifier), die auf Anfrage an das Netzwerk übermittelt werden kann. SIM wiederum enthält die sogenannte IMSI (International Mobile Subscriber Identity - Internationale Teilnehmeridentifikationsnummer). Somit entspricht IMEI einem bestimmten Telefon und IMSI einem bestimmten Teilnehmer. Das "Zentralnervensystem" des Netzwerks ist NSS (Network and Switching Subsystem - Netzwerk- und Vermittlungssubsystem), und die Komponente, die die Funktionen des "Gehirns" ausführt, heißt MSC (Mobile Services Switching Center - Vermittlungszentrum). Letzteren nennen alle den "Schalter" und machen ihn auch bei Kommunikationsproblemen für alle Todsünden verantwortlich. Es kann mehr als eine MSC im Netzwerk geben. MSC übernimmt das Call-Routing, generiert Daten für das Billing-System, managt viele Abläufe – es ist einfacher zu sagen, was nicht in der Verantwortung des Switches liegt, als alle seine Funktionen aufzuzählen. Die nächstwichtigsten Netzwerkkomponenten, die ebenfalls im NSS enthalten sind, würde ich das HLR (Home Location Register - das Register der eigenen Teilnehmer) und das VLR (Visitor Location Register - das Bewegungsregister) nennen. Achten Sie auf diese Teile, wir werden in Zukunft oft darauf verweisen. HLR ist grob gesagt eine Datenbank aller Teilnehmer, die einen Vertrag mit dem betreffenden Netzwerk abgeschlossen haben. Es speichert Informationen über Benutzernummern (mit Zahlen ist erstens die oben erwähnte IMSI und zweitens das sogenannte MSISDN-Mobile Subscriber ISDN, also eine Telefonnummer im üblichen Sinne), eine Liste verfügbarer Dienste und vieles mehr das andere - Weiter unten im Text werden oft die Parameter beschrieben, die sich im HLR befinden. Im Gegensatz zu HLR, das nur eines im System ist, kann es mehrere VLRs geben – jedes von ihnen steuert seinen Teil des Netzwerks. Das VLR enthält Daten über Teilnehmer, die sich auf seinem (und nur seinem!) Territorium befinden (und es werden nicht nur seine Teilnehmer bedient, sondern auch im Netzwerk registrierte Roamer). Sobald der Benutzer die Reichweite eines VLR verlässt, werden Informationen über ihn in das neue VLR kopiert und aus dem alten gelöscht. Tatsächlich gibt es viele Gemeinsamkeiten zwischen dem, was über einen Teilnehmer im VLR und im HLR steht – sehen Sie sich die Tabellen an, um eine Liste von langfristigen (Tabelle 1) und temporären (Tabellen 2 und 3) Daten über gespeicherte Teilnehmer zu erhalten in diesen Registern. Noch einmal zum Unterschied zwischen HLR und VLR: Der erste enthält Informationen über alle Teilnehmer des Netzwerks, unabhängig von ihrem Standort, und der zweite enthält nur Daten über diejenigen, die sich in dem diesem VLR unterstellten Gebiet befinden. Im HLR gibt es für jeden Teilnehmer immer eine Verbindung zu dem VLR, das gerade mit ihm (dem Teilnehmer) zusammenarbeitet (in diesem Fall kann das VLR selbst zu einem fremden Netzwerk gehören, das sich beispielsweise am anderen Ende von befindet die Erde). Langzeitdaten gespeichert in HLR und VLR 1. International Subscriber Identity (IMSI)
Temporäre Daten, die im HLR gespeichert sind
Temporäre Daten, die im VLR gespeichert sind
NSS enthält zwei weitere Komponenten – AuC (Authentication Center – Autorisierungszentrum) und EIR (Equipment Identity Register – Geräteidentifikationsregister). Der erste Block wird für Teilnehmerauthentifizierungsverfahren verwendet, und der zweite ist, wie der Name schon sagt, dafür verantwortlich, dass nur autorisierte Mobiltelefone im Netzwerk betrieben werden können. Der ausführende Teil des Mobilfunknetzes ist sozusagen BSS (Base Station Subsystem - ein Subsystem von Basisstationen). Wenn wir die Analogie mit dem menschlichen Körper fortsetzen, kann dieses Subsystem als Gliedmaßen des Körpers bezeichnet werden. BSS besteht aus mehreren "Armen" und "Beinen" - BSC (Base Station Controller - Basisstationscontroller) sowie vielen "Fingern" - BTS (Base Transceiver Station - Basisstation). Basisstationen können überall beobachtet werden – in Städten, auf Feldern – tatsächlich sind sie einfach Transceiver mit einem bis sechzehn Sendern. Jede BSC steuert eine ganze Gruppe von BTSs und ist verantwortlich für die Kanalverwaltung und -verteilung, den Leistungspegel der Basisstation und dergleichen. Normalerweise gibt es nicht einen BSC im Netzwerk, sondern einen ganzen Satz (im Allgemeinen gibt es Hunderte und Tausende von Basisstationen). Der Betrieb des Netzes wird über OSS (Operating and Support Subsystem – ein Subsystem für Management und Support) verwaltet und koordiniert. OSS besteht aus allen Arten von Diensten und Systemen, die den Betrieb und den Verkehr steuern. Jedes Mal, wenn Sie Ihr Telefon nach der Auswahl eines Netzes einschalten, beginnt der Registrierungsvorgang. Betrachten wir den allgemeinsten Fall - Registrierung nicht im Heimnetz, sondern im sogenannten Gastnetz einer anderen Person (wir gehen davon aus, dass der Roaming-Dienst für den Teilnehmer zulässig ist). Lassen Sie das Netzwerk gefunden werden. Auf Anfrage des Netzes übermittelt das Telefon die IMSI des Teilnehmers. IMSI beginnt mit dem Ländercode der "Registrierung" des Eigentümers, gefolgt von Nummern, die das Heimatnetz identifizieren, und erst dann - der eindeutigen Nummer eines bestimmten Teilnehmers. Beispielsweise entspricht der Anfang von IMSI 25099 ... dem russischen Betreiber Beeline. (250-Russland, 99 - Luftlinie). Basierend auf der IMSI-Nummer identifiziert das VLR des Gastnetzes das Heimatnetz und kontaktiert sein HLR. Dieses sendet alle notwendigen Informationen über den Teilnehmer an das VLR, das die Anfrage gestellt hat, und stellt einen Link zu diesem VLR in sich selbst her, um gegebenenfalls zu wissen, wo der Teilnehmer zu suchen ist. Der Prozess der Feststellung der Authentizität des Abonnenten ist sehr interessant. Bei der Registrierung generiert das Heimnetzwerk AuC eine 128-Bit-Zufallszahl - RAND, die an das Telefon gesendet wird. Innerhalb der SIM wird unter Verwendung des Ki-Schlüssels (Identifikationsschlüssel - wie IMSI in der SIM enthalten) und des A3-Identifikationsalgorithmus eine 32-Bit-Antwort berechnet - SRES (Signed RESult) nach der Formel SRES = Ki * RAND . Genau die gleichen Berechnungen werden gleichzeitig in AuC durchgeführt (entsprechend dem aus dem HLR ausgewählten Ki des Benutzers). Wenn die im Telefon berechnete SRES mit der von AuC berechneten SRES übereinstimmt, gilt der Autorisierungsprozess als erfolgreich und dem Teilnehmer wird eine TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) zugewiesen. Die TMSI dient ausschließlich dazu, die Sicherheit der Interaktion des Teilnehmers mit dem Netzwerk zu verbessern und kann sich von Zeit zu Zeit ändern (einschließlich bei Änderung des VLR). Theoretisch sollte bei der Registrierung auch die IMEI-Nummer übermittelt werden, aber ich habe große Zweifel daran, dass der Minsker Betreiber die IMEI der von den Abonnenten verwendeten Telefone verfolgt. Betrachten wir ein "ideales" Netzwerk, das so funktioniert, wie es von den Entwicklern von GSM beabsichtigt wurde. Wenn also die IMEI vom Netzwerk empfangen wird, wird sie an das EIR gesendet, wo sie mit den sogenannten "Nummernlisten" verglichen wird. Die weiße Liste enthält die Nummern der zur Verwendung zugelassenen Telefone, die schwarze Liste besteht aus IMEIs, gestohlenen oder aus anderen Gründen nicht zur Verwendung zugelassenen Telefonen, und schließlich die graue Liste – „Handys“ mit Problemen, die vom System zugelassen, aber zugelassen werden hinter denen ständig überwacht wird. Nach der Prozedur der Identifizierung und Interaktion des Gast-VLR mit dem Heimat-HLR wird ein Zeitzähler gestartet, der den Zeitpunkt der Neuregistrierung in Abwesenheit jeglicher Kommunikationssitzungen festlegt. In der Regel beträgt die obligatorische Anmeldefrist einige Stunden. Eine erneute Registrierung ist erforderlich, damit das Netz eine Bestätigung erhält, dass sich das Telefon noch in seinem Abdeckungsbereich befindet. Tatsache ist, dass das „Mobilteil“ im Standby-Modus nur die vom Netzwerk übertragenen Signale überwacht, aber selbst nichts aussendet - der Übertragungsvorgang beginnt nur, wenn eine Verbindung hergestellt wird, sowie bei signifikanten Bewegungen relativ zum Netzwerk (dies wird weiter unten ausführlich besprochen) - in solchen Fällen wird der Timer, der die Zeit bis zur nächsten erneuten Registrierung herunterzählt, neu gestartet. Wenn das Telefon aus dem Netzwerk "herausfällt" (z. B. wenn der Akku abgeklemmt wurde oder der Besitzer des Geräts die U-Bahn betrat, ohne das Telefon auszuschalten), erfährt das System nichts davon. Alle Benutzer werden nach dem Zufallsprinzip in 10 gleiche Zugriffsklassen (mit Zahlen von 0 bis 9) eingeteilt. Darüber hinaus gibt es mehrere Sonderklassen mit Nummern von 11 bis 15 (verschiedene Arten von Not- und Rettungsdiensten, Netzpersonal). Informationen zur Zugriffsklasse werden in der SIM-Karte gespeichert. Ein spezieller Zugang der Klasse 10 ermöglicht es Ihnen, Notrufe (an die Nummer 112) zu tätigen, wenn der Benutzer keiner zugelassenen Klasse angehört oder überhaupt keine IMSI (SIM) hat. Bei Notfällen oder Netzwerküberlastung kann einigen Klassen der Zugang zum Netzwerk vorübergehend verweigert werden. Wie bereits erwähnt, besteht das Netzwerk aus vielen BTS – Basisstationen (eine BTS – eine „Zelle“, Zelle). Um den Betrieb des Systems zu vereinfachen und den Dienstverkehr zu reduzieren, werden BTS in Gruppen zusammengefasst – Domänen, die als LA (Location Area – Standortbereiche) bezeichnet werden. Jeder LA hat seinen eigenen LAI-Code (Location Area Identity). Ein VLR kann mehrere LAs steuern. Und es ist der LAI, der im VLR platziert wird, um den Standort des Mobilteilnehmers einzustellen. Gegebenenfalls wird in der entsprechenden LA (und nicht in einer separaten Zelle) nach einem Teilnehmer gesucht. Wenn ein Teilnehmer innerhalb desselben LA von einer Zelle in eine andere wechselt, werden keine Neuregistrierung und Änderungen in Datensätzen im VLR/HLR durchgeführt, aber sobald er (der Teilnehmer) das Gebiet eines anderen LA betritt, beginnt das Telefonieren mit dem Netzwerk zu interagieren. Wenn LA geändert wird, wird der Code des alten Bereichs aus dem VLR gelöscht und durch einen neuen LAI ersetzt, aber wenn der nächste LA von einem anderen VLR gesteuert wird, dann wird das VLR geändert und der Datensatz im HLR wird aktualisiert. Im Allgemeinen ist die Aufteilung eines Netzwerks in LA eine ziemlich schwierige technische Aufgabe, die gelöst wird, indem jedes Netzwerk einzeln aufgebaut wird. Zu kleine LAs führen zu einer häufigen Neuregistrierung von Telefonen und als Ergebnis zu einer Zunahme des Verkehrs von verschiedenen Arten von Dienstsignalen und einer schnelleren Entladung von Mobiltelefonbatterien. Wenn die LA groß gemacht wird, dann muss, wenn es notwendig ist, eine Verbindung mit dem Teilnehmer herzustellen, ein Anrufsignal an alle Zellen gesendet werden, die in der LA enthalten sind, was ebenfalls zu einer ungerechtfertigten Erhöhung der Übertragung von Dienstinformationen und einer Überlastung führt die internen Kanäle des Netzwerks. Betrachten wir nun einen sehr schönen Algorithmus des sogenannten Handovers (dieser Name wurde dem Wechsel des verwendeten Kanals während des Verbindungsprozesses gegeben). Während eines Gesprächs über ein Mobiltelefon kann aus verschiedenen Gründen (Entfernen des "Hörers" von der Basisstation, Mehrwegestörungen, Verschieben des Teilnehmers in die sogenannte Schattenzone usw.) die Signalstärke (und -qualität ) kann sich verschlechtern. In diesem Fall wird auf einen Kanal (möglicherweise eine andere BTS) mit einer besseren Signalqualität umgeschaltet, ohne die aktuelle Verbindung zu unterbrechen (ich werde hinzufügen - weder der Teilnehmer selbst noch sein Gesprächspartner bemerken in der Regel die erfolgte Übergabe ). Übergaben werden normalerweise in vier Arten unterteilt: 1. Kanalwechsel innerhalb derselben Basisstation
Generell ist die Übergabe Aufgabe des MSC. Aber in den ersten beiden Fällen, die als interne Übergaben bezeichnet werden, wird der Kanalwechselprozess von der BSC gesteuert, um die Belastung der Vermittlungs- und Dienstleitungen zu verringern, und die MSC wird nur darüber informiert, was passiert ist. Während eines Gesprächs überwacht das Mobiltelefon ständig den Signalpegel benachbarter BTS (die Liste der zu überwachenden Kanäle (bis zu 16) wird von der Basisstation festgelegt). Basierend auf diesen Messungen werden die sechs besten Kandidaten ausgewählt und ständig (mindestens einmal pro Sekunde) an die BSC und MSC übertragen, um einen möglichen Wechsel zu organisieren. Es gibt zwei Hauptübergabeschemata: "Least-Switching-Mode" (Mindestakzeptable Leistung). Wenn sich in diesem Fall die Kommunikationsqualität verschlechtert, erhöht das Mobiltelefon die Leistung seines Senders so lange wie möglich. Wenn sich die Verbindung trotz Erhöhung des Signalpegels nicht verbessert (oder die Leistung ihr Maximum erreicht hat), erfolgt eine Übergabe. „Energiesparmodus“ (Power-Budget). Gleichzeitig bleibt die Leistung des Mobilfunksenders unverändert und bei Qualitätsverschlechterung ändert sich der Kommunikationskanal (Handover).
Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wie eingehende Anrufe auf einem Mobiltelefon weitergeleitet werden. Wie zuvor betrachten wir den allgemeinsten Fall, wenn sich der Teilnehmer im Versorgungsgebiet des Gastnetzes befindet, die Registrierung erfolgreich war und sich das Telefon im Standby-Modus befindet.
Die MSC leitet die Teilnehmernummer (MSISDN) an das HLR weiter. Das HLR stellt seinerseits eine Anfrage an das VLR des besuchten Netzes, in dem sich der Teilnehmer befindet. VLR weist eine der verfügbaren MSRN (Mobile Station Roaming Number – die Nummer der "wandernden" Mobilstation) zu. Die Ideologie der MSRN-Vergabe ist der dynamischen Vergabe von IP-Adressen beim DFÜ-Internetzugang über ein Modem sehr ähnlich. Das Heimatnetz HLR empfängt die dem Teilnehmer zugewiesene MSRN vom VLR und sendet sie, nachdem es ihr die IMSI des Benutzers beigefügt hat, an den Heimatnetz-Switch. Die letzte Stufe des Verbindungsaufbaus ist die Leitung des Anrufs, begleitet von IMSI und MSRN, zum Gastnetzschalter, der ein spezielles Signal erzeugt, das über PAGCH (PAGer CHannel - Anrufkanal) im gesamten LA, in dem sich der Teilnehmer befindet, übertragen wird. Das Outgoing Call Routing stellt aus ideologischer Sicht nichts Neues und Interessantes dar. Hier sind nur einige der Diagnosesignale, die darauf hinweisen, dass keine Verbindung hergestellt werden kann, und die der Benutzer möglicherweise als Reaktion auf einen Verbindungsversuch erhält. Grundlegende Diagnosesignale für einen Verbindungsfehler Teilnehmernummer ist besetzt - 425±15 Hz - 500 ms Piepton, 500 ms Pause
Veröffentlichung: cxem.net
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