Как работают GSM-сети или краткие основы связи. Принцип работы сетей GSM Проверка коммутатора мобильной связи кто делает

Принцип работы GSM-сетей

GSM (или Global System for Mobile Communications) был разработан в 1990 году. Первый оператор GSM принял абонентов в 1991 году, к началу 1994 года сети, основанные на рассматриваемом стандарте, имели уже 1.3 миллиона подписчиков, а к концу 1995 их число увеличилось до 10 миллионов!

Начнем с самого сложного и, пожалуй, скучного - блок-схемы сети. При описании будут использоваться принятые во всем мире англоязычные сокращения.

Самая простая часть структурной схемы - переносной телефон, состоит из двух частей: собственно "трубки" - МЕ (Mobile Equipment - мобильное устройство) и смарт-карты SIM (Subscriber Identity Module - модуль идентификации абонента), получаемой при заключении контракта с оператором. Как любой автомобиль снабжен уникальным номером кузова, так и сотовый телефон имеет собственный номер - 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). Таким образом, 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 все называют "коммутатор", а также, при проблемах со связью, винят во всех смертных грехах. MSC в сети может быть и не один. MSC 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, также входящими в NSS, я бы назвал HLR (Home Location Register - реестр собственных абонентов) и VLR (Visitor Location Register - реестр перемещений). Обратите внимание на эти части, в дальнейшем мы будем часто упоминать их. 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, так называемый MSISDN-Mobile Subscriber ISDN, т.е. телефонный номер в его обычном понимании), перечень доступных услуг и многое другое - далее по тексту часто будут описываться параметры, находящиеся в HLR.

В отличие от HLR, который в системе один, VLR`ов может быть и несколько - каждый из них контролирует свою часть сети. В VLR содержатся данные об абонентах, которые находятся на его (и только его!) территории (причем обслуживаются не только свои подписчики, но и зарегистрированные в сети роумеры). Как только пользователь покидает зону действия какого-то VLR, информация о нем копируется в новый VLR, а из старого удаляется. Фактически, между тем, что есть об абоненте в VLR и в HLR, очень много общего - посмотрите таблицы, где приведен перечень долгосрочных (табл.1) и временных (табл.2 и 3) данных об абонентах, хранящихся в этих реестрах. Еще раз об отличие HLR от VLR: 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 (абонентом) сейчас работает (при этом сам VLR может принадлежать чужой сети, расположенной, например, на другом конце Земли).

Долгосрочные данные, хранимые в HLR и VLR

1. Международный идентификационный номер подписчика (IMSI)
2. Телефонный номер абонента в обычном смысле (MSISDN)
3. Категория подвижной станции
4. Ключ идентификации абонента (Ki)
5. Виды обеспечения дополнительными услугами
6. Индекс закрытой группы пользователей
7. Код блокировки закрытой группы пользователей
8. Состав основных вызовов, которые могут быть переданы
9. Оповещение вызывающего абонента
10. Идентификация номера вызываемого абонента
11. График работы
12. Оповещение вызываемого абонента
13. Контроль сигнализации при соединении абонентов
14. Характеристики закрытой группы пользователей
15. Льготы закрытой группы пользователей
16. Запрещенные исходящие вызовы в закрытой группе пользователей
17. Максимальное количество абонентов
18. Используемые пароли
19. Класс приоритетного доступа

Временные данные, хранимые в HLR
1. Параметры идентификации и шифрования
2. Временный номер мобильного абонента (TMSI)
3. Адрес реестра перемещения, в котором находится абонент (VLR)
4. Зоны перемещения подвижной станции
5. Номер соты при эстафетной передаче
6. Регистрационный статус
7. Таймер отсутствия ответа
8. Состав используемых в данный момент паролей
9. Активность связи

Временные данные, хранимые в VLR
1. Временный номер мобильного абонента (TMSI)
2. Идентификаторы области расположения абонента (LAI)
3. Указания по использованию основных служб
4. Номер соты при эстафетной передаче
5. Параметры идентификации и шифрования

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" - BTS (Base Transceiver Station - базовая станция). Базовые станции можно наблюдать повсюду - в городах, полях - фактически это просто приемно-передающие устройства, содержащие от одного до шестнадцати излучателей. Каждый BSC контролирует целую группу BTS 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 и тысячи).

Управляется и координируется работа сети с помощью OSS (Operating and Support Subsystem - подсистема управления и поддержки). OSS состоит из всякого рода служб и систем, контролирующих работу и трафик.

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).

Пусть сеть найдена. По запросу сети телефон передает IMSI абонента. IMSI начинается с кода страны "приписки" 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 гостевой сети 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 128-битовое 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 32-битовый 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 (Temporary Mobile Subscriber Identity-временный номер мобильного абонента). TMSI служит исключительно для повышения безопасности взаимодействия подписчика с сетью и может периодически меняться (в том числе при смене VLR).

Теоретически, при регистрации должен передаваться и номер IMEI, но у меня есть большие сомнения насчет того, что минский оператор отслеживают IMEI используемых абонентами телефонов. Давайте будем рассматривать некую "идеальную" сеть, функционирующую так, как было задумано создателями GSM. Так вот, 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 (ниже это будет рассмотрено подробно) - 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.

Все пользователи случайным образом разбиваются на 10 равноправных классов доступа (с номерами от 0 до 9). Кроме того, существует несколько специальных классов с номерами с 11 по 15 (разного рода аварийные и экстренные службы, служебный персонал сети). Информация о классе доступа хранится в SIM. Особый, 10 класс доступа, позволяет совершать экстренные звонки (по номеру 112), если пользователь не принадлежит к какому-либо разрешенному классу, или вообще не имеет IMSI (SIM). В случае чрезвычайных ситуаций или перегрузки сети некоторым классам может быть на время закрыт доступ в сеть.

Как уже было сказано, сеть состоит из множества BTS - базовых станций (одна BTS - одна "сота", ячейка). Для упрощения функционирования системы и снижения служебного трафика, BTS объединяют в группы - домены, получившие название LA (Location Area - области расположения). Каждой LA соответствует свой код LAI(Location Area Identity). Один VLR может контролировать несколько LA. И именно LAI помещается в VLR для задания местоположения мобильного абонента. В случае необходимости именно в соответствующей LA (а не в отдельной соте) будет произведен поиск абонента. При перемещении абонента из одной соты в другую в пределах одной LA перерегистрация и изменение записей в VLR/HLR не производится, но стоит ему (абоненту) попасть на территорию другой LA, как начнется взаимодействие телефона с сетью. При смене LA код старой области стирается из VLR и заменяется новым LAI, если же следующий LA контролируется другим VLR, то произойдет смена VLR и обновление записи в HLR.

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 (удаление "трубки" от базовой станции, многолучевая интерференция, перемещение абонента в зону так называемой тени и т.п.) мощность (и качество) сигнала может ухудшиться. В этом случае произойдет переключение на канал (может быть, другой BTS) с лучшим качеством сигнала без прерывания текущего соединения (добавлю - ни сам абонент, ни его собеседник, как правило, не замечают произошедшего handover`а).

Handover`ы принято разделять на четыре типа:

1. смена каналов в пределах одной базовой станции
2. смена канала одной базовой станции на канал другой станции, но находящейся под патронажем того же BSC.
3. переключение каналов между базовыми станциями, контролируемыми разными BSC, но одним MSC
4. переключение каналов между базовыми станциями, за которые отвечают не только разные BSC, но и MSC.

В общем случае, проведение handover`а - задача MSC. Но в двух первых случаях, называемых внутренними handover`ами, чтобы снизить нагрузку на коммутатор и служебные линии связи, процесс смены каналов управляется BSC, а MSC лишь информируется о происшедшем.

Во время разговора мобильный телефон постоянно контролирует уровень сигнала от соседних BTS (список каналов (до 16), за которыми необходимо вести наблюдение, задается базовой станцией). На основании этих измерений выбираются шесть лучших кандидатов, данные о которых постоянно (не реже раза в секунду) передаются BSC и MSC для организации возможного переключения. Существуют две основные схемы handover`а:

"Режим наименьших переключений" (Minimum acceptable performance). В этом случае, при ухудшении качества связи мобильный телефон повышает мощность своего передатчика до тех пор, пока это возможно. Если же, несмотря на повышение уровня сигнала, связь не улучшается (или мощность достигла максимума), то происходит handover.

"Энергосберегающий режим" (Power budget). При этом мощность передатчика мобильного телефона остается неизменной, а в случае ухудшения качества меняется канал связи (handover).
Интересно, что инициировать смену каналов может не только мобильный телефон, но и MSC, например, для лучшего распределения трафика.

Поговорим теперь, каким образом происходит маршрутизация входящих вызовов мобильного телефона. Как и раньше, будем рассматривать наиболее общий случай, когда абонент находится в зоне действия гостевой сети, регистрация прошла успешно, а телефон находится в режиме ожидания.
При поступлении запроса (рисунок ниже) на соединение от проводной телефонной (или другой сотовой) системы на MSC домашней сети (вызов "находит" нужный коммутатор по набранному номеру мобильного абонента MSISDN, который содержит код страны и сети).

MSC пересылает в HLR номер (MSISDN) абонента. HLR, в свою очередь, обращается с запросом к VLR гостевой сети, в которой находится абонент. VLR выделяет один из имеющихся в ее распоряжении MSRN (Mobile Station Roaming Number - номер "блуждающей" мобильной станции). Идеология назначения MSRN очень напоминает динамическое присвоение адресов IP при коммутируемом доступе в Интернет через модем. HLR домашней сети получает от VLR присвоенный абоненту MSRN и, сопроводив его IMSI пользователя, передает коммутатору домашней сети. Заключительной стадией установления соединения является направление вызова, сопровождаемого IMSI и MSRN, коммутатору гостевой сети, который формирует специальный сигнал, передаваемый по PAGCH (PAGer CHannel - канал вызова) по всей LA, где находится абонент.

Маршрутизация исходящих вызовов не представляет с идеологической точки зрения ничего нового и интересного. Приведу лишь некоторые из диагностических сигналов, свидетельствующие о невозможности установить соединение и которые пользователь может получить в ответ на попытку установления соединения.

Основные диагностические сигналы об ошибке при установлении соединения

Номер абонента занят - 425±15 Гц - 500мс гудок, 500 мс пауза
Перегрузка сети - 425±15 Гц - 200мс гудок, 200 мс пауза
Общая ошибка - 950±50Гц 1400±50Гц 1800±50Гц - Тройной гудок (длительность каждой части 330 мс), 1 с пауза

Публикация: www.cxem.net

Смотрите другие статьи раздела .

При совершении звонка или приеме вызова, телефон абонента устанавливает соединение по радиоканалу с одной из антенн близлежащей базовой станции (BS - Base Station). В систему сотовой связи GSM входит набор базовых станций, каждая из которых может включать в себя 1-12 приемо-передающих антенн. Для обеспечения качественной связи в радиусе своего действия антенны имеют разностороннюю направленность. Антенны представляют собой прямоугольные конструкции, которые можно увидеть на специальных мачтах либо на крышке высотных зданий. Такие антенны вырабатывают сигналы и передают их по специальному кабелю в управляющий блок BS. Базовая станция представляет собой совокупность антенн и управляющего блока. Существуют территории, которые могут обслуживаться сразу несколькими базовыми станциями, подключенными к контроллеру локальной зоны (LAC - Local Area Controller). Один контроллер может объединять до 15 базовых станций на определенной территории. Контроллеры локальной зоны коммутируются с Центром управления мобильными услугами (MSC - Mobile services Switching Center, или проще «коммутатор»), который, в свою очередь, имеет входные и выходные соединения с любыми действующими видами сотовой и проводной связи. Региональные сотовые сети стандарта GSM могут использовать всего один центр управления мобильными услугами. В то же время, крупные операторы мобильной связи (например, МТС, Билайн или Мегафон), имеющие несколько миллионов абонентов, используют несколько объединенных между собой центров MSC.

Чтобы понять иерархию столь сложной системы, необходимо использовать значение технического термина handover (хэндовер), который обозначает функцию передачи обслуживания абонента в сотовых сетях по эстафетному принципу. Это означает, что если клиент перемещается по улице и одновременно разговаривает по телефону, то для сохранения непрерывности разговора необходимо осуществлять своевременное переключение телефона абонента из одного сектора (соты) базовой станции в другой, а также из сферы контроля одной BS либо LAC в другую и т.д. Поэтому, если бы использовалось прямое подключение секторов базовых станций к коммутатору, то, несмотря на обилие других задач, последнему пришлось бы самостоятельно осуществлять процедуру хэндовера для всех существующих абонентов. Для обеспечения равномерной загрузки оборудования и снижения вероятности его отказов от перегрузок, схема организации мобильных сетей GSM построена по многоуровневому принципу. Другими словами, при перемещении абонента из зоны действия одного сектора базовой станции в зону действия другого, переключение осуществляет блок управления данной BS, при этом «вышестоящие» по иерархии устройства LAC или MSC не задействуются. Аналогично, при хэндовере между разными базовыми станциями, работает уже LAC и т. д.

Коммутатор выполняют те же функции, что и АТС в проводных сетях, и является главным управляющим устройством сетей GSM. Центр услуг мобильной связи определяет адресатов звонка, регулирует функционирование дополнительных услуг и непосредственно решает, имеете ли абонент право на осуществление звонка в данный момент времени. Итак, вы нажали «волшебную кнопку» и ваш телефон включился. На SIM-карте, которая располагается в телефоне абонента, находится специальный номер IMSI (International Subscriber Identification Number), что означает «Международный опознавательный номер абонента». IMSI является уникальным номером для всех существующих мобильных сетей во всем мире, по которому мобильные операторы однозначно идентифицируют абонентов. В момент нажатия кнопки питания телефона он отправляет код IMSI на базовую станцию, которая, в свою очередь, передает его сначала на LAC, а тот еще дальше по иерархии на коммутатор. При этом в процессе принимают участие еще два дополнительных устройства - HLR (Home Location Register) и VLR (Visitor Location Register), которые связаны непосредственно с коммутатором. HLR обозначает «Регистр домашних абонентов» и хранит коды IMSI всех абонентов собственной сети, а VLR («Регистр гостевых абонентов») содержит информацию о всех абонентах, которые используют сеть этого мобильного оператора в конкретный момент времени.

При передаче кода IMSI в HLR используется система шифрования, которую обеспечивает AuC (Центр аутентификации). Изначально HLR проверяет наличие в своей базе абонента с данным номером, а в случае наличия - имеет ли абонент право на пользование услугами сети в данный момент, или же, к примеру, в данный момент имеет финансовую блокировку. Если проверка закончилась положительно для абонента, его номер перенаправляется в VLR, после чего клиент может совершать звонки или пользоваться другими услугами сотовой связи.

Таким образом, мы поверхностно рассмотрели основной принцип работы сотовых сетей GSM, т.к. более углубленное описание технических деталей во много раз объемнее и при этом менее понятно для большинства читателей.

Принцип работы радиосвязи

Радио (лат.radio- излучаю, испускаю лучи radius- луч) - разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Принцип работы
Передача происходит следующим образом: на передающей стороне формируется сигнал с требуемыми характеристиками (частота и амплитуда сигнала). Далее передаваемыйсигналмодулируетболее высокочастотное колебание (несущее). Полученный модулированный сигнал излучается антенной в пространство. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он демодулируется (детектируется) и фильтруется ФНЧ (избавляясь тем самым от высокочастотной составляющей- несущей).Полученный модулированный сигнал излучается антенной в пространство.
На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, после чего он демодулируется (детектируется) и фильтруется ФНЧ (избавляясь тем самым от высокочастотной составляющей- несущей).). Таким образом, происходит извлечение полезного сигнала. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого передатчиком (искажения вследствие помех и наводок).

Частотные диапазоны
Частотная сетка, используемая в радиосвязи, условно разбита на диапазоны:

Длинные волны(ДВ)- f = 150-450 кГц (л = 2000-670 м)
Средние волны(СВ)- f = 500-1600 кГц (л = 600-190 м)
Короткие волны(КВ)- f = 3-30 МГц (л = 100-10 м)
Ультракороткие волны(УКВ)- f = 30 МГц- 300 МГц (л = 10-1 м)
Высокие частоты (ВЧ- сантиметровый диапазон)- f = 300 МГц- 3 ГГц (л = 1-0,1 м)
Крайне высокие частоты (КВЧ- миллиметровый диапазон)- f = 3 ГГц- 30 ГГц (л = 0,1-0,01 м)
Гипервысокие частоты (ГВЧ- микрометровый диапазон)- f = 30 ГГц- 300 ГГц (л = 0,01-0,001 м)

В зависимости от диапазона радиоволны имеют свои особенности и законы распространения:

ДВ сильно поглощаются ионосферой, основное значение имеют приземные волны, которые распространяются, огибая землю. Их интенсивность по мере удаления от передатчика уменьшается сравнительно быстро.
СВ сильно поглощаются ионосферой днём, и район действия определяется приземной волной, вечером хорошо отражаются от ионосферы и район действия определяется отражённой волной.
КВ распространяются исключительно посредством отражения ионосферой, поэтому вокруг передатчика существует т.н.зона радиомолчания. Днём лучше распространяются более короткие волны (30 МГц), ночью- более длинные (3 МГц). Короткие волны могут распространяться на большиме расстояния при малой мощности передатчика.
УКВ распространяются прямолинейно и, как правило, не отражаются ионосферой. Легко огибают препятствия и имеют высокую проникающую способность.
ВЧ не огибают препятствия, распространяются в пределах прямой видимости. Используются в WiFi, сотовой связи ит.д.
КВЧ не огибают препятствия, отражаются большинством препятствий, распространяются в пределах прямой видимости. Используются для спутниковой связи.
Гипервысокие частоты не огибают препятствия, отражаются подобно свету, распространяются в пределах прямой видимости. Использование ограничено.

Распространение радиоволн
Радиоволны распространяются в пустоте и в атмосфере; земная твердь и вода для них непрозрачны. Однако, благодаря эффектам дифракции и отражения, возможна связь между точками земной поверхности, не имеющими прямой видимости (в частности, находящимися на большом расстоянии).
Распространение радиоволн от источника к приёмнику может происходить несколькими путями одновременно. Такое распространение называетсямноголучёвостью. Вследствие многолучёвости и изменений параметров среды, возникаютзамирания(англ.fading)- изменение уровня принимаемого сигнала во времени. При многолучёвости изменение уровня сигнала происходит вследствие интерференции, то есть в точке приёма электромагнитное поле представляет собой сумму смещённых во времени радиоволн диапазона.

Радиолокация

Радиолока́ция - область науки и техники, объединяющая методы и средства обнаружения, измерения координат, а также определение свойств и характеристик различных объектов, основанных на использовании радиоволн. Близким и отчасти перекрывающимся термином является радионавигация, однако в радионавигации более активную роль играет объект, координаты которого измеряются, чаще всего это определение собственных координат. Основное техническое приспособление радиолокации - радиолокационная станция (англ. Radar).

Различают активную, полуактивную, активную с пассивным ответом и пассивную РЛ. Подразделяются по используемому диапазону радиоволн, по виду зондирующего сигнала, числу применяемых каналов, числу и виду измеряемых координат, месту установки РЛС.

Принцип действия

Радиолокация основана на следующих физических явлениях:

Радиоволны рассеиваются на встретившихся на пути их распространения электрических неоднородностях (объектами с другими электрическими свойствами, отличными от свойств среды распространения). При этом отражённая волна, также, как и собственно, излучение цели, позволяет обнаружить цель.
На больших расстояниях от источника излучения можно считать, что радиоволны распространяются прямолинейно и с постоянной скоростью, благодаря чему имеется возможность измерять дальность и угловые координаты цели (Отклонения от этих правил, справедливых только в первом приближении, изучает специальная отрасль радиотехники - Распространение радиоволн. В радиолокации эти отклонения приводят к ошибкам измерения).
Частота принятого сигнала отличается от частоты излучаемых колебаний при взаимном перемещении точек приёма и излучения (эффект Доплера), что позволяет измерять радиальные скорости движения цели относительно РЛС.
Пассивная радиолокация использует излучение электромагнитных волн наблюдаемыми объектами, это может быть тепловое излучение, свойственное всем объектам, активное излучение, создаваемое техническими средствами объекта, или побочное излучение, создаваемое любыми объектами с работающими электрическими устройствами.

Сотовая связь

Сотовая связь , сеть подвижной связи - один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть . Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами).

Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.

Принцип действия сотовой связи

Основные составляющие сотовой сети - это сотовые телефоны и базовые станции, которые 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 (или качество радиосигнала сервисной соты ухудшается), он налаживает связь с другой (англ. handover ).

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.

Операторы могут заключать между собой договоры роуминга. Благодаря таким договорам абонент, находясь вне зоны покрытия своей сети, может совершать и принимать звонки через сеть другого оператора. Как правило, это осуществляется по повышенным тарифам. Возможность роуминга появилась лишь в стандартах 2G и является одним из главных отличий от сетей 1G.

Операторы могут совместно использовать инфраструктуру сети, сокращая затраты на развертывание сети и текущие издержки.

Услуги сотовой связи

Операторы сотовой связи предоставляют следующие услуги:

Голосовой звонок;
Автоответчик в сотовой связи (услуга);
Роуминг;
АОН (Автоматический определитель номера) и АнтиАОН;
Приём и передача коротких текстовых сообщений (SMS);
Приём и передача мультимедийных сообщений - изображений, мелодий, видео (MMS-сервис);
Мобильный банк (услуга);
Доступ в Интернет;
Видеозвонок и видеоконференция

Телевидение

Телеви́дение (греч. τήλε - далеко и лат. video - вижу; от новолатинского televisio - дальновидение) - комплекс устройств для передачи движущегося изображения и звука на расстояние. В обиходе используется также для обозначения организаций, занимающихся производством и распространением телевизионных программ.

Основные принципы

Телевидение основано на принципе последовательной передачи элементов изображения с помощью радиосигнала или по проводам. Разложение изображения на элементы происходит при помощи диска Нипкова, электронно-лучевой трубки или полупроводниковой матрицы. Количество элементов изображения выбирается в соответствии с полосой пропускания радиоканала и физиологическими критериями. Для сужения полосы передаваемых частот и уменьшения заметности мерцания экрана телевизора применяют чересстрочную развёртку. Также она позволяет увеличить плавность передачи движения.

Телевизионный тракт в общем виде включает в себя следующие устройства:

Телевизионная передающая камера. Служит для преобразования изображения, получаемого при помощи объектива на мишени передающей трубки или полупроводниковой матрице, в телевизионный видеосигнал.
Видеомагнитофон. Записывает и в нужный момент воспроизводит видеосигнал.
Видеомикшер. Позволяет переключаться между несколькими источниками изображения: видеокамерами, видеомагнитофонами и другими.
Передатчик. Сигнал радиочастоты модулируется телевизионным видеосигналом и передается по радио или по проводам.
Приёмник - телевизор. С помощью синхроимпульсов, содержащихся в видеосигнале, телевизионное изображение воспроизводится на экране приемника (кинескоп, ЖК-дисплей, плазменная панель).

Кроме того, для создания телевизионной передачи используется звуковой тракт, аналогичный тракту радиопередачи. Звук передаётся на отдельной частоте обычно при помощи частотной модуляции, по технологии, аналогичной FM-радиостанциям. В цифровом телевидении звуковое сопровождение, часто многоканальное, передаётся в общем с изображением потоке данных.

Для этого предлагаем вам отправиться в компанию «Билайн ».

На территории России установлено огромное количество БС - базовых станций. Наверное, многие из вас сами видели возвышающиеся в полях красно-белые конструкции или установленные на крышах нежилых зданий сооружения. Каждая такая базовая станция способна поймать сигнал от сотового телефона на расстоянии до 35 км, связываясь с ним по служебным или голосовым каналам .

После того, как вы набрали на своем телефоне номер нужного абонента , происходит следующее: мобильник находит ближайшую БС, связывается с ней по служебному каналу и запрашивает голосовой канал . После этого БС отсылает запрос на контроллер (BSC), который затем поступает на коммуникатор. Если вызываемый абонент обслуживается у того же оператора , что и вы, то коммуникатор проведет сверку с базой данных Home Location Register (HLR), чтобы выяснить, где именно находится тот, кому вы звоните, и перенаправит вызов на нужный коммутатор , который затем переведет звонок на контроллер и далее на Базовую Станцию. Ну и наконец, Базовая Станция свяжется с мобильным телефоном нужного человека и соединит вас с ним. А если тот, с кем вы хотите поговорить, является абонентом другого сотового оператора , или вы звоните на городской номер , то коммутатор «найдет» соответствующий коммутатор другой сети и обратится к нему. Звучит достаточно запутанно, правда? Попробуем разобрать этот вопрос более подробно.

Но вернемся к оборудованию. Как мы уже говорили, с БС вызов переводится на контроллер (BSC). Внешне он мало чем отличается от Базовой Станции :

Количество БС, которые в состоянии обслужить контроллер, может достигать шести десятков. Контроллер и БС связываются по оптическому или радиорелейному каналам . Контроллер управляет работой радиоканалов.

Ниже вы можете увидеть, что из себя представляет коммутатор :

Количество обслуживаемых коммутатором контроллеров варьируется от двух до тридцати. Коммутаторы размещают в больших помещениях, заполненных металлическими шкафами с оборудованием.

Задача коммутатора состоит в управлении трафиком . Если раньше чтобы поговорить друг с другом, абонентам нужно было сначала связываться с телефонисткой, которая затем вручную переставляла нужные провода, то теперь с ее ролью отлично справляется коммутатор .

Внутри автомобилей располагаются устройства, предназначенные для съема и обработки данных :

Контроллеры и коммутаторы находятся под бдительным контролем 24 часа в сутки. Слежение ведется в так называемом ЦКС (Центре Управления Полeтами Цeнтра Контрoля Сeти).

В результате, физический канал между приемником и передатчиком определяется частотой, выделенными фреймами и номерами таймслотов в них. Обычно базовые станции используют один или несколько каналов ARFCN, один из которых используется для идентификации присутствия BTS в эфире. Первый таймслот (индекс 0) фреймов этого канала используется в качестве базового служебного канала (base-control channel или beacon-канал). Оставшаяся часть ARFCN распределяется оператором для CCH и TCH каналов на свое усмотрение.

2.3 Логические каналы

На основе физических каналов формируются логические. Um-интерфейс подразумевает обмен как пользовательской информацией, так и служебной. Согласно спецификации GSM, каждому виду информации соответствует специальный вид логических каналов, реализуемых посредством физических:

каналы трафика (TCH - Traffic Channel),
каналы служебной информации (CCH - Control Channel).

Каналы трафика делятся на два основных вида: TCH/F - Full rate канал с максимальной скоростью до 22,8 Кбит/с и TCH/H - Half rate канал с максимальной скоростью до 11,4 Кбит/с. Данные виды каналов могут быть использованы для передачи речи (TCH/FS, TCH/HS) и пользовательских данных (TCH/F9.6, TCH/F4.8, TCH/H4.8, TCH/F2.4, TCH/H2.4), например, SMS.

Каналы служебной информации делятся на:

Широковещательные (BCH - Broadcast Channels).
- FCCH - Frequency Correction Channel (канал коррекции частоты). Предоставляет информацию, необходимую мобильному телефону для коррекции частоты.
- SCH - Synchronization Channel (канал синхронизации). Предоставляет мобильному телефону информацию, необходимую для TDMA-синхронизации с базовой станцией (BTS), а также ее идентификационные данные BSIC .
- BCCH - Broadcast Control Channel (широковещательный канал служебной информации). Передает основную информацию о базовой станции, такую как способ организации служебных каналов, количество блоков, зарезервированных для сообщений предоставления доступа, а также количество мультифреймов (объемом по 51 TDMA-фрейму) между Paging-запросами.
Каналы общего назначения (CCCH - Common Control Channels)
- PCH - Paging Channel. Забегая вперед, расскажу, что Paging - это своего рода ping мобильного телефона, позволяющий определить его доступность в определенной зоне покрытия. Данный канал предназначен именно для этого.
- RACH - Random Access Channel (канал произвольного доступа). Используется мобильными телефонами для запроса собственного служебного канала SDCCH. Исключительно Uplink-канал.
- AGCH - Access Grant Channel (канал уведомлений о предоставлении доступа). На этом канале базовые станции отвечают на RACH-запросы мобильных телефонов, выделяя SDCCH, либо сразу TCH.
Собственные каналы (DCCH - Dedicated Control Channels)
Собственные каналы, так же как и TCH, выделяются определенным мобильным телефонам. Существует несколько подвидов:
- SDCCH - Stand-alone Dedicated Control Channel. Данный канал используется для аутентификации мобильного телефона, обмена ключами шифрования, процедуры обновления местоположения (location update), а также для осуществления голосовых вызовов и обмена SMS-сообщениями.
- SACCH - Slow Associated Control Channel. Используется во время разговора, либо когда уже задействован канал SDCCH. С его помощью BTS передает телефону периодические инструкции об изменении таймингов и мощности сигнала. В обратную сторону идут данные об уровне принимаемого сигнала (RSSI), качестве TCH, а также уровень сигнала ближайших базовый станций (BTS Measurements).
- FACCH - Fast Associated Control Channel. Данный канал предоставляется вместе с TCH и позволяет передавать срочные сообщения, например, во время перехода от одной базовой станции к другой (Handover).

2.4 Что такое burst?

Данные в эфире передаются в виде последовательностей битов, чаще всего называемых «burst», внутри таймслотов. Термин «burst», наиболее подходящим аналогом которому является слово «всплеск», должен быть знаком многим радиолюбителям, и появился, скорее всего, при составлении графических моделей для анализа радиоэфира, где любая активность похожа на водопады и всплески воды. Подробнее о них можно почитать в этой замечательной статье (источник изображений), мы остановимся на самом главном. Схематичное представление burst может выглядеть так:

Guard Period
Во избежание возникновения интерференции (т.е. наложения двух busrt друг на друга), продолжительность burst всегда меньше продолжительности таймслота на определенное значение (0,577 - 0,546 = 0,031 мс), называемое «Guard Period». Данный период представляет собой своего рода запас времени для компенсации возможных задержек по времени при передаче сигнала.

Tail Bits
Данные маркеры определяют начало и конец burst.

Info
Полезная нагрузка burst, например, данные абонентов, либо служебный трафик. Состоит из двух частей.

Stealing Flags
Эти два бита устанавливаются когда обе части данных burst канала TCH переданы по каналу FACCH. Один переданный бит вместо двух означает, что только одна часть burst передана по FACCH.

Training Sequence
Эта часть burst используется приемником для определения физических характеристик канала между телефоном и базовой станцией.

2.5 Виды burst

Каждому логическому каналу соответствуют определенные виды burst:

Normal Burst
Последовательности этого типа реализуют каналы трафика (TCH) между сетью и абонентами, а также все виды каналов управления (CCH): CCCH, BCCH и DCCH.

Frequency Correction Burst
Название говорит само за себя. Реализует односторонний downlink-канал FCCH, позволяющий мобильным телефонам более точно настраиваться на частоту BTS.

Synchronization Burst
Burst данного типа, так же как и Frequency Correction Burst, реализует downlink-канал, только уже SCH, который предназначен для идентификации присутствия базовых станций в эфире. По аналогии с beacon-пакетами в WiFi-сетях, каждый такой burst передается на полной мощности, а также содержит информацию о BTS, необходимую для синхронизации с ней: частота кадров, идентификационные данные (BSIC), и прочие.

Dummy Burst
Фиктивный burst, передаваемый базовой станцией для заполнения неиспользуемых таймслотов. Дело в том, что если на канале нет никакой активности, мощность сигнала текущего ARFCN будет значительно меньше. В этом случае мобильному телефону может показаться, что он далеко от базовой станции. Чтобы этого избежать, BTS заполняет неиспользуемые таймслоты бессмысленным трафиком.

Access Burst
При установлении соединения с BTS мобильный телефон посылает запрос выделенного канала SDCCH на канале RACH. Базовая станция, получив такой burst, назначает абоненту его тайминги системы FDMA и отвечает на канале AGCH, после чего мобильный телефон может получать и отправлять Normal Bursts. Стоит отметить увеличенную продолжительность Guard time, так как изначально ни телефону, ни базовой станции не известна информация о временных задержках. В случае, если RACH-запрос не попал в таймслот, мобильный телефон спустя псевдослучайный промежуток времени посылает его снова.

2.6 Frequency Hopping

Цитата из Википедии:
Псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS - англ. frequency-hopping spread spectrum) - метод передачи информации по радио, особенность которого заключается в частой смене несущей частоты. Частота меняется в соответствии с псевдослучайной последовательностью чисел, известной как отправителю, так и получателю. Метод повышает помехозащищённость канала связи.

3.1 Основные векторы атак

Посколько Um-интерфейс является радиоинтерфейсом, весь его трафик «виден» любому желающему, находящемуся в радиусе действия BTS. Причем анализировать данные, передаваемые через радиоэфир, можно даже не выходя из дома, используя специальное оборудование (например, старый мобильный телефон, поддерживаемый проектом OsmocomBB, или небольшой донгл RTL-SDR) и прямые руки самый обычный компьютер.

Выделяют два вида атаки: пассивная и активная. В первом случае атакующий никак не взаимодействует ни с сетью, ни с атакуемым абонентом - исключительно прием и обработка информации. Не трудно догадаться, что обнаружить такую атаку почти не возможно, но и перспектив у нее не так много, как у активной. Активная атака подразумевает взаимодействие атакующего с атакуемым абонентом и/или сотовой сетью.

Можно выделить наиболее опасные виды атак, которым подвержены абоненты сотовых сетей:

Сниффинг
Утечка персональных данных, СМС и голосовых звонков
Утечка данных о местоположении
Спуфинг (FakeBTS или IMSI Catcher)
Удаленный захват SIM-карты, исполнение произвольного кода (RCE)
Отказ в обслуживании (DoS)

3.2 Идентификация абонентов

Как уже упоминалось в начале статьи, идентификация абонентов выполняется по IMSI, который записан в SIM-карте абонента и HLR оператора. Идентификация мобильных телефонов выполняется по серийному номеру - IMEI. Однако, после аутентификации ни IMSI, ни IMEI в открытом виде по эфиру не летают. После процедуры Location Update абоненту присваивается временный идентификатор - TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity), и дальнейшее взаимодействие осуществляется именно с его помощью.

Способы атаки
В идеале, TMSI абонента известен только мобильному телефону и сотовой сети. Однако, существуют и способы обхода данной защиты. Если циклически звонить абоненту или отправлять SMS-сообщения (а лучше Silent SMS), наблюдая за каналом PCH и выполняя корреляцию, можно с определенной точностью выделить TMSI атакуемого абонента.

Кроме того, имея доступ к сети межоператорного взаимодействия SS7, по номеру телефона можно узнать IMSI и LAC его владельца. Проблема в том, что в сети SS7 все операторы «доверяют» друг другу, тем самым снижая уровень конфиденциальности данных своих абонентов.

3.3 Аутентификация

Для защиты от спуфинга, сеть выполняет аутентификацию абонента перед тем, как начать его обслуживание. Кроме IMSI, в SIM-карте хранится случайно сгенерированная последовательность, называемая Ki, которую она возвращает только в хэшированном виде. Также Ki хранится в HLR оператора и никогда не передается в открытом виде. Вцелом, процесс аутентификации основан на принципе четырехстороннего рукопожатия:

Абонент выполняет Location Update Request, затем предоставляет IMSI.
Сеть присылает псевдослучайное значение RAND.
SIM-карта телефона хэширует Ki и RAND по алгоритму A3. A3(RAND, Ki) = SRAND.
Сеть тоже хэширует Ki и RAND по алгоритму A3.
Если значение SRAND со стороны абонента совпало с вычисленным на стороне сети, значит абонент прошел аутентификацию.

Способы атаки
Перебор Ki, имея значения RAND и SRAND, может занять довольно много времени. Кроме того, операторы могут использовать свои алгоритмы хэширования. В сети довольно мало информации о попытках перебора. Однако, не все SIM-карты идеально защищены. Некоторым исследователям удавалось получить прямой доступ к файловой системе SIM-карты, а затем извлечь Ki.

3.4 Шифрование трафика

Согласно спецификации, существует три алгоритма шифрования пользовательского трафика:

A5/0 - формальное обозначение отсутствия шифрования, так же как OPEN в WiFi-сетях. Сам я ни разу не встречал сетей без шифрования, однако, согласно gsmmap.org , в Сирии и Южной Корее используется A5/0.
A5/1 - самый распространенный алгоритм шифрования. Не смотря на то, что его взлом уже неоднократно демонстрировался на различных конференциях, используется везде и повсюду. Для расшифровки трафика достаточно иметь 2 Тб свободного места на диске, обычный персональный компьютер с Linux и программой Kraken на борту.
A5/2 - алгоритм шифрования с умышленно ослабленной защитой. Если где и используется, то только для красоты.
A5/3 - на данный момент самый стойкий алгоритм шифрования, разработанный еще в 2002 году. В интернете можно найти сведения о некоторых теоретически возможных уязвимостях, однако на практике его взлом еще никто не демонстрировал. Не знаю, почему наши операторы не хотят использовать его в своих 2G-сетях. Ведь для это далеко не помеха, т.к. ключи шифрования известны оператору и трафик можно довольно легко расшифровывать на его стороне. Да и все современные телефоны прекрасно его поддерживают. К счастью, его используют современные 3GPP-сети.

Способы атаки
Как уже говорилось, имея оборудование для сниффинга и компьютер с 2 Тб памяти и программой Kraken, можно довольно быстро (несколько секунд) находить сессионные ключи шифрования A5/1, а затем расшифровывать чей-угодно трафик. Немецкий криптолог Карстен Нол (Karsten Nohl) в 2009 году продемонстрировал способ взлома A5/1. А через несколько лет Карстен и Сильвиан Мюно продемонстрировали перехват и способ дешифровки телефонного разговора с помошью нескольких старых телефонов Motorola (проект OsmocomBB).

Заключение

Мой длинный рассказ подошел к концу. Более подробно и с практической стороны с принципами работы сотовых сетей можно будет познакомиться в цикле статей Знакомство с OsmocomBB , как только я допишу оставшиеся части. Надеюсь, у меня получилось рассказать Вам что-нибудь новое и интересное. Жду Ваших отзывов и замечаний! Добавить метки