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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Comment fonctionnent les réseaux GSM. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique /Les communications mobiles GSM (ou système mondial de communications mobiles) a été développé en 1990. Le premier opérateur GSM a accepté des abonnés en 1991, début 1994, les réseaux basés sur la norme en question comptaient déjà 1.3 million d'abonnés, et fin 1995, leur nombre était passé à 10 millions ! Commençons par l'organigramme du réseau le plus complexe et peut-être le plus ennuyeux. La description utilisera des abréviations anglaises internationalement acceptées. La partie la plus simple du schéma fonctionnel - un téléphone portable, se compose de deux parties: le "combiné" lui-même - ME (Mobile Equipment - un appareil mobile) et une carte à puce SIM (Subscriber Identity Module - module d'identification de l'abonné), obtenue lors de la conclusion un contrat avec un opérateur. Comme toute voiture est équipée d'un numéro de carrosserie unique, le téléphone portable a donc son propre numéro - IMEI (International Mobile Equipment Identity - identifiant international d'appareil mobile), qui peut être transmis au réseau à sa demande. La carte SIM, à son tour, contient le soi-disant IMSI (International Mobile Subscriber Identity - numéro d'identification international de l'abonné). Ainsi, IMEI correspond à un téléphone spécifique et IMSI - à un abonné spécifique. Le "système nerveux central" du réseau est NSS (Network and Switching Subsystem - réseau et sous-système de commutation), et le composant qui remplit les fonctions du "cerveau" est appelé MSC (Mobile services Switching Center - centre de commutation). C'est ce dernier que tout le monde appelle "l'interrupteur", et aussi, en cas de problèmes de communication, on lui reproche tous les péchés mortels. Il peut y avoir plus d'un MSC dans le réseau. MSC gère le routage des appels, génère des données pour le système de facturation, gère de nombreuses procédures - il est plus facile de dire ce qui n'est pas du ressort du standard que d'énumérer toutes ses fonctions. Les autres composants de réseau les plus importants, également inclus dans le NSS, j'appellerais le HLR (Home Location Register - le registre des propres abonnés) et le VLR (Visitor Location Register - le registre des mouvements). Faites attention à ces pièces, à l'avenir nous y ferons souvent référence. HLR, grosso modo, est une base de données de tous les abonnés qui ont signé un contrat avec le réseau en question. Il stocke des informations sur les numéros d'utilisateur (les numéros signifient, d'une part, l'IMSI mentionné ci-dessus, et d'autre part, le soi-disant MSISDN-Mobile Subscriber ISDN, c'est-à-dire un numéro de téléphone au sens habituel), une liste des services disponibles et bien plus encore l'autre - plus bas, le texte décrira souvent les paramètres qui se trouvent dans le HLR. Contrairement au HLR, qui est un dans le système, il peut y avoir plusieurs VLR - chacun d'eux contrôle sa partie du réseau. Le VLR contient des données sur les abonnés qui se trouvent sur son (et uniquement son !) territoire (et non seulement ses abonnés sont desservis, mais aussi les itinérants enregistrés dans le réseau). Dès que l'utilisateur quitte la couverture d'un VLR, les informations le concernant sont copiées sur le nouveau VLR, et supprimées de l'ancien. En fait, il y a beaucoup en commun entre ce qui concerne un abonné dans le VLR et dans le HLR - regardez les tableaux pour une liste de données à long terme (tableau 1) et temporaires (tableaux 2 et 3) sur les abonnés stockés dans ces registres. Encore une fois à propos de la différence entre HLR et VLR: le premier contient des informations sur tous les abonnés du réseau, quel que soit leur emplacement, et le second ne contient des données que sur ceux qui se trouvent sur le territoire subordonné à ce VLR. Dans le HLR, pour chaque abonné, il y a toujours un lien vers le VLR qui travaille actuellement avec lui (l'abonné) (dans ce cas, le VLR lui-même peut appartenir à un réseau étranger situé, par exemple, à l'autre bout de La terre). Données à long terme stockées dans HLR et VLR 1. Identité internationale de l'abonné (IMSI)
Données temporaires stockées dans HLR
Données temporaires stockées dans le VLR
NSS contient deux autres composants - AuC (Authentication Center - centre d'autorisation) et EIR (Equipment Identity Register - registre d'identification de l'équipement). Le premier bloc est utilisé pour les procédures d'authentification des abonnés et le second, comme son nom l'indique, est chargé de n'autoriser que les téléphones portables autorisés à fonctionner sur le réseau. L'exécutif, pour ainsi dire, une partie du réseau cellulaire est BSS (Base Station Subsystem - un sous-système de stations de base). Si nous continuons l'analogie avec le corps humain, alors ce sous-système peut être appelé les membres du corps. BSS se compose de plusieurs "bras" et "jambes" - BSC (Base Station Controller - contrôleur de station de base), ainsi que de nombreux "doigts" - BTS (Base Transceiver Station - station de base). Les stations de base peuvent être observées partout - dans les villes, les champs - en fait, ce sont simplement des émetteurs-récepteurs contenant de un à seize émetteurs. Chaque BSC contrôle un groupe entier de BTS et est responsable de la gestion et de la distribution des canaux, du niveau de puissance de la station de base, etc. Habituellement, il n'y a pas un seul BSC dans le réseau, mais un ensemble complet (il y a des centaines et des milliers de stations de base en général). Le fonctionnement du réseau est géré et coordonné à l'aide de l'OSS (Operating and Support Subsystem - un sous-système de gestion et de support). OSS se compose de toutes sortes de services et de systèmes qui contrôlent le fonctionnement et le trafic. Chaque fois que vous allumez votre téléphone après avoir sélectionné un réseau, la procédure d'enregistrement démarre. Considérons le cas le plus général - l'enregistrement non pas à la maison, mais dans le réseau dit invité de quelqu'un d'autre (nous supposerons que le service d'itinérance est autorisé pour l'abonné). Laissez le réseau être trouvé. A la demande du réseau, le téléphone transmet l'IMSI de l'abonné. IMSI commence par le code de pays de «l'enregistrement» du propriétaire, suivi de chiffres identifiant le réseau domestique, puis seulement - le numéro unique d'un abonné particulier. Par exemple, le début de IMSI 25099 ... correspond à l'opérateur russe Beeline. (250-Russie, 99 - Beeline). Sur la base du numéro IMSI, le VLR du réseau invité identifie le réseau domestique et contacte son HLR. Ce dernier envoie toutes les informations nécessaires sur l'abonné au VLR qui en a fait la demande, et place un lien vers ce VLR en lui-même, afin que, le cas échéant, il sache où chercher l'abonné. Le processus de détermination de l'authenticité de l'abonné est très intéressant. Lors de l'enregistrement, le réseau domestique AuC génère un nombre aléatoire de 128 bits - RAND, envoyé au téléphone. À l'intérieur de SIM, en utilisant la clé Ki (clé d'identification - comme IMSI, elle est contenue dans SIM) et l'algorithme d'identification A3, une réponse 32 bits est calculée - SRES (Signed RESult) selon la formule SRES = Ki * RAND. Exactement les mêmes calculs sont effectués simultanément dans AuC (selon le Ki de l'utilisateur sélectionné dans le HLR). Si le SRES calculé dans le téléphone correspond au SRES calculé par AuC, le processus d'autorisation est considéré comme réussi et l'abonné se voit attribuer un TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity). Le TMSI sert uniquement à améliorer la sécurité de l'interaction de l'abonné avec le réseau et peut changer de temps à autre (y compris lors du changement de VLR). Théoriquement, lors de l'inscription, le numéro IMEI devrait également être transmis, mais j'ai de gros doutes sur le fait que l'opérateur de Minsk suit l'IMEI des téléphones utilisés par les abonnés. Considérons un réseau "idéal", fonctionnant comme prévu par les créateurs du GSM. Ainsi, lorsque l'IMEI est reçu par le réseau, il est envoyé à l'EIR, où il est comparé aux soi-disant "listes" de numéros. La liste blanche contient les numéros de téléphones dont l'utilisation est autorisée, la liste noire comprend les IMEI, les téléphones volés ou pour une autre raison dont l'utilisation n'est pas approuvée, et enfin la liste grise - "combinés" avec des problèmes autorisés par le système, mais derrière lequel est surveillé en permanence. Après la procédure d'identification et d'interaction du VLR invité avec le HLR domestique, un compteur de temps est lancé, qui fixe le moment du réenregistrement en l'absence de toute session de communication. Habituellement, la période d'inscription obligatoire est de quelques heures. Le réenregistrement est nécessaire pour que le réseau reçoive la confirmation que le téléphone est toujours dans sa zone de couverture. Le fait est qu'en mode veille, le «combiné» ne surveille que les signaux transmis par le réseau, mais n'émet rien lui-même - le processus de transmission ne commence que si une connexion est établie, ainsi que lors de mouvements importants par rapport au réseau ( ceci sera discuté en détail ci-dessous) - dans de tels cas, le décompte du temps jusqu'au prochain réenregistrement est redémarré. Par conséquent, si le téléphone "tombe" du réseau (par exemple, la batterie a été déconnectée ou le propriétaire de l'appareil est entré dans le métro sans éteindre le téléphone), le système ne le saura pas. Tous les utilisateurs sont divisés au hasard en 10 classes d'accès égal (avec des nombres de 0 à 9). En outre, il existe plusieurs classes spéciales avec des numéros de 11 à 15 (différents types de services d'urgence et d'urgence, personnel du réseau). Les informations de classe d'accès sont stockées dans la carte SIM. Un accès spécial de classe 10 vous permet de passer des appels d'urgence (au numéro 112) si l'utilisateur n'appartient à aucune classe autorisée ou n'a pas du tout d'IMSI (SIM). En cas d'urgence ou de congestion du réseau, certaines classes peuvent se voir temporairement refuser l'accès au réseau. Comme déjà mentionné, le réseau se compose de plusieurs BTS - stations de base (un BTS - une "cellule", cellule). Pour simplifier le fonctionnement du système et réduire le trafic de service, les BTS sont regroupés en groupes - domaines appelés LA (Location Area - zones de localisation). Chaque LA a son propre code LAI (Location Area Identity). Un VLR peut contrôler plusieurs LA. Et c'est le LAI qui est placé dans le VLR pour définir l'emplacement de l'abonné mobile. Le cas échéant, c'est dans la LA correspondante (et non dans une cellule séparée) que l'abonné sera recherché. Lorsqu'un abonné se déplace d'une cellule à une autre au sein de la même LA, le réenregistrement et la modification des enregistrements dans le VLR / HLR ne sont pas effectués, mais dès qu'il (l'abonné) entre sur le territoire d'une autre LA, le téléphone commencera à interagir avec le réseau. Lorsqu'un LA est modifié, le code de l'ancienne zone est effacé du VLR et remplacé par un nouveau LAI, mais si le prochain LA est contrôlé par un autre VLR, alors le VLR sera modifié et l'enregistrement dans le HLR sera mis à jour. . D'une manière générale, le partitionnement d'un réseau en LA est une tâche d'ingénierie plutôt difficile, qui est résolue lors de la construction de chaque réseau individuellement. Des LA trop petites entraîneront un réenregistrement fréquent des téléphones et, par conséquent, une augmentation du trafic de divers types de signaux de service et une décharge plus rapide des batteries des téléphones portables. Si la LA est agrandie, alors, s'il est nécessaire de se connecter avec l'abonné, un signal d'appel devra être envoyé à toutes les cellules incluses dans la LA, ce qui entraînera également une augmentation injustifiée de la transmission des informations de service et une surcharge. les canaux internes du réseau. Examinons maintenant un très bel algorithme du soi-disant handover (ce nom a été donné au changement de canal utilisé lors du processus de connexion). Lors d'une conversation sur un téléphone mobile, pour plusieurs raisons (retrait du "combiné" de la station de base, interférence multi-trajets, déplacement de l'abonné dans la zone dite d'ombre, etc.), la puissance du signal (et la qualité ) peut se détériorer. Dans ce cas, il y aura un passage à un canal (peut-être un autre BTS) avec une meilleure qualité de signal sans interrompre la connexion en cours (j'ajouterai - ni l'abonné lui-même ni son interlocuteur, en règle générale, ne remarquent le transfert qui s'est produit ). Les transferts sont généralement divisés en quatre types : 1. changer de canal dans la même station de base
En général, le transfert est la tâche du MSC. Mais dans les deux premiers cas, appelés transferts internes, afin de réduire la charge sur les lignes de commutation et de service, le processus de changement de canal est contrôlé par le BSC, et le MSC est uniquement informé de ce qui s'est passé. Au cours d'une conversation, le téléphone mobile surveille en permanence le niveau du signal des BTS voisins (la liste des canaux (jusqu'à 16) qui doivent être surveillés est définie par la station de base). Sur la base de ces mesures, les six meilleurs candidats sont sélectionnés et sont constamment (au moins une fois par seconde) transmis au BSC et au MSC pour organiser un éventuel basculement. Il existe deux schémas principaux de transfert : "Mode de commutation le moins élevé" (Performances minimales acceptables). Dans ce cas, lorsque la qualité de la communication se dégrade, le téléphone mobile augmente la puissance de son émetteur le plus longtemps possible. Si, malgré l'augmentation du niveau du signal, la connexion ne s'améliore pas (ou la puissance a atteint son maximum), alors un handover se produit. "Mode économie d'énergie" (Budget de puissance). Dans le même temps, la puissance de l'émetteur du téléphone mobile reste inchangée et, en cas de détérioration de la qualité, le canal de communication (transfert) change.
Parlons maintenant de la façon dont les appels entrants sont acheminés sur un téléphone mobile. Comme précédemment, nous considérerons le cas le plus général lorsque l'abonné se trouve dans la zone de couverture du réseau invité, l'enregistrement a réussi et le téléphone est en mode veille.
Le MSC transmet le numéro d'abonné (MSISDN) au HLR. Le HLR, à son tour, fait une requête au VLR du réseau visité dans lequel se trouve l'abonné. Le VLR alloue l'un des MSRN disponibles (Mobile Station Roaming Number - le numéro de la station mobile "errante"). L'idéologie d'attribution MSRN est très similaire à l'attribution dynamique d'adresses IP dans l'accès Internet commuté via un modem. Le réseau domestique HLR reçoit le MSRN attribué à l'abonné depuis le VLR et, après l'avoir accompagné de l'IMSI de l'utilisateur, le transmet au commutateur du réseau domestique. La dernière étape de l'établissement de la connexion est la direction de l'appel, accompagné de IMSI et MSRN, vers le commutateur de réseau invité, qui génère un signal spécial transmis sur PAGCH (PAGer CHannel - canal d'appel) dans toute la LA où se trouve l'abonné. Le routage des appels sortants ne représente rien de nouveau et d'intéressant d'un point de vue idéologique. Voici quelques-uns des signaux de diagnostic qui indiquent l'impossibilité d'établir une connexion et que l'utilisateur peut recevoir en réponse à une tentative de connexion. Signaux de diagnostic de base pour une erreur de connexion Le numéro de l'abonné est occupé - 425 ± 15 Hz - bip de 500 ms, pause de 500 ms
Publication : cxem.net
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