TÉMA: Ako fungujú GSM siete

Siete prvej generácie

V priebehu 80. rokov minulého storočia sa na rozdiel od vtedajšieho Československa v krajinách západnej Európy rapídne rozširovala tzv. 1. generácia mobilných systémov. Pretože tieto systémy boli analógové a vo viacerých krajinách sa značne líšili, siete prvej generácie neumožňovali vzájomný roaming. Medzi najznámejšie európske systémy tej doby patril škandinávsky NMT (Nordic Mobile Telephone, neskôr po revolúcií nasadený aj v bývalom Československu), či britský TACS (Total Access Communication System).

Siete druhej generácie – GSM

Hlavná idea pri tvorbe nového mobilného štandardu spočívala v prechode na digitálny systém, ktorý umožňuje kompatibilitu medzi krajinami Európy (a ideálne celého sveta). Komerčná prevádzka systému GSM (globálny systém pre mobilnú komunikáciu) začala už v roku 1991, a za niekoľko málo rokov sa systém stal dominantným. V súčasnosti sa vo svete nachádza niekoľko, najmä frekvenčných, variantov tohto systému, preto sa často na mobilných zariadeniach (staniciach) stretávame s označením GSM 900/1800/1900. Tieto čísla znamenajú približnú frekvenciu, na ktorej GSM sieť pracuje a ktorú telefón podporuje. V Európe je štandardom frekvencia 900 MHz, v Severnej Amerike 1900 MHz.

Architektúra siete GSM

Architektúra systému GSM je navrhnutá tak, aby umožňovala prístup aj do iných sietí. Možno ju rozdeliť na tri časti:

1. subsystém základových staníc BSS (base station subsystem)

2. sieťový a spínací subsystém NSS (network switching subsystem)

3. operačný subsystém OSS (operational support systems)

TÉMA: Ako fungujú GSM siete Zdroj: www.fony.sk

Bežný používateľ prichádza do kontaktu s prvou častou systému. Jeho mobilný telefón sa pripája na základovú stanicu - BTS (base transceiver station) s najlepším signálom. Množina základových staníc tvorí tzv. subsystém, ktorý je riadený základovou riadiacou jednotkou BSC (base station controller). Všetky tieto riadiace jednotky spadajú pod správu mobilnej rádiotelefónnej ústredne MSC (mobile switching center) začlenenú do subsystému NSS.

Súčasťou tohto subsystému sú aj domovský register HLR (home location register - obsahuje informácie o sprístupnených službách používateľov), návštevnícky register VLR (visitor location register - databáza aktuálne obsluhovaných mobilných staníc v rámci ústredne) a autentifikačného centra AuC (overenie totožnosti účastníka pred zahájením spojenia). Operačný subsystém dohliada na prevádzku a údržbu celého systému.

Princíp bunkového systému

Systém pokrytia oblasti GSM signálom spočíva v rozdelení daného územia do malých buniek. Tento spôsob je veľmi efektívny a výrazne šetrí frekvenčné spektrum. Ako vidno na obrázku, pre pokrytie veľkej oblasti je potrebných iba niekoľko frekvencií (kanálov), ktoré je po určitej vzdialenosti možné opätovne opakovať. Zároveň namiesto jednej základovej stanice s vysokým výkonom, ktorá by musela obhospodarovať obrovské množstvo hovorov, postačujú malé stanice s nízkym výkonom a menšími výpočtovými nárokmi na obsluhu hovorov.

TÉMA: Ako fungujú GSM siete Zdroj: www.fony.sk

Veľkosť buniek je závislá na objeme spracovaných hovorov. Kým v riedko osídlených oblastiach majú bunky niekoľko desiatok kilometrov, v hustej mestskej zástavbe iba stovky metrov. Pri koncipovaní bunkového pokrytia bolo potrebné venovať náležitú pozornosť prechodu medzi susednými bunkami. Tomuto procesu sa anglicky hovorí Handover. V sieti GSM sa používa Handover riadený za spoluúčasti mobilnej stanice. Mobilný telefón neustále monitoruje intenzitu signálu a v prípade, že našiel základovú stanicu s lepšou kvalitou signálu akou je tá, na ktorej je aktuálne prihlásený, informuje o tom "svoju" základovú stanicu BTS. Tá podľa prijatých informácií rozhodne, či je zmena stanice potrebná. Počas prehlásenia sa na novú základovú stanicu dochádza na malý okamih k prerušeniu spojenia, ktoré je ale pre používateľa nepostrehnuteľné. Tento typ Handoveru môže robiť problémy pri prenose dát, pretože spôsobuje stratu prenášaných paketov.

Spôsob komunikácie medzi mobilnou stanicou a základnou stanicou BTS

Európsky systém GSM 900 pracuje s frekvenčným rozsahom 890 až 960 MHz. Toto pásmo je rozdelené na dve časti podľa toho, či ide o uplink (spojenie od mobilu k BTS) alebo downlink (od BTS k telefónu). Pre uplink je frekvenčný rozsah 890 - 915 MHz, pre downlink 935 - 960 MHz. V rámci každého pásma je s odstupom 200 kHz vytvorených dohromady 124 rádiových kanálov (890,2 MHz, 890,4 MHz, ...). V každom z nich je pomocou časového delenia vytvorených 8 časových intervalov s dĺžkou 0,577 ms, teda jeden prenesený rámec jedného rádiového kanálu pre 8 užívateľov má dĺžku 4,615 ms. Celková kapacita systému je potom 124 x 8 = 992 účastníckych spojení. Pre porovnanie systém GSM 1800 má namiesto 124 až 374 rádiových kanálov a GSM 1900 až 299 kanálov.

TÉMA: Ako fungujú GSM siete Zdroj: www.fony.sk

Mobilná stanica (väčšinou mobilný telefón) obsahuje dve dôležité čísla potrebné pri prihlásení do siete. Každá mobilná stanica je jednoznačne identifikovaná pomocou IMEI čísla (International Mobile Station Equipment Identity) uloženého v pamäti telefónu a IMSI čísla (International mobile Subscriber Identity) zo SIM karty prideleného operátorom. Toto číslo sa skladá z kódu krajiny (3 čísla), kódu operátora a identifikačného čísla mobilnej stanice (až 9 číslic). Číslo IMSI sa posiela len pri prvom prihlásení, následne je nahradené TMSI (dočasným (temporary) identifikačným číslom) uloženým v návštevníckom registri VLR, čím je zabezpečená anonymita v sieti. Overenie totožnosti SIM karty prebieha pomocou jednoduchého princípu. V AuC je vygenerované náhodne číslo a na základne autentizačného kľúča a šifrovacieho mechanizmu je dopočítaná odozva SRES na toto náhodné číslo. To je zároveň preposlané na mobilnú stanicu. SIM karta na základe rovnakého postupu dopočíta SRES a hodnota je poslaná do návštevníckeho registra. Tam je porovnaná s vygenerovanou hodnotou SRES z AuC a pokiaľ sa zhodujú, overenie prebehlo úspešne a mobilná stanica je prihlásená do systému. Hlavná úloha čísla IMEI po prihlásení je porovnanie s databázou ukradnutých mobilných staníc a prípadne zablokovanie prístupu do siete.

Lokalizovanie pomocou komunikácie medzi mobilnou stanicou a BTS

Komunikácia medzi mobilnou stanicou a BTS umožňuje v krízových prípadoch lokalizáciu mobilnej stanice. Keďže každá bunka má svoje identifikačné číslo Cell ID, operátor vie okamžite lokalizovať oblasť pripojenia k BTS. Pretože však najmä v oblastiach s malou hustotou osídlenia majú bunky rozlohu aj niekoľko kilometrov, je potrebné použiť doplňujúce informácie pre spresnenie polohy. Tým je Timing advance (TA), ktorý predstavuje dobu šírenia signálu medzi stanicou a BTS. Aj tento parameter poskytuje len hrubý odhad vzdialenosti, k zmene parametru TA dochádza pri približne každých 550 m od BTS. Najpresnejšiu metódu predstavuje lokalizácia pomocou triangulácie viacerých BTS doplnených o hodnoty TA. Táto metóda je technicky dosť náročná na vzájomnú synchronizovanú komunikáciu BTS.

Autor je systémový a sieťový administrátor.