Стандарт GSM

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стандарт GSM

1, СТРУКТУРА TDMA-КАДРОВ И ФОРМИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В СТАНДАРТЕ GSM

В стандарте GSM принят многостанционный доступ с временным разделением каналов (TDMA). Общая структура временных кадров показана на рис.1. Длина периода последовательности в этой структуре, которая называется гиперкадром, равна

Рис. 1

Тг=3 ч 28 м 53 с 760 мс (12533.76 с). Гиперкадр делится на 2048 суперкадров, каждый из которых имеет длительность

Суперкадр состоит из мультикадров. Для организации различных каналов связи и управления в стандарте GSM используются два вида мультикадров:

1. 26-позиционные TDMA-кадры мультикадра.

2.51 -позиционные TDMA-кадры мультикадра.

Суперкадр может содержать в себе 51 мультикадр первого типа или 26 мультикадров

второго типа. Длительности мультикадров соответственно

Длительность каждого TDMA-кадра

В периоде последовательности каждый TDMA-кадр имеет свой порядковый номер (NF)

Таким образом, гиперкадр состоит из 2715648 TDMA-кадров. Необходимость такого большого периода гиперкадра обусловлена требованиями применяемого процесса криптографической защиты, в котором номер кадра NF используется как входной параметр.

TDMA-кадр делится на восемь временных позиций с периодом

Каждая временная позиция обозначается TN с номером от 0 до 7. Физический смысл временных позиций, которые иначе называются окнами, - время, в течение которого осуществляется модуляция несущей цифровым информационным потоком, соответствующим речевому сообщению или данным.

Цифровой информационный поток представляет собой последовательность пакетов, размещаемых в этих временных интервалах (окнах). Пакеты формируются немного короче, чем интервалы; их длительность составляет 0.546 мс, что необходимо для приема сообщения при наличии временной дисперсии в канале распространения. Один временной интервал (окно) TDMA-кадра (рис.1) содержит 156.25 бит. Скорость передачи информации по радиоканалу равна

Длительность одного информационного бита

Каждый временной интервал, соответствующий длительности бита, обозначается BN с номером от 0 до 155, последнему интервалу длительностью 1/4 присвоен номер 156.

Для передачи информации по каналам связи и управления, подстройки несущих частот, обеспечения временной синхронизации и доступа к каналу связи в структуре TDMA-кадра используются пять видов временных интервалов (окон):

1. NB (Normal Burst) - нормальный временной интервал.

2. FB (Frequency correction Burst) - временной интервал подстройки частоты.

3. SB (Synchronisation Burst) - интервал временной синхронизации.

4. DB (Dummy Burst) - установочный интервал.

5. AB (Access Burst) - интервал доступа.

Нормальный временной интервал NB используется для передачи информации по каналам связи и управления, за исключением канала доступа RACH [II]. Он состоит из 114 бит зашифрованного сообщения и включает защитный интервал (GP) 8.25 бит, длительностью 30.46 мкс. Информационный блок 114 бит разбит на два самостоятельных блока по 57 бит, разделенных между собой обучающей последовательностью в 26 бит, которая используется для установки эквалайзера в приемнике в соответствии с характеристиками канала связи в данный момент времени. Подобная мера позволяет корректировать АЧХ радиотракта через каждые 4.6 мс, что является эффективным средством борьбы с многолучевыми замираниями.

Повторяющиеся временные интервалы подстройки частоты FB образуют канал установки частоты FCCH.

Интервал SB используется для временной синхронизации в подвижной станции. Он состоит из синхропоследовательности длительностью 64 бита, несет информацию о номере TDMA-кадра и идентификационный код базовой станции. Этот интервал передается вместе с интервалом установки частоты. Повторяющиеся интервалы синхронизации образуют так называемый канал синхронизации (SCH).

Интервал DB обеспечивает установление и тестирование канала связи. По своей структуре DB совпадает с NB (рис.1) и содержит установочную последовательность длиной 26 бит. В DB отсутствуют контрольные биты.

Интервал АВ обеспечивает разрешение доступа подвижной станции к новой базовой станции. Интервал содержит большой защитный интервал (68.25 бит, длительностью 252 мкс). Особенность стандарта GSM - возможность обеспечения связью подвижных абонентов в сотах радиусом до 35 км. Время распространения радиосигнала в прямом и обратном направлениях составляет при этом 233.3 мкс.

В структуре GSM строго определены временные характеристики огибающей сигнала, излучаемого пакетами на канальном временном интервале TDMA-кадра, и спектральная характеристика сигнала. Временная маска огибающей для сигналов, излучаемых на интервале АВ полного TDMA-кадра, маска огибающей для сигналов NB, FB, DB и SB полного TDMA-кадра. Различные формы огибающих излучаемых сигналов соответствуют разным длительностям интервала АВ (8+41+36+3=88 бит) по отношению к другим указанным интервалам полного TDMA-кадра (114+26+2+6=148 бит).

Одна из особенностей формирования сигналов в стандарте GSM - использование медленных скачков по частоте в процессе сеанса связи (SFH). Главное назначение таких скачков - обеспечение частотного разнесения в радиоканалах, функционирующих в условиях многолучевого распространения радиоволн. Технология SFH используется во всех подвижных сетях, что повышает эффективность кодирования и перемежения при медленном движении абонентских станций. Принцип формирования медленных скачков по частоте состоит в том, что сообщение, передаваемое в выделенном абоненту временном интервале TDMA-кадра (577 мкс), в каждом последующем кадре передается (принимается) на новой фиксированной частоте. В соответствии со структурой кадров время для перестройки частоты составляет около 1 мс.

В процессе скачков по частоте постоянно сохраняется дуплексный разнос 45 МГц между каналами приема и передачи. Всем активным абонентам, находящимся в одной соте, ставятся в соответствие ортогональные формирующие последовательности, что исключает взаимные помехи при приеме сообщений абонентами в соте. Параметры последовательности переключения частот (частотно-временная матрица и начальная частота) назначаются каждой подвижной станции в процессе установления канала. Ортогональность последовательностей переключения частот в соте обеспечивается начальным частотным сдвигом одной и той же (по алгоритму формирования) последовательности. В смежных сотах используются различные формирующие последовательности.

Принцип организации медленных скачков по частоте при передаче сообщений во временных кадрах показан на рис.2.

Рис. 2

2. МОДУЛЯЦИЯ СИГНАЛОВ В СТАНДАРТЕ GSM

Для модуляции радиосигнала применяется спектрально-эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK). Манипуляция называется так потому, что последовательность информационных бит до модулятора проходит через фильтр нижних частот с гауссовской амплитудно-частотной характеристикой, что дает значительное уменьшение ширины полосы частот излучаемого сигнала. Формирование GMSK-радиосигнала происходит таким образом, что на интервале, соответствующем одному биту фаза несущей изменяется на 90°. Это наименьшее изменение фазы, которое может быть обнаружено при данном типе манипуляции. Выходной сигнал с непрерывным изменением фазы аналогичен сигналу, полученному в результате частотной модуляции с дискретным изменением частоты. Принцип формирования GMSK сигнала представлен на рис. 3.

В стандарте GSM используется модуляция с величиной нормированной полосы ВТ=0,3, где В -- ширина полосы фильтра по уровню -- 3 дБ; Г -- длительность передачи одного бита. Основой формирователя GMSK-сигнала является квадратурный (I/O) модулятор, который состоит из двух умножителей и одного сумматора.

Модуляцию GMSK характеризуют следующие свойства:

> Постоянная по уровню огибающая, позволяющая использовать передающие устройства с усилителями мощности класса С

> Узкий спектр на выходе усилителя мощности передающего устройства, обеспечивающий низкий уровень внеполосного излучения

> Хорошая помехоустойчивость канала связи.

3. АСПЕКТЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ В СТАНДАРТЕ GSM

В рассматриваемом стандарте под «безопасностью» понимается исключение несанкционированного использования системы и обеспечение секретности переговоров абонентов. Для удовлетворения этим требованиям в стандарте GSM предусмотрены следующие механизмы:

> Аутентификация

> Секретность передачи данных

> Секретность абонента

> Секретность направления вызова

Защита сигналов управления и данных пользователя осуществляется только при передаче по радиоканалу. В стандарте используется алгоритм шифрования с открытым ключом RSA (первые буквы фамилий авторов Rivest, Shamir, Adleman), который обеспечивает высокую степень безопасности передачи речевых сообщений.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи в стандарт введены и определены механизмы аутентификации -- удостоверения личности абонента, Как уже отмечалось, каждый абонент на время пользования системой получает стандартный модуль подлинности абонента -- SIM-карту, которая содержит:

> Международный идентификационный номер подвижного абонента IMSI

> Свой индивидуальный ключ аутентификации Ki

> Алгоритм аутентификации A3

Для обеспечения секретности передаваемой по радиоканалу информации последняя подвергается шифрованию. Алгоритм формирования ключей шифрования А8 хранится в SIM-карте. Одновременно с вычислением отклика SRES аппаратура подвижной станции определяет и ключ шифрования К_с. Этот ключ не передается по радиоканалу, а вычисляется сетью и абонентским терминалом одновременно (рис. 4).

Кроме случайного числа, подвижной станции посылается числовая последовательность, содержащая ключ шифрования. Это число связано с действительным значением К_с и позволяет избежать формирования неправильного ключа. Число хранится в подвижной станции и содержится в каждом первом сообщении, передаваемом в сеть.

Рис. 4

gsm модуляция гиперкадр аутентификация

Для установки режима шифрования сеть передает подвижной станции команду CMC (Ciphering Mode Command) на переход в режим шифрования, после принятия которой станция, используя имеющийся у нее ключ, приступает к шифрованию и дешифрованию сообщений. Поток передаваемых данных шифруют бит за битом или поточным шифром, используя алгоритм шифрования А5 и ключ К_с. Процедура установки режима шифрования представлена на рис. 5.

Рис. 5

Для исключения выявления абонента путем перехвата сообщений, передаваемых по радиоканалу, каждому абоненту системы сотовой связи присваивается временный международный идентификационный номер пользователя -- TMSI (Time Mobile Subsriber Identity), который действителен только в пределах зоны расположения с номером LAI (Location Area Identification). В другой зоне расположения абоненту присваивается новый TMSI. Если подвижная станция переходит в новую зону расположения, то ее TMSI должен передаваться вместе с идентификационным номером зоны LAI, в которой TMSI был присвоен абоненту.

При выполнении процедуры корректировки местоположения по каналам управления осуществляется двухсторонний обмен между подвижной станцией MS и базовой станцией BTS служебными сообщениями, содержащими временные номера абонентов TMSI. В этом случае в радиоканале необходимо обеспечить секретность смены TMSI и их принадлежность конкретному абоненту. Процедура корректировки местоположения наглядно представлена на рис.6.

Рассмотрим случай корректировки местоположения в момент эстафетной передачи. В этом случае подвижная станция уже зарегистрирована в регистре перемещения VLR с временным номером TMS1, соответствующим TMSI прежней зоне расположения. При входе абонента в новую зону осуществляется процедура опознавания, которая проводится по старому, зашифрованному в радиоканале TMSI, передаваемому одновременно с номером LAI зоны расположения. Последний дает информацию центру коммутации и центру управления о направлении перемещения подвижной станции и позволяет запросить прежнюю зону расположения о статусе абонента и его данные, исключив обмен этими служебными сообщениями по радиоканалам управления. При этом по каналу связи сообщение передается как зашифрованный информационный текст с прерыванием сообщения в процессе эстафетной передачи на 100-- 150 мс.

Размещено на http://www.allbest.ru/