Как работи GSM

Обща характеристика на мрежата

Базовата станция (BS) е приемо/предвател, свързващ Вашия клетъчен телефонен апарат с клетъчната мрежа. Всяка базова станция се нарича клетка, защото има покритие в точно определена област. Всички базови станции са свързани за да можете да получавате надеждна връзка когато се придвижвате от една клетка в друга. Този процес се нарича “прехвърляне” (hand-over). Група базови станции се включват в определен Контролер на Базови Станции (BSC).

Съвкупността (наричана Мобилна станция, или терминал) от Вашия клетъчен телефон и SIM-модул представлява един вид електронен подпис (включващ абонатния Ви номер), който се изпраща да най-близката клетка като заявка, че Вие като абонат желаете достъп до системата. BSC предава заявката до сърцето на клетъчната мрежа - Мобилния Комутационeн Център (MSC). MSC се грижи за осигуряването на връзка, трасе за входящите и изходящи обаждания oт и до фиксирани или мобилни телефонни мрежи.

MSC съдържа критичен компонент, наречен HLR (Home Location Register) - вътрешен регистър (регистър на вътрешните местоположения), осигуряващ административна информация, идентифицираща Ви като конкретен абонат. Веднъж получил заявка от клетъчния телефон, HLR незабавно сравнява специалната сигнатура в заявката с тази, в данните за абоната. Ако абонамента Ви е коректен, MSC изпраща по обратния път, чрез системата от клетки до телефона Ви съобщение, че сте допуснат до мрежата. Обикновено в този момент на екрана на апарата се изписва името на клетъчната мрежа. От тук нататък може да приемате и да правите обаждания.

В момента, в който HLR регистрира свързването Ви в мрежата, се отбелязва в обхвата на коя точно клетка сте, за да може в последствие MSC да осигури трасе за повиквания към Вашия номер. При постъпване на повикване, MSC първо проверява HLR за да разбере местоположениято Ви. Във всеки момент, клетъчният телефон ще изпраща съобщение до най-близката клетка за да информира мрежата къде сте. Този процес е известен като polling.
Всяка базова станция използва чисто цифрова технология за да може да поддържа внушителен брой абонати едновременно свързани в клетъчната мрежа, а освен това да им позволи да правят и приемат обаждания. Тази техника на накъсване се нарича мултиплексиране.

Следейки Вашето местоположение и електронната абонатна сигнатура, мрежата успява да пренасочи обажданията Ви към базовата станция, в чийто обхват е телефонът Ви, дори и други абонати в същия момент да са свързани към нея.

Когато се прехвърлите към друга клетка (например докато шофирате), информацията в HLR автоматично се обновява за да се осъществи точно рутиране на сигнала за Вашите обаждания.

Когати желаете да направите изходящо обаждане, се активира друг модул на MSC наречен VLR (Visitor Location Register )-регистър, който проверява дали всъщност Ви е разрешено да правите обаждания. (Например, за Вашия абонатен номер може да са забранени международни разговори). Отговорът на VLR се препраща обратно към Вашия телефонен апарат.

Гласова поща (VoiceMail) и Център за кратки съобщения (SMS) са други услуги, които MSC предоставя. SMS съобщенията се предават по отделен канал от разговорите, и можете да получавате кратки съобщения дори когато говорите.

Основната част на клетъчната мобилна мрежа е Мобилният комутационен център (MSC). Той действа точно както комутационното оборудване в обществена телефонна мрежа (PSTN) или ISDN - цифрова мрежа. Добавени са и функционални възможности, типични за обслужване на мобилен абонат - като регистрация, идентификация, следене на местоположението, прехвърляне към друга клетка, роуминг и др. Контрола и управлението на преноса на информация между различните подсистеми се постига чрез широкоизползван стандартизиран протокол, наречен Signalling System 7, или SS7.

Двата регистъра HLR и VLR осигуряват възможността за роуминг на GSM. HLR съдържа цялата административна информация за всеки абонат, регистриран в съответната мрежа, заедно с текущото местоположение. Ako обаче мобилната станция е напуснала зоната на своята система, ще бъде обслужена от друга такава. Тогава административната информация за абоната се записва във VLR-регистъра на новата GSM-мрежа. VLR съдържа основно информация за всеки "гост" на мрежата - абонат на друга GSM мрежа. Тази информация се получава от HLR-регистъра на съответната състема и е необходима за управление и контрол на разговорите на всички абонати.

Интересно е да се отбележи, че докато VLR-информацията се съсредоточава географски на едно място заедно с MSC, то HLR-регистрите обикновено се изграждат като разпределена база данни.

Има два други основни регистъра, свързани със съображения за сигурност. EIR (Регистър за идентификация на оборудването) е списък, съдържащ данни за всеки мобилен терминал, използван от системата, представен чрез IMEI. IMEI бива указан за мрежата като "черен", ако е докладван като откраднат или неодобрен за използване. АUC (Център за идентификация и проверка, Authentication Centre) е защитена база данни, която съдържа дубликат на секретния ключ КА, записан в SIM картата на всеки абонат.

Този ключ се използва за идентификация и кодиране на радиоканала по време на разговор.

От глас до радиовълни

Беше изяснено, че като цифрова система, GSM не може да предава човешката реч в аналогова форма и тя трябва да дигитализира. Методът, използван от ISDN, на мултиплексиране на няколко гласови линии върху високоскоростни оптични магистрали със скорост 64kpbs e твърде неприемлив за радио вълни.

GSM използва много интересен метод за кодиране и компресия на глас , от фамилията алгоритми с линейно предсказване, RPE-LPC (Regular Pulse Excited - Linear Predictive Code) - регулярен, с импулсно възбуждане код с линейно предсказване, с дълъг цикъл нa предсказване. Идеята е следната: човешката реч се накъсва нa 20ms, за които се снемат дискрети, които се кодират с 260 бита (обща скорост 13кбита/сек). За кодирането на информацията се използват две особености на човешкия говорен тракт - изговаряме определен набор звуци и шумове, които не се променят много бързо. Следователно, всяка малка част от говорната информация е линейна комбинация от предишни. Задачата на алгоритъма RPE-LPC е да “предскаже” текущо снетите дискрети като линейна комбинация на коефициенти от предни дискретни части на речта, и освен това, да кодира по подходящ начин разликите между “предсказаните” дискрети и реалните. Поради наличието електромагнитни взаимодействия, така кодирана информация или данни трябва да се пренасят защитени в ефира. GSM използва гъвкаво кодиране и поблоково изместване. Тези алгоритми обаче се различават за данни и глас. По време на тестването на вече описаното кодиране се откри, че от 260-те бита за 20ms, някои отделни битове са много по-важни от други за доброто възприемане на речта. Затова отделните битове се разделят на три класа. Клас Ia - 50 бита - най-чувствителни към грешки Клас Ib - 132 бита - средно чувствителни към грешки Клас II - 78 бита - най-малко чувствителни към грешки.

За откриване на евентуално възникнали грешки, към битовете от клас Ia се добавят 3 бита CRC-код. Ако с негова помощ се открият възникнали грешки, пакетът данни се произнася за изцяло повреден и се отхвърля. На негово място се използва леко затихнат вариант на предишен коректно приет пакет. Тези 53 бита, заедно с 132 от клас Ib плюс 4 стопови бита (общо 189) се подават на конволютивен кодер с коефициент 1/2.
Основната функция на този кодер е да добави битове - излишъци. Кодерът се дефинира от три параметъра - n,k и K, kато к е броя на входните битове, n - броя на изходните битове, а К-броя битове в паметта на кодера. Коефициентът R се дефинира по следният начин: R=k/n. Нека имаме следното положение: к=1, n=2, R=1/2 , K=5. Тези стойности означават, че кодерът ще добавя бит на излишък към всеки един входен, освен това конволютивният кодер ще използва 5 последователни бита за да сметне бита-излишък.

Ако се върнем на нашия пакет от 189 бита, при кодиране ще получим общо 378 изходни бита, към които се добавят оставащите 78 клас II (koито остават незащитени). В резултат на всичко казано до тук може да се заключи, че на всеки 20ms получаваме гласов пакет 456 бита (22.8kbps). За допълнителна защита срещу пакетни грешки от радио-влияния, всеки гласов пакет се размества диагонално. Тези 456 изходни бита се разделят на 8 блока от 57 бита, и тези блокове се предават в осем поредни времеви пакетни интервала. Както бе споменато по-рано, всеки пакет от канала съдържа два 57-битови блока и следователно всеки пакет от трафичния канал пренася по един речев пакет от два различни разговора.

Интересен е въпросът как се кодира даннов поток. Имаме две основни разлики между кодиране на данни и реч - при данни не можем да направим приеманията за линейно предсказване, и следователно не можем да различим повече или по-малко уязвими към грешките битове. Поради това се предпочита блоково кодиране - към 240 входни бита се добавят 4 в края, получавайки 244. В последствие отново се използва koнволютивен кодер с коефициент 1/2, добавящ битове на излишък за защита на информацията от грешки. Генерира се блок от 488 бита, които се разбиват за получаване на блок от 456. За целта 32 бита (от 488) с номера C (11 + 15 j) за j = 0, 1, ..., 31 не се предават.

Ще споменем и начина, по който се кодират контролните канали. Управляващата информация е в 184 бита, към които се добавят 40 за контрол по четност и 4 бита в края. Следва извиващ кодер (R = 1/2, K = 5), като се получава пакет от 456 бита.

Както бе казано по-рано, разместването на готовите информационни битове, представлява преустройване на група битове по точно определен начин. Този начин, използван съвместно с FEC (Forward Error Correction) код подобрява значително ефективността на коригиращите механизми при откриване на грешки. Специално, методът на разместване намалява възможността за загуба на цели пакети при предаване , изхождайки от факта, че грешките най-често са концентрирани.

Нека изясним първо как се разместват контролните канали. По-нагоре стана известно, че един GSM -пакет съдържа два блока от 57 бита. Каналният кодер изработва поредица от 456 бита, които се поделят на 8 блока от 57 бита. Първият блок битове съдържа битове с номера 0,8,16,24....,448, вторият - с номера 1,9,17,25...,449 и т.н. до последният, който съдържа битове с номера 7,15,23,...,455. От така получените осем блока от по 57 бита,първите четири се разполагат в четните битове на четири TDMA-пакета, а останалите четири - в нечетните битове на същите пакети. Казаното може да се обобщи, че контролните GSM канали се разместват така, че на всеки четири пакета започва нов блок контролна информация. Тази операция се нарича правоъгълно блоково разместване.

Говорните канали се разместват по подобен начин. След получаване на осемте поредици от по 57 бита, те се разместват по различен начин. Първите четири блока от 57 бита се разполагат в четни битове от четири последователни пакета. Следващите четири блока от 57 бита се разполагат в нечетни битове в следващите четири пакета. Така вложената дълбочина на разместване на гласовите канали става 8 (докато при контролните е 4). Тази операция се нарича блоково диагонално разместване.

Разместването на GSM-данни, предавани в TCH канали е с дълбочина на 22 и се извършва по следният начин. Получената поредица от 456 бита след кодиране се поделя на:16 блока по 24 бита, 2 блока по 18 бита, 2 блока по 12 бита и 2 блока по 6 бита. Получените блокове се разпределят в TDMA - пакетите по следният начин:

първият и двадесет и втория пакет пренасят по един 6-битов блок; вторият и двадесет и първият пакет пренасят по един 12-битов блок; третият и двадесетият пакет пренасят по един 18-битов блок; четвъртият до деветнадесетият блок пренасят по един 24-битов блок.
Данните отново са диагонално разместени, като на всеки четири пакета започва отделен блок.

Следващата процедура е формирането (сглобяването) на пакети, чиято структура беше вече разгледана.

Образуваните пакети за предаване трябва да се шифрират, за защита на предаваните сигнали и данни. Както се запознахме, шифриращият ключ се изработва от SIM-картата с помощта на А8-алгоритъм, записан там. След това, алгоритъмът А5 изработва от шифриращия ключ 114-битова поредица, с която се извършва XOR-операция над два блока от 57 бита в нормален пакет. Макар очевидно, трябва да се спомене, че приемникът (базовата станция или мобилната система) трябва да използват същият алгоритъм за дешифриране.

Цифровият сигнал се модулира с честотна лента 200KHz с помощта на GMSK модулация - Gaussianfiltered Minimum Shift Keying - филтър на Гаус с минимално регистрово превключване. GMSK въплътява множество математически принципи, от гледна точка на сложността на проблемите пред предавателя (мобилната станция) - изисквания за минимална консумация, ограничаване на "лъжливото" излъчване и др.