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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Cómo funcionan las redes GSM. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. /La telefonía móvil GSM (o Sistema Global para Comunicaciones Móviles) fue desarrollado en 1990. El primer operador GSM aceptó abonados en 1991, a principios de 1994, las redes basadas en el estándar en cuestión ya contaban con 1.3 millones de abonados, ¡ya finales de 1995 su número había aumentado a 10 millones! Comencemos con el diagrama de flujo de red más complejo y, quizás, aburrido. La descripción utilizará abreviaturas en inglés internacionalmente aceptadas. La parte más simple del diagrama de bloques, un teléfono portátil, consta de dos partes: el "teléfono" en sí mismo: ME (equipo móvil, un dispositivo móvil) y una tarjeta inteligente SIM (módulo de identidad del suscriptor, módulo de identificación del suscriptor), obtenido al concluir un contrato con un operador. Como cualquier automóvil está equipado con un número de cuerpo único, por lo que el teléfono celular tiene su propio número: IMEI (Identidad internacional de equipo móvil - Identidad internacional de dispositivo móvil), que puede transmitirse a la red a pedido. SIM, a su vez, contiene el llamado IMSI (International Mobile Subscriber Identity - número de identificación de suscriptor internacional). Por lo tanto, IMEI corresponde a un teléfono específico e IMSI, a un suscriptor específico. El "sistema nervioso central" de la red es NSS (Network and Switching Subsystem - red y subsistema de conmutación), y el componente que realiza las funciones del "cerebro" se llama MSC (Mobile services Switching Center - centro de conmutación). Es este último el que todos llaman el "interruptor", y también, en caso de problemas de comunicación, lo culpan de todos los pecados mortales. Puede haber más de un MSC en la red. MSC maneja el enrutamiento de llamadas, genera datos para el sistema de facturación, administra muchos procedimientos: es más fácil decir lo que no es responsabilidad de la centralita que enumerar todas sus funciones. Los siguientes componentes de red más importantes, también incluidos en el NSS, los llamaría HLR (Home Location Register, el registro de suscriptores propios) y VLR (Visitor Location Register, el registro de movimientos). Presta atención a estas partes, en el futuro nos referiremos a ellas con frecuencia. HLR, en términos generales, es una base de datos de todos los suscriptores que han firmado un contrato con la red en cuestión. Almacena información sobre números de usuario (los números significan, en primer lugar, el IMSI mencionado anteriormente, y en segundo lugar, el llamado MSISDN-Mobile Subscriber ISDN, es decir, un número de teléfono en su sentido habitual), una lista de servicios disponibles y mucho más el otro - más abajo, el texto a menudo describirá los parámetros que están en el HLR. A diferencia de HLR, que es uno en el sistema, puede haber varios VLR; cada uno de ellos controla su parte de la red. El VLR contiene datos sobre suscriptores que están en su territorio (¡y solo en él!) (y no solo se atiende a sus suscriptores, sino también a los roamers registrados en la red). Tan pronto como el usuario abandona la cobertura de un VLR, la información sobre él se copia en el nuevo VLR y se elimina del anterior. De hecho, hay mucho en común entre lo que se trata de un suscriptor en el VLR y en el HLR: consulte las tablas para obtener una lista de datos de suscriptores a largo plazo (Tabla 1) y temporales (Tablas 2 y 3) almacenados en estos registros. Una vez más sobre la diferencia entre HLR y VLR: el primero contiene información sobre todos los suscriptores de la red, independientemente de su ubicación, y el segundo contiene datos solo sobre aquellos que se encuentran en el territorio subordinado a este VLR. En el HLR, para cada suscriptor, siempre hay un enlace al VLR que está trabajando actualmente con él (el suscriptor) (en este caso, el propio VLR puede pertenecer a una red ajena ubicada, por ejemplo, en el otro extremo de la tierra). Datos a largo plazo almacenados en HLR y VLR 1. Identidad del suscriptor internacional (IMSI)
Datos temporales almacenados en HLR
Datos temporales almacenados en el VLR
NSS contiene dos componentes más: AuC (Centro de autenticación - centro de autorización) y EIR (Registro de identidad de equipo - registro de identificación de equipo). El primer bloque se utiliza para los procedimientos de autenticación de suscriptores, y el segundo, como su nombre lo indica, es responsable de permitir que solo los teléfonos celulares autorizados operen en la red. El ejecutivo, por así decirlo, parte de la red celular es BSS (Base Station Subsystem - un subsistema de estaciones base). Si continuamos la analogía con el cuerpo humano, entonces este subsistema puede llamarse las extremidades del cuerpo. BSS consta de varios "brazos" y "piernas" - BSC (Controlador de estación base - controlador de estación base), así como muchos "dedos" - BTS (Estación transceptora base - estación base). Las estaciones base se pueden observar en todas partes, en ciudades, campos, de hecho, son simplemente transceptores que contienen de uno a dieciséis emisores. Cada BSC controla un grupo completo de BTS y es responsable de la gestión y distribución de canales, el nivel de potencia de la estación base y similares. Por lo general, no hay un BSC en la red, sino un conjunto completo (hay cientos y miles de estaciones base en general). El funcionamiento de la red se gestiona y coordina mediante OSS (Subsistema de funcionamiento y soporte, un subsistema de gestión y soporte). OSS consta de todo tipo de servicios y sistemas que controlan la operación y el tráfico. Cada vez que enciende su teléfono después de seleccionar una red, se inicia el procedimiento de registro. Consideremos el caso más general: el registro no en el hogar, sino en la red de otra persona, llamada invitado (supondremos que el servicio de roaming está permitido para el suscriptor). Que se encuentre la red. Cuando lo solicita la red, el teléfono transmite el IMSI del suscriptor. IMSI comienza con el código de país del "registro" del propietario, seguido de números que identifican la red doméstica, y solo entonces, el número único de un suscriptor en particular. Por ejemplo, el inicio de IMSI 25099... corresponde al operador ruso Beeline. (250-Rusia, 99 - Beeline). Según el número IMSI, el VLR de la red invitada identifica la red doméstica y se comunica con su HLR. Este último envía toda la información necesaria sobre el suscriptor al VLR que realizó la solicitud, y coloca en sí mismo un enlace a este VLR, para que, en caso de ser necesario, sepa dónde buscar al suscriptor. El proceso de determinación de la autenticidad del suscriptor es muy interesante. Al registrarse, la red doméstica AuC genera un número aleatorio de 128 bits, RAND, enviado al teléfono. Dentro de la SIM, utilizando la clave Ki (clave de identificación, como IMSI, está contenida en la SIM) y el algoritmo de identificación A3, se calcula una respuesta de 32 bits: SRES (RESultado firmado) según la fórmula SRES = Ki * RAND . Exactamente los mismos cálculos se realizan simultáneamente en AuC (según el Ki del usuario seleccionado del HLR). Si el SRES calculado en el teléfono coincide con el SRES calculado por AuC, entonces el proceso de autorización se considera exitoso y al suscriptor se le asigna una TMSI (Identidad Temporal de Suscriptor Móvil). El TMSI sirve únicamente para mejorar la seguridad de la interacción del suscriptor con la red y puede cambiar de vez en cuando (incluso cuando se cambia el VLR). Teóricamente, durante el registro, también se debería transmitir el número IMEI, pero tengo grandes dudas sobre el hecho de que el operador de Minsk rastree el IMEI de los teléfonos utilizados por los suscriptores. Consideremos una red "ideal", que funcione según lo previsto por los creadores de GSM. Entonces, cuando el IMEI es recibido por la red, se envía al EIR, donde se compara con las llamadas "listas" de números. La lista blanca contiene los números de teléfonos autorizados para su uso, la lista negra consta de IMEI, teléfonos robados o por alguna otra razón no aprobados para su uso, y finalmente la lista gris - "teléfonos" con problemas que son permitidos por el sistema, pero detrás de la cual se supervisa constantemente. Después del procedimiento de identificación e interacción del VLR invitado con el HLR de origen, se inicia un contador de tiempo, estableciendo el momento de reinscripción en ausencia de sesiones de comunicación. Por lo general, el período de registro obligatorio es de unas pocas horas. Es necesario volver a registrarse para que la red confirme que el teléfono aún se encuentra en su área de cobertura. El hecho es que en el modo de espera, el "teléfono" solo monitorea las señales transmitidas por la red, pero no emite nada por sí mismo: el proceso de transmisión comienza solo si se establece una conexión, así como durante movimientos significativos en relación con la red ( esto se discutirá en detalle a continuación) - en tales casos, se reinicia el temporizador de cuenta regresiva del tiempo hasta el siguiente registro. Por lo tanto, si el teléfono "se cae" de la red (por ejemplo, se desconectó la batería o el propietario del dispositivo ingresó al metro sin apagar el teléfono), el sistema no lo sabrá. Todos los usuarios se dividen aleatoriamente en 10 clases de acceso igualitario (con números del 0 al 9). Además, hay varias clases especiales con números del 11 al 15 (varios tipos de emergencias y servicios de emergencia, red de personal). La información de clase de acceso se almacena en la tarjeta SIM. Un acceso especial de clase 10 le permite realizar llamadas de emergencia (al número 112) si el usuario no pertenece a ninguna clase permitida o no tiene un IMSI (SIM) en absoluto. En caso de emergencias o congestión de la red, a algunas clases se les puede negar temporalmente el acceso a la red. Como ya se mencionó, la red consta de muchas BTS - estaciones base (una BTS - una "célula", célula). Para simplificar el funcionamiento del sistema y reducir el tráfico de servicios, las BTS se combinan en grupos: dominios llamados LA (Área de ubicación - áreas de ubicación). Cada LA tiene su propio código LAI (Location Area Identity). Un VLR puede controlar múltiples LA. Y es el LAI el que se coloca en el VLR para establecer la ubicación del suscriptor móvil. Si es necesario, es en la LA correspondiente (y no en una celda separada) donde se buscará al suscriptor. Cuando un suscriptor se mueve de una celda a otra dentro de la misma LA, no se realiza la reinscripción y el cambio de registros en el VLR/HLR, pero tan pronto como él (el suscriptor) ingrese al territorio de otra LA, el teléfono comenzará a interactuar con la red. Cuando se cambia un LA, el código del área anterior se borra del VLR y se reemplaza por un nuevo LAI, pero si el siguiente LA está controlado por otro VLR, entonces se cambiará el VLR y se actualizará el registro en el HLR. . En términos generales, dividir una red en LA es una tarea de ingeniería bastante difícil, que se resuelve al construir cada red individualmente. Las LA demasiado pequeñas darán lugar a frecuentes reinscripciones de teléfonos y, como resultado, a un aumento en el tráfico de varios tipos de señales de servicio y una descarga más rápida de las baterías de los teléfonos móviles. Si la LA se hace grande, entonces, si es necesario conectarse con el suscriptor, se deberá enviar una señal de llamada a todas las celdas incluidas en la LA, lo que también conduce a un aumento injustificado en la transmisión de información de servicio y sobrecarga. los canales internos de la red. Ahora veamos un algoritmo muy hermoso del llamado handover (este nombre se le dio al cambio en el canal utilizado durante el proceso de conexión). Durante una conversación en un teléfono móvil, debido a una serie de razones (retirada del "teléfono" de la estación base, interferencia de trayectos múltiples, el suscriptor que se traslada a la llamada zona de sombra, etc.), la intensidad de la señal (y la calidad ) puede deteriorarse. En este caso, habrá un cambio a un canal (tal vez otro BTS) con una mejor calidad de señal sin interrumpir la conexión actual (agregaré: ni el suscriptor ni su interlocutor, por regla general, notan el traspaso que ha ocurrido) . Los traspasos se suelen dividir en cuatro tipos: 1. cambiar canales dentro de la misma estación base
En general, el traspaso es tarea del MSC. Pero en los dos primeros casos, llamados traspasos internos, para reducir la carga en el interruptor y las líneas de servicio, el proceso de cambio de canal es controlado por el BSC, y el MSC solo es informado de lo sucedido. Durante una conversación, el teléfono móvil monitorea constantemente el nivel de la señal de los BTS vecinos (la estación base establece la lista de canales (hasta 16) que deben monitorearse). En base a estas mediciones, se seleccionan los seis mejores candidatos y se informa de forma continua (al menos una vez por segundo) al BSC y al MSC para organizar un posible cambio. Hay dos esquemas principales de traspaso: "Modo de conmutación mínimo" (Rendimiento mínimo aceptable). En este caso, cuando la calidad de la comunicación se deteriora, el teléfono móvil aumenta la potencia de su transmisor tanto como sea posible. Si, a pesar del aumento en el nivel de la señal, la conexión no mejora (o la potencia ha alcanzado su máximo), se produce un traspaso. "Modo de ahorro de energía" (Presupuesto de energía). Al mismo tiempo, la potencia del transmisor del teléfono móvil permanece sin cambios y, en caso de deterioro de la calidad, cambia el canal de comunicación (traspaso).
Ahora hablemos de cómo se enrutan las llamadas entrantes en un teléfono móvil. Como antes, consideraremos el caso más general cuando el suscriptor se encuentra en el área de cobertura de la red de invitados, el registro se realizó correctamente y el teléfono está en modo de espera.
El MSC reenvía el número del suscriptor (MSISDN) al HLR. El HLR, a su vez, realiza una solicitud al VLR de la red visitada en la que se encuentra el abonado. VLR asigna uno de los MSRN disponibles (Número de roaming de estación móvil - el número de estación móvil "errante"). La ideología de asignación de MSRN es muy similar a la asignación dinámica de direcciones IP en el acceso telefónico a Internet a través de un módem. El HLR de la red doméstica recibe del VLR el MSRN asignado al abonado y, acompañándolo del IMSI del usuario, lo pasa al conmutador de la red doméstica. La etapa final del establecimiento de la conexión es la dirección de la llamada, acompañada de IMSI y MSRN, al conmutador de la red invitada, que genera una señal especial transmitida por PAGCH (PAGer CHannel - canal de llamada) en todo el LA donde se encuentra el suscriptor. El enrutamiento de llamadas salientes no representa nada nuevo e interesante desde un punto de vista ideológico. Estas son solo algunas de las señales de diagnóstico que indican la imposibilidad de establecer una conexión y que el usuario puede recibir en respuesta a un intento de conexión. Señales de diagnóstico básicas para un error de conexión El número del suscriptor está ocupado - 425±15 Hz - 500ms bip, 500ms pausa
Publicación: cxem.net
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