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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Como funcionam as redes GSM. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica /A telefonia móvel GSM (ou Sistema Global para Comunicações Móveis) foi desenvolvido em 1990. O primeiro operador GSM aceitou assinantes em 1991, no início de 1994 as redes baseadas no padrão em questão já contavam com 1.3 milhões de assinantes e no final de 1995 o seu número aumentou para 10 milhões! Vamos começar com a coisa mais complexa e, talvez, chata - o diagrama de blocos da rede. Abreviaturas em inglês aceitas internacionalmente serão usadas na descrição. A parte mais simples do diagrama estrutural é um telefone portátil, composto por duas partes: o próprio “telefone” - ME (Equipamento Móvel - dispositivo móvel) e um cartão inteligente SIM (Módulo de Identidade do Assinante - módulo de identificação do assinante), obtido na conclusão de um contrato com a operadora. Assim como qualquer carro é equipado com um número de carroceria único, o celular possui um número próprio - IMEI (International Mobile Equipment Identity), que pode ser transmitido para a rede mediante sua solicitação. O SIM, por sua vez, contém o chamado IMSI (International Mobile Subscriber Identity – número internacional de identificação de assinante). Assim, o IMEI corresponde a um telefone específico e o IMSI a um assinante específico. O “sistema nervoso central” da rede é o NSS (Network and Switching Subsystem), e o componente que desempenha as funções do “cérebro” é denominado MSC (Mobile Services Switching Center). É este último que todos chamam de “switch”, e também, em caso de problemas de comunicação, é responsabilizado por todos os pecados mortais. Pode haver mais de um MSC na rede. A MSC está envolvida no roteamento de chamadas, na geração de dados para o sistema de cobrança e no gerenciamento de diversos procedimentos - é mais fácil dizer o que não é de responsabilidade da central do que listar todas as suas funções. Os próximos componentes de rede mais importantes, também incluídos no NSS, eu chamaria de HLR (Home Location Register - um registro de assinantes próprios) e VLR (Visitor Location Register - um registro de movimentos). Preste atenção a essas partes, iremos mencioná-las frequentemente no futuro. O HLR, grosso modo, é um banco de dados de todos os assinantes que firmaram contrato com a rede em questão. Armazena informações sobre números de usuários (os números significam, em primeiro lugar, o IMSI mencionado acima e, em segundo lugar, o chamado ISDN MSISDN-Mobile Subscriber, ou seja, um número de telefone no sentido usual), uma lista de serviços disponíveis e muito mais outros - mais adiante no texto serão frequentemente descritos os parâmetros localizados no HLR. Ao contrário do HLR, que é um no sistema, pode haver vários VLRs - cada um deles controla sua própria parte da rede. O VLR contém dados sobre assinantes que estão localizados em seu (e somente seu!) território (e atende não apenas seus próprios assinantes, mas também roamers cadastrados na rede). Assim que um usuário sai da área de cobertura de um VLR, as informações sobre ele são copiadas para o novo VLR e excluídas do antigo. Na verdade, há muito em comum entre o que está disponível sobre o assinante no VLR e no HLR - veja as tabelas que mostram uma lista de dados de longo prazo (Tabela 1) e temporários (Tabelas 2 e 3) sobre assinantes armazenados nesses registros. Mais uma vez sobre a diferença entre HLR e VLR: o primeiro contém informações sobre todos os assinantes da rede, independentemente da sua localização, e o segundo contém dados apenas sobre aqueles que estão localizados no território sob jurisdição deste VLR. No HLR, para cada assinante há sempre um link para o VLR que está atualmente trabalhando com ele (o assinante) (enquanto o próprio VLR pode pertencer à rede de outra pessoa, localizada, por exemplo, do outro lado da Terra) . Dados de longo prazo armazenados em HLR e VLR 1. Identidade de Assinante Internacional (IMSI)
Dados temporários armazenados em HLR
Dados temporários armazenados no VLR
O NSS contém mais dois componentes - AuC (Centro de Autenticação) e EIR (Registro de Identidade de Equipamento). O primeiro bloco é utilizado para procedimentos de autenticação do assinante, e o segundo, como o nome sugere, é responsável por permitir que apenas celulares autorizados operem na rede. A parte executiva, por assim dizer, da rede celular é o BSS (Base Station Subsystem). Se continuarmos a analogia com o corpo humano, então esse subsistema pode ser chamado de membros do corpo. O BSS consiste em vários “braços” e “pernas” - BSC (Base Station Controller - controlador de estação base), bem como muitos "dedos" - BTS (Base Transceiver Station - estação base). As estações base podem ser observadas em todos os lugares - em cidades, campos - na verdade, elas são simplesmente dispositivos de recepção e transmissão contendo de um a dezesseis emissores. Cada BSC controla um grupo inteiro de BTSs e é responsável pelo gerenciamento e alocação de canais, níveis de potência da estação base e assim por diante. Normalmente não existe um BSC na rede, mas um conjunto completo (geralmente existem centenas e milhares de estações base). A operação da rede é gerenciada e coordenada por meio de OSS (Subsistema Operacional e de Suporte). O OSS consiste em todos os tipos de serviços e sistemas que controlam a operação e o tráfego. Cada vez que você liga o telefone após selecionar uma rede, o procedimento de registro é iniciado. Consideremos o caso mais geral - registro não na rede doméstica, mas na rede de outra pessoa, chamada de convidado (assumiremos que o serviço de roaming é permitido ao assinante). Deixe a rede ser encontrada. A pedido da rede, o telefone transmite o IMSI do assinante. O IMSI começa com o código do país de seu proprietário, seguido dos números que definem a rede doméstica, e só então - o número exclusivo de um assinante específico. Por exemplo, o início de IMSI 25099... corresponde à operadora russa Beeline. (250-Rússia, 99 - Beeline). Com base no número IMSI, o VLR da rede convidada identifica a rede doméstica e comunica-se com o seu HLR. Este último transmite todas as informações necessárias sobre o assinante ao VLR que fez a solicitação, e coloca um link para este VLR para que, se necessário, saiba “onde procurar” o assinante. O processo de determinação da autenticidade de um assinante é muito interessante. Ao se cadastrar, o AuC da rede doméstica gera um número aleatório de 128 bits – RAND – que é enviado para o telefone. Dentro do SIM, usando a chave Ki (a chave de identificação - assim como o IMSI, está contida no SIM) e o algoritmo de identificação A3, é calculada uma resposta de 32 bits - SRES (Signed RESult) usando a fórmula SRES = Ki * Rand. Exatamente os mesmos cálculos são realizados simultaneamente no AuC (de acordo com o Ki do usuário selecionado no HLR). Se o SRES calculado no telefone corresponder ao SRES calculado pelo AuC, o processo de autorização é considerado bem-sucedido e o assinante recebe uma TMSI (Identidade Temporária de Assinante Móvel). O TMSI serve exclusivamente para melhorar a segurança da interação do assinante com a rede e pode mudar periodicamente (inclusive quando o VLR é alterado). Teoricamente, o número IMEI também deveria ser transmitido durante o registro, mas tenho sérias dúvidas sobre o fato de a operadora de Minsk rastrear o IMEI dos telefones utilizados pelos assinantes. Consideremos uma certa rede “ideal” que funcione conforme pretendido pelos criadores do GSM. Assim, quando o IMEI é recebido pela rede, ele é enviado para o EIR, onde é comparado com as chamadas “listas” de números. A lista branca contém os números de telefones autorizados para uso, a lista negra consiste em telefones IMEI, roubados ou por algum outro motivo não aprovados para uso e, por fim, a lista cinza - “aparelhos” com problemas, cujo funcionamento é permitido pelo sistema, mas para o qual é realizado monitoramento constante. Após o procedimento de identificação e interação do VLR convidado com o HLR inicial, é iniciado um contador de tempo, marcando o momento do recadastramento na ausência de quaisquer sessões de comunicação. Normalmente, o período de registro obrigatório é de várias horas. O recadastramento é necessário para que a rede receba a confirmação de que o telefone ainda está dentro de sua área de cobertura. O fato é que no modo standby o “telefone” apenas monitora os sinais transmitidos pela rede, mas não emite nada sozinho - o processo de transmissão começa apenas quando uma conexão é estabelecida, bem como durante movimentos significativos em relação à rede ( isso será discutido em detalhes abaixo) - nesses casos, a contagem regressiva até o próximo novo registro começa novamente. Portanto, se o telefone “cair” da rede (por exemplo, a bateria foi desconectada ou o dono do aparelho entrou no metrô sem desligar o telefone), o sistema não saberá. Todos os usuários são divididos aleatoriamente em 10 classes de acesso iguais (numeradas de 0 a 9). Além disso, existem diversas classes especiais com números de 11 a 15 (vários tipos de serviços de urgência e emergência, pessoal de serviço de rede). As informações sobre a classe de acesso são armazenadas no SIM. Uma classe especial de acesso 10 permite efectuar chamadas de emergência (para o 112) caso o utilizador não pertença a nenhuma classe permitida ou não possua IMSI (SIM). Em caso de emergências ou sobrecarga da rede, algumas turmas poderão ter o acesso temporariamente negado à rede. Como já mencionado, a rede consiste em vários BTS - estações base (um BTS - uma "célula", célula). Para simplificar o funcionamento do sistema e reduzir o tráfego de serviço, os BTS são combinados em grupos - domínios, denominados LA (Location Area). Cada LA possui seu próprio código LAI (Location Area Identity). Um VLR pode controlar vários LAs. E é o LAI que é colocado no VLR para definir a localização do assinante móvel. Se necessário, é no LA correspondente (e não em célula separada) que o assinante será procurado. Quando um assinante se desloca de uma célula para outra dentro do mesmo LA, não são realizados recadastramentos e alterações de entradas no VLR/HLR, mas assim que ele (assinante) entra no território de outro LA, a interação do telefone com o rede começa. Quando um LA é alterado, o código de área antigo é apagado do VLR e substituído por um novo LAI, mas se o próximo LA for controlado por outro VLR, o VLR é alterado e a entrada no HLR é atualizada. De modo geral, dividir uma rede em LA é um problema de engenharia bastante difícil, que é resolvido construindo cada rede individualmente. Um LA muito pequeno levará a um recadastramento frequente de telefones e, como resultado, a um aumento no tráfego de vários tipos de sinais de serviço e a uma descarga mais rápida das baterias dos telefones celulares. Se aumentar o LA, então, se for necessário conectar-se a um assinante, o sinal de chamada terá que ser enviado para todas as células incluídas no LA, o que também leva a um aumento injustificado na transmissão de informações de serviço e sobrecarga de canais da rede interna. Agora vejamos um algoritmo muito bonito do chamado handover (este é o nome dado à mudança do canal utilizado durante o processo de conexão). Durante uma conversa num telemóvel, devido a uma série de razões (remoção do aparelho da estação base, interferência multipercurso, movimento do assinante para a chamada zona de sombra, etc.), a potência (e qualidade) do o sinal pode deteriorar-se. Neste caso, ocorrerá uma mudança para um canal (talvez outro BTS) com melhor qualidade de sinal sem interromper a conexão atual (acrescentarei que nem o próprio assinante nem seu interlocutor, via de regra, percebem a transferência ocorrida). As transferências são geralmente divididas em quatro tipos: 1. mudar de canal dentro de uma estação base
Em geral, a transferência é tarefa do MSC. Mas nos dois primeiros casos, chamados de handovers internos, para reduzir a carga nas linhas de comunicação do switch e do serviço, o processo de mudança de canal é controlado pelo BSC, e o MSC apenas é informado do ocorrido. Durante uma conversa, o celular monitora constantemente o nível do sinal dos BTS vizinhos (a lista de canais (até 16) que precisam ser monitorados é definida pela estação base). Com base nessas medições, são selecionados os seis melhores candidatos, cujos dados são constantemente transmitidos (pelo menos uma vez por segundo) ao BSC e ao MSC para organizar uma possível transição. Existem dois esquemas principais de transferência: "Modo de comutação mais baixo" (desempenho mínimo aceitável). Neste caso, quando a qualidade da comunicação se deteriora, o telemóvel aumenta a potência do seu transmissor ao máximo. Se, apesar de aumentar o nível do sinal, a conexão não melhorar (ou a potência atingir o máximo), ocorre o handover. "Modo de poupança de energia" (orçamento de energia). Ao mesmo tempo, a potência de transmissão do telefone móvel permanece inalterada e, se a qualidade piorar, o canal de comunicação (transferência) muda.
Vamos agora falar sobre como as chamadas recebidas de celulares são roteadas. Como antes, consideraremos o caso mais geral, quando o assinante está dentro da área de cobertura da rede convidada, o registro foi bem-sucedido e o telefone está no modo standby.
O MSC envia o número do assinante (MSISDN) ao HLR. O HLR, por sua vez, faz uma solicitação ao VLR da rede convidada na qual o assinante está localizado. O VLR atribui um dos MSRNs (Mobile Station Roaming Number) à sua disposição. A ideologia da atribuição MSRN é muito semelhante à atribuição dinâmica de endereços IP no acesso dial-up à Internet através de um modem. O HLR da rede doméstica recebe do VLR o MSRN atribuído ao assinante e, acompanhando-o com o IMSI do usuário, transmite-o ao switch da rede doméstica. A etapa final do estabelecimento da conexão é encaminhar a chamada, acompanhada de IMSI e MSRN, para o switch da rede visitante, que gera um sinal especial transmitido no PAGCH (PAGer CHannel) em todo o LA onde o assinante está localizado. O encaminhamento de chamadas de saída não representa nada de novo ou interessante do ponto de vista ideológico. Darei apenas alguns dos sinais de diagnóstico que indicam a impossibilidade de estabelecer uma conexão e que o usuário pode receber em resposta a uma tentativa de estabelecer uma conexão. Sinais básicos de erro de diagnóstico ao estabelecer uma conexão O número do assinante está ocupado - 425±15 Hz - bipe de 500 ms, pausa de 500 ms
Publicação: cxem.net
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