Retele de comunicatii mobile

RETELE DE COMUNICATII MOBILE

In mod cert, avantajele oferite de utilizarea telefonului mobil sunt incontestabile. Populatia intregului Glob Pamantesc cunoaste o nevoie acuta de mobilitate si comunicare, fara precedent. Aceasta necesitate este amplificata si de avansurile tehnologice, care permit depasirea limitelor spatiale (de spatiu).

Exista mai multe standarde pentru comunicatii mobile, care pe la inceputul anilor '80 au fost experimentate o multime de retele celulare, majoritatea utilizand transmisia analogica si fiind proiectate dupa norme incompatibile. In Europa, fiecare tara a incercat sa-si impuna o norma proprie in domeniul radiotelefoniei celulare cu transmisie analogica. In acest sens au fost experimentate urmatoarele norme : TACS (Total Access Cellular System) este de fapt norma AMPS adoptata sub aceasta denumire in Anglia si Italia. Functioneaza in banda de 900 MHz, avand o largime de 30 KHz pentru fiecare canal radio;

NMT (Nordic Mobile Telephone), adoptata in Norvegia, Finlanda, Suedia, Danemarca, Belgia, Olanda, Franta, Spania, Romania, etc. Functioneaza in banda de 450 MHz, sau 900 MHz, avand o largime de 25 KHz pentru fiecare canal radio;

O evolutie ascendenta a avut norma NMT. In Europa, a fost prima retea de radiotelefonie celulara, oferita publicului inca din anul 1981. Transmisia de tip analogic foloseste modulatia de frecventa a unei purtatoare din banda frecventelor alocate retelei NMT.

Este evident ca trecerea de la telefonia mobila analogica spre telefonia mobila digitala s-a realizat cu rapiditate, datorita compatibilitatii la nivel european si plusului de convorbiri simultane care au devenit posibile cu ajutorul tehnologiei de multiplexare TDMA. Astfel au aparut urmatoarele norme digitale :

GSM 900 (Global System for Mobile communications), care este in exploatare din 1992, in tarile europene. Este un sistem digital din prima generatie, care functioneaza prin legaturi cu conexiune (comutatie de circuite). Sistemul este conceput pentru a oferi mobilitate globala si posibilitati de interconectare cu alte tipuri de retele de telecomunicatii ;

DCS 1800 (Digital Cellular System), care reprezinta dezvoltarea sistemului GSM 900 in banda frecventelor de la 1800 MHz ;

ADC (American Digital Cellular ; IS-54), un sistem american de radiotelefonie celulara digitala, care este operational din 1991, fiind o dezvoltare in tehnologie digitala a sistemului analogic AMPS.

GPRS (General Packet Radio Service), care este un standard pentru serviciul de transport cu comutatie de pachete, adoptat pentru a fi utilizat in sistemele GSM. Tandemul GSM-GPRS permite accesul cu viteze apropiate de 115 Kbps catre reteaua Internet (sistem de generatia a 2-a). Dezvoltarea sistemelor de comunicatii mobile de generatia a 2-a cunoscute si sub denumirea "2G", s-a produs ca o necesitate pentru asigurarea accesului utilizatorilor la servicii similare celor oferite de reteaua N-ISDN. Tehnologia GPRS permite alocarea mai multor intervale temporale in acelasi cadru TDMA, pentru un singur abonat, ceea ce determina o mare flexibilitate in satisfacerea necesitatilor de banda ale utilizatorilor. Alocarea numarului de intervale temporale este independenta in raport cu cele doua sensuri de transmisie, existand posibilitatea unui trafic asimetric. Intr-o retea GPRS un telefon mobil poate sa functioneze fie in conexiune cu comutatie de circuite (retea GSM conventionala), fie in conexiune cu comutatie de pachete (retea de generatia a 2-a pentru transfer de date GPRS). Pentru o functionare de tip GPRS, este necesar ca o parte din echipamentele retelei clasice GSM (telefonul mobil, statia radio celulara, controlerul statiilor radio, centrul de comutare celulara) sa fie prevazute cu software special GPRS ;

UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), este un standard destinat pentru definirea sistemelor de radiocomunicatii celulare din generatia a 3-a (3G). Unor astfel de sisteme li se impun cateva cerinte obligatorii :

existenta unui sistem global de comunicatii ;

posibilitatea de interconectare cu sistemele de telecomunicatii existente

asigurarea accesului la serviciile de date cu viteze de transmisie cuprinse intre 384 Kbps si 2 Mbps.

1.1 Retele GSM

Retelele GSM opereaza in benzile de frecventa 890-915/935-960 MHz prin intermediul a 124 canale radio duplex, fiecare cu o largime de banda de 200 KHz. Intervalul de frecventa dintre aceste doua benzi este de 45 MHz, care este si largimea de banda dintre frecventa de transmisie si cea de receptie a unui terminal GSM. Se foloseste o tehnica numita Time Division Multiple Access (TDMA) pentru a imparti un canal radio de 200 KHz in 8 sloturi de timp, fiecare dintre acestea constituind un canal de semnal vocal separat. Spre deosebire de semnalele analogice obisnuite, transmisia unui canal de semnal vocal nu este continua. Prin utilizarea celor 8 sloturi de timp, fiecare canal transmite semnalul vocal digitizat intr-o serie de impulsuri scurte, totalizand o durata de 1/8 dintr-o secunda. Astfel un terminal GSM transmite o optime din timp.   Avantajul tehnicii TDMA rezida in reutilizarea frecventelor intr-o vecinatate apropiata cu o probabilitate mai mica de interferenta. Aceasta asigura o eficienta mult mai mare si permite deservirea mai multor utilizatori.

Arhitectura retelei GSM

O retea GSM este compusa din mai multe entitati functionale, ilustrate in Figura 1. Reteaua GSM poate fi impartita in trei parti. Statia mobila (Mobile Station) este folosita de utilizator, subsistemul statiei de baza (Base Station Subsystem) controleaza legaturile radio cu statia mobila (Mobile Station) si subsistemul retelei (Network Subsystem), partea principala unde se gaseste centrul de comutare al serviciilor mobile (Mobile services Switching Center), asigura comutarea apelurilor intre terminalele mobile sau intre terminale mobile si cele fixe, ca si controlul mobilitatii.

Figura 1. Arhitectura generala a retelei GSM.

Statia mobila si subsistemul statiei de baza comunica prin interfata Um, cunoscuta ca legatura radio. Subsistemul statiei de baza comunica cu centrul de comutare al serviciilor mobile prin interfata A.

Statia Mobila

Statia mobila (MS) consta in echipamentul mobil (terminalul) si o cartela inteligenta numita 'Subscriber Identity Module' (SIM). Cartela SIM ofera mobilitate personala, astfel incat utilizatorul poate avea acces la serviciile la care a subscris prin inserarea acesteia in orice terminal.

Echipamentul mobil este unic identificat de 'International Mobile Equipment Identity' (IMEI). Cartela SIM contine 'International Mobile Subscriber Identity' (IMSI) utilizat la identificarea de catre sistem a utilizatorului, o cheie secreta pentru autentificare, si alte informatii. IMEI si IMSI sunt independente, permitand mobilitate personala. Cartela SIM poate fi protejata impotriva utilizarii neautorizate printr-o parola sau un numar personal de identitate.

Subsistemul Statiei de Baza

Subsistemul statiei de baza este compus din doua parti, 'Base Transceiver Station' (BTS) si 'Base Station Controller' (BSC). Acestea comunica prin interfata standardizata 'Abis', permitand (ca si in restul sistemului) operarea intre componente fabricate de diferiti producatori.

BTS contine unitatile de emisie-receptie radio ce definesc o celula si controleaza protocoalele de legatura radio cu MS. Intr-o arie urbana intinsa pot exista un numar mare de BTS-uri dispuse, astfel incat cerintele pentru un BTS sunt performanta, portabilitate si cost minim.

BSC controleaza resursele radio pentru unul sau mai multe BTS-uri, organizarea canalelor radio si alocarea frecventelor. BSC este conexiunea dintre MS si 'Mobile service Switching Center' (MSC).

Subsistemul Retelei

Componenta centrala a subsistemului retelei este centrul de comutare a serviciilor mobile, MSC. Se comporta ca un nod normal de comutare PSTN sau ISDN, si in plus ofera functionalitatea necesara controlului unui utilizator mobil, cum ar fi inregistrarea, autentificarea, actualizarea localizarii si transferarea apelului unui utilizator mobil. De asemenea, MSC ofera conexiunea catre retelele fixe (cum ar fi PST sau ISDN). Comunicarea intre entitatile functionale in subsistemul retelei foloseste 'Signalling System Number 7' (SS7), utilizat pentru semnalare in ISDN.

Registrul 'Home Location Register' (HLR) si 'Visitor Location Register' (VL), impreuna cu MSC, ofera transferul apelurilor si capabilitatile de mobilitate ale GSM. HLR contine toate informatiile administrative pentru fiecare utilizator inregistrat in reteaua GSM corespunzatoare, impreuna cu localizarea curenta a terminalului. Intr-o retea GSM exista un singur HLR logic, chiar daca poate fi implementat ca o baza de date distribuita.

Registrul 'Visitor Location Register' (VLR) contine informatii administrative selectate din HLR, necesare pentru controlul apelurilor si resurse pentru serviciile subscrise, pentru fiecare terminal localizat curent in aria geografica controlata de VLR. Chiar daca fiecare entitate functionala poate fi implementata ca o unitate independenta, toti producatorii de echipament pana acum au implementat VLR impreuna cu MSC, astfel incat aria geografica controlata de MSC corespunde cu cea controlata de VLR, in acest fel simplificand modul de realizare al subsistemului. MSC nu contine informatii despre terminale; aceste informatii sunt stocate in registrele de locatie.

Celelalte doua registre sunt utilizate pentru autentificare si securitate. Registrul 'Equipment Identity Register' (EIR) este o baza de date ce contine o lista a tuturor echipamente mobile valide din retea, unde fiecare statie este identificata prin IMEI. Un IMEI este marcat ca invalid daca a fost raportat ca furat sau nu este de tipul aprobat. Centrul de autentificare 'Authentication Center' (AuC) este o baza de date protejata care contine o copie a cheii secrete stocate in fiecare cartela SIM a utilizatorilor, care este utilizata pentru autentificare si incriptare pe un canal radio.

1.2 Clasificarea canalelor logice

Un canal logic defineste tipul de informatie transmisa intr-un slot sau grupuri de sloturi informationale. Canalele logice se pot imparti, in functie de modul de utilizare (unul sau mai multi, respectiv toti utilizatorii mobili dintr-o celula) astfel:

a) canale logice dedicate - sunt asociate unui grup de utilizatori mobili dintr-o celula;

b) canale logice comune - pot fi utilizate si sunt accesibile tuturor utilizatorilor mobili dintr-o celula.

Canale logice dedicate (individuale)

Canalele logice dedicate (individuale) se impart la randul lor in:

- canale de trafic;

- canale de control.

In tabelul 1 sunt prezentate sintetic canalele logice individuale.

Tabelul 1. Canale logice individuale GSM.

Canalele de trafic sunt canale bidirectionale utilizate pentru transmisia si receptia traficului util aferent utilizatorilor mobili. in sistemul GSM, canalele de trafic pot fi la randul lor canale de trafic cu rata intreaga, respectiv canale de trafic cu jumatate de rata. Pe un canal TCH/F, rata utila de voce care poate fi transportata este de cca. 13 kb/s.

Canalele de control sunt canale bidirectionale asociate unui canal de trafic, destinate transmisiei informatiei aferente semnalizarilor, controlului de putere, controlului calitatii semnalului receptionat, handover etc. in sistemul GSM exista patru canale de control distincte:

Canalul de control de sine statator (SDCCH) poate fi prezent sub doua forme: SDCCH/4 (cu 4 subcanale) sau SDCCH/8 (cu 8 subcanale). Acest canal este folosit pentru transportul informatiei ce identifica serviciul solicitat de un echipament mobil (pe sensul ascendent MS->BTS), respectiv pentru transportul informatiei raspuns a statiei de baza (sensul descendent BTS->MS). De asemenea, tot pe sensul descendent se comunica si alocarea unui canal de trafic statiei mobile;

Canalul de control asociat lent (SACCH) este de asemenea bidirectional.

Acesta este utilizat in urmatoarele scopuri:

- pe subcanalul ascendent, statia mobila comunica informatii privind diverse masuratori efectuate (de exemplu, nivelul semnalelor receptionate de la BTS-uri vecine), dar si nivelul puterii proprii;

- pe subcanalul descendent, statia de baza (BTS) comanda statiei mobile nivelul de putere cu care aceasta din urma trebuie sa emita;

Canalul de control asociat rapid (FACCH) este utilizat in ambele sensuri pentru controlul realocarilor de canale si gestionarea mecanismelor de transfer. Deoarece mecanismele de transfer trebuie executate cat mai rapid, pentru a evita intreruperea comunicatiei pe durata lor, canalele FACCH pot folosi, pentru cresterea ratei, si o parte din rata canalelor de trafic.

Un canal asociat (SACCH) este alocat in conjunctie fie cu un canal de trafic (TCH), fie cu un canal de sine statator (SDCCH), astfel:

un canal de control asociat rapid (FACCH) este alocat in conjunctie (pe acelasi canal fizic) cu un canal de trafic cu rata intreaga sau cu un canal de trafic cu jumatate de rata (deci FACCH/H si TCH/H);

un canal de control lent (SACCH) poate fi alocat in conjunctie cu:

un canal de trafic cu rata intreaga TCH/F;

un canal de trafic cu jumatate de rata TCH/H;

In urmatoarele cazuri, SACCH este identificat prin SACCH/TF, respectiv SACCH/TH:

- un canal de sine statator cu 4 subsloturi SDCCH/4;

- un canal de sine statator cu 8 subsloturi SDCCH/8.

Canale logice comune

Sunt canale ce pot fi accesate/receptionate de oricare din mobilele aflate intr-o celula. Canalele logice comune sunt prezentate in tabelul 2:

Tabel 2. Canale logice comune.

Canalele logice comune se clasifica in:

- Canalul logic comun cu difuzare (BCCH) - este unidirectional (numai pe cale descendenta) si are rolul de a transporta diverse tipuri de informatii de la statia de baza catre echipamentele mobile pentru: controlul si mentinerea sincronizarii in timp si frecventa a echipamentelor mobile cu BTS, mesaje de identificare a statiei de baza etc. El este implementat pe o frecventa purtatoare numita purtatoare de difuzare. El este rezultatul multiplexarii urmatoarelor canale logice:

- Canalul corector de frecventa (FCCH) este destinat facilitarii sincronizarii frecventei proprii echipamentului dupa frecventa BTS. Acest canal este necesar deoarece, inainte de inceperea unei comunicatii intre un mobil si BTS, este necesara resincronizarea acestuia dupa BTS;

- Canalul de sincronizare (SCH) permite sincronizarea la nivel de cadru intre mobil si statia de baza. Astfel BTS transmite pe acest canal logic numarul cadrului si identitatea sa (codul ,,colorat' al statiei de baza). Cand nu transporta informatii generale legate de sincronizare de tact sau de cadru, BCCH transporta alte informatii cum ar fi de exemplu numarul canalelor comune de control etc.;

- Canalul logic comun de control (CCCH) este un canal bidirectional de control pe care sunt multiplexate:

- RACCH (Random Access Control Channel) - canalul comun de acces este utilizat de echipamentele mobile pentru a solicita alocarea unui canal dedicat de semnalizare (SDCCH) sau trafic (TCH) si precede faza de stabilire a unui apel initiat de mobil. Accesul este realizat utilizand tehnica ALOHA sincron;

- AGCCH (Access Grant Control Channel) - este utilizat de BTS pentru a comunica atribuirea unui canal dedicat unui mobil (de trafic - TCH sau de semnalizare - SDCCH), solicitat anterior de acesta, pe canalul RACCH;

PCH (Paging Channel) - canal de paging (apel) este utilizat de BTS pentru avertizarea  echipamentelor mobile asupra apelurilor sosite din retea.

Structura temporala a canalelor fizice in sistemul GSM

Asa cum s-a aratat in partea introductiva a acestui paragraf, unitatea de baza, in timp, folosita pentru a defini canalele fizice in sistemul GSM este slotul temporal. Sistemul GSM utilizeaza o metoda mixta de acces la interfata radio: acces in frecventa cu multiplexare in timp. Accesul este in frecventa deoarece spectrul radio alocat sistemului GSM este partajat in canale radio de largime egala cu purtatoarele spatiate la 200 kHz. Fiecare canal este impartit in doua subcanale: unul in banda ascendenta: 890 - 915 MHz (pentru comunicatia in sensul mobil -> statie de baza), celalalt in banda descendenta: 935 - 960 MHz (pentru comunicatia in sensul statie de baza -> mobil). Purtatoarele corespunzatoare celor doua subcanale sunt spatiate in frecventa la 45 MHz. Aceasta impartire a spectrului conduce la existenta unui numar de 124 canale duplex in sistemul GSM.

Pentru cresterea capacitatii sistemului exista posibilitatea maririi benzii totale de frecventa alocata sistemului prin adaugarea unei benzi suplimentare de 8 MHz in fiecare sub-banda ([MP92]). Noile domenii de frecventa alocate pentru banda ascendenta si respectiv descendenta devin:

- 882 - 915 MHz pentru banda ascendenta;

- 927 - 960 MHz pentru banda descendenta.

Specificatiile contin si o alta alocare de frecvente posibila pentru sistemul GSM, in banda de 1800 GHz. in acest caz domeniile de frecventa alocate sunt:

- 1710 - 1785 MHz pentru banda ascendenta;

- 1805 - 1880 MHz pentru banda descendenta.

Aceasta a doua varianta este cunoscuta sub numele de DCS1800.

Multiplexarea in timp, factor important de crestere a capacitatii sistemului, presupune definirea de sloturi temporale pe fiecare canal radio. in GSM, un slot temporal are durata de 577 ms sau, mai exact, 3/5200 s. Opt sloturi temporale consecutive formeaza un cadru TDMA (Time Division Multiple Access) care are durata de 4,6 ms sau, mai exact, 3/650 s. Astfel, tehnica de acces la interfata radio in sistemul GSM se poate caracteriza intr-o prima aproximatie astfel: spectrul de frecventa este partajat in benzi egale cu purtatoare spatiate la 200 KHz (aspectul legat de accesul in frecventa), iar transmisia pe fiecare canal radio este o succesiune de cadre TDMA .

Avand in vedere principiul de acces la mediu utilizat in sistemul GSM, se impun cel putin doua precizari suplimentare.

In primul rand, organizarea informatiei pe interfata radio (fig.2) face posibila identificarea unui slot temporal dintr-un canal printr-un numar. Astfel, avand in vedere periodicitatea cadrului TDMA si lungimea sa de 8 sloturi temporale, rezulta ca pentru un slot temporal se va putea asocia un numar de forma 8p+k, unde:

Fig. 2. Principiul accesului mixt (diviziunea in frecventa si multiplexarea in timp) in sistemul GSM.

- p este numarul cadrului TDMA din care face parte slotul temporal (unde se considera cadrele TDMA numerotate in ordinea aparitiei lor in timp);

- k este pozitia slotului temporal in cadrul TDMA. In Specificatii, k este denumit si numarul asociat slotului temporal (Time Slot Number). Tot in Specificatii numarul 8p+k, asociat unui slot temporal, este denumit tot numar asociat slotului temporal (Time Slot Number). Pentru a elimina aceste confuzii si pentru a facilita expunerea vom folosi urmatoarele conventii:

- numarul asociat slotului temporal, reprezentat de valoarea k anterior mentionata, va fi numit numarul slotului temporal si prescurtat NST;

- numarul asociat slotului temporal reprezentat de valoarea 8p+k va fi numit numarul extins al slotului temporal si prescurtat NEST.

In al doilea rand, datorita caracteristicilor propagarii pe mediul radio (traiectorii multiple, intarzieri. diferite (emisie si receptie) pentru sloturi informationale diferite) este necesara o sincronizare intre momentele de receptie in statia mobila (pe canalul descendent) si cele de emisie (pe canalul ascendent). Pentru compensarea efectului mediului de transmisie radio in GSM s-a ales solutia sincronizarii momentelor de emisie ale statiei mobile (pe cale ascendenta) dupa momentele de receptie (pe cale descendenta). Altfel spus, periodicitatea sloturilor temporale pe calea ascendenta urmareste periodicitatea sloturilor temporale pe calea descendenta. Distanta in timp intre un slot caracterizat de NEST pe calea descendenta si slotul caracterizat de acelasi NEST pe calea ascendenta este de 3 sloturi temporale. Acest mecanism este numit principiul separarii temporale intre canalele ascendent si descendent, iar functionarea sa este prezentata simplificat in figura 3.

Necesitatea definirii unei corespondente canal logic <-> canal fizic, precum si modul mai complex de definire (din punctul de vedere al transmisiei pe mediul fizic) al anumitor canale logice, a necesitat definirea structurilor de multicadru, supercadru si hipercadru. Succesiunea in timp a organizarii informatiei pe mediul radio in cadrul sistemului GSM este periodica, cu perioada egala cu lungimea unui hipercadru. Necesitatea introducerii structurilor de multicadru si supercadru va rezulta mai clar in subcapitolul urmator. In acest paragraf vom prezenta numai structura temporala a celor trei sisteme.

Fig. 3. Principiul separarii temporale intre canalele ascendent si descendent in statia mobila.

intre cele trei structuri exista urmatoarele relatii temporale:

- 1 hipercadru = 2048 supercadre = 3h 28' 53' 760'' (1)

- 1 supercadru = 51 . 26 cadre TDMA = 6,12 s (2)
Un supercadru poate fi format din 51 de multicadre a cate 26 de cadre TDMA/multicadru sau din 26 multicadre a cate 51 cadre TDMA/ multicadru.

- 1 multicadru format din 26 cadre TDMA = multicadru 26<->120 ms (6.3)

- 1 multicadru format din 51 cadre TDMA = multicadru 51<->235ms (6.4)

In figura 4 este prezentata, simplificat, structura temporala a cadrelor GSM.

Fig. 4. Structura temporala a tipurilor de cadre GSM.

Structura temporala a cadrelor GSM este folosita numai pentru definirea unei corespondente canal logic <-> canal fizic si pentru stabilirea periodicitatii alocarii sloturilor temporale pentru diverse canale logice.

1.3 Stabilirea legaturii in reteaua GSM

Descrierea terminalelor mobile

Terminalul mobil este un telefon celular fix, mobil sau portabil care se incadreaza in specificatiile tehnice trasate de Institutul European pentru Standarde in Telecomunicatii ( ETSI ), pentru sistemul celular GSM.

Sistemul de radiotelefonie mobila permite realizarea unei legaturi telefonice intre un abonat fix si un abonat mobil sau intre doi abonati mobili, fara ca pozitia abonatului sa fie cunoscuta in prealabil de corespondentul acestuia. In cadrul sistemului radiotelefonie mobila de digitala GSM, evidenta statiilor mobile, a pozitiilor acestora, este realizata prin intermediul celor doua registre,VLR si HLR.

Statia unui abonat al sistemului de radiotelefonie mobila se poate afla in una din urmatoarele stari:

oprita ( inactiva );

activata;

ocupata atunci cand o comunicatie este in desfasurare;

libera.

In cazul in care este activata, statia mobila poate comunica. Pentru a fi acceptata de retea, statia mobila trebuie sa comunice catre retea si sa fie recunoscuta de aceasta pe baza numarului de identificare a echipamentului statiei mobile ( IMEI ) si dupa caz, pe baza numarului de identificare international al abonatului mobil ( IMSI ). Acceptarea in sistem a statiei mobile se caracterizeaza prin inscrierea in registrul VLR al MSC care gestioneaza comunicatiile radiotelefonice din zona in care se afla abonatul mobil, dupa care se poate realiza comunicatia.

Inregistrarea ( Registration )

Dupa ce statia mobila este trecuta in starea on, aceasta scaneaza intreaga banda de frecventa a sistemului GSM cu un algoritm sigur de scanare incercand sa detecteze prezenta unei retele in cel mai scurt timp. Cand reteaua este detectata, statia mobila se caleaza pe canalul de baza, citeste informatiile de la sistem si pe baza lor statia mobila este capabila sa-si determine pozitia curenta din retea. Daca localizarea curenta nu este aceeasi cu cea corespunzatoare ultimei stari off a statiei, trebuie aplicata o procedura de inregistrare. La inceput, statia mobila cere un canal de la retea, care va fi asigurat la statia de baza. Dupa conectare la infrastructura, statia mobila cere sistemului sa actualizeze pozitia ( localizarea pozitiei ). Aceasta dorinta este trimisa mai departe prin BSC la (G)MSC, care are o autentificare a statiei mobile, dupa ce a capturat aceasta actiune de la distanta. Dupa receptionarea corecta a parametrilor de identificare, (G)MSC daca localizeaza MS intr-o noua pozitie si daca aceasta optiune este utilizata in retea, atunci atribuie o identitate temporara ( TMSI ) pe care statia mobila trebuie sa o recunoasca. In tabelul 3 sunt descrise actiunile cerute intr-o procedura de inregistrare si relatiile dintre diferitele entitati din retea:

MS BTS BSC (G)MSC VLR HLR ACTIUNE

Cerere de canal

Comanda de activare a canalului

Recunoasterea activarii canalului

Atribuirea canalului

Cerere de actualizare a pozitiei

Cerere de autentificare

Raspunsul pentru autentificare

Compararea parametrilor de autentificare

Atribuirea unei noi arii si identitatii temporare

Recunoasterea noii arii si identitatii temporare

Introducerea noii arii si a

identitatii in VLR si HLR

Eliberarea canalului

Tabelul 3. Inregistrarea in retea

Stabilirea convorbirii

Inainte de stabilirea unei convorbiri, statia mobila trebuie sa treaca in starea on si inregistrata in sistem. Sunt doua proceduri diferite: una pentru mobilul ce reprezinta originea convorbirii ( MOC - Mobile Originated Call - initiaza convorbirea ) si alta pentru mobilul ce reprezinta sfarsitul convorbirii ( MTC - Mobile Terminated Call - mobilul cautat ). Inainte de startul convorbirii, in cazul primei proceduri, vor fi schimbate 14 mesaje diferite intre statia mobila si retea ca in tabelul 4:

MS  BTS ACTIUNE

Cerere de canal

Atribuire de canal

Cerere de stabilire a convorbirii

Cerere de autentificare

Raspuns pentru autentificare

Comanda pentru cifrare

Cifrarea este completa

Mesaje de setare, indica numarul dorit

Procesarea apelului, reteaua ruteaza apelul la numarul dorit

Atribuirea unui canal de trafic pentru schimbul de date intre utilizatori

Atribuirea este completa

Avertizarea numarul apelat nu este ocupat si telefonul suna

Conectarea, partea sunata accepta convorbirea

Convorbirea este activa si ambele parti pot sa vorbeasca intre ele

Schimbul datelor vocale

Tabelul 4. Stabilirea convorbirii

Realizarea convorbirilor

In reteaua radiotelefonica mobila exista 3 cazuri de comunicatii si anume:

a)     abonat mobil ( chemator ) - abonat din reteaua fixa ( chemat );

b)     abonat din reteaua fixa ( chemator ) - abonat mobil ( chemat );

c)     abonat mobil ( chemator ) - abonat mobil ( chemat );

Concret, pentru stabilirea legaturi a unui canal de comunicatii, abonatului mobil formeaza numarul solicitat si apoi apasa pe butonul de apel, transmitand pe canalul de apel solicitarea corespunzatoare. Cererea de apel ajunge prin intermediul statiei de baza si controlorului acestuia la registrul VLR care declanseaza procedeul de autentificare a abonatului mobil si pregateste codarea canalului de comunicatie. Apoi intre centrala telefonica MSC si controlorul statiei de baza este rezervat un circuit de legatura prin care sa aiba loc tranzitarea apelului abonatului mobil.

In reteaua telefonica se stabileste, pe baza informatiilor furnizate de BSC, un traseu telefonic spre abonatul chemat si se transmite apelul catre acesta. In momentul in care abonatul chemat a primit semnalul sonor de apel, se transmite abonatului chemator revers- apelul si se asteapta raspunsul abonatului chemat. La primirea acestui semnal de raspuns, controlorul statiilor de baza atribuie abonatului mobil un canal de trafic.

Procedura, desi aparent complicata, este realizata cu scopul de a se reduce la minimum utlizarea canalelor radio, care sunt astfel ocupate doar pe timpul desfasurarii efective a convorbirii telefonice.

Atunci cand nu exista canal liber pentru trafic in momentul primirii semnalului de raspuns se transmite un mesaj inregistrat catre abonatul chemat, prin care acesta este solicitat sa ramana pe linia telefonica, asteptand sa se elibereze un canal radio pentru trafic.

Asigurarea legaturii in cursul deplasarii abonatului mobil ( Handover )

Principala particularitate a sistemului de radiotelefonie mobila consta in mentinerea legaturii telefonice in cazul deplasarii abonatului mobil. Aceasta este realizata de sistemele de radiotelefonie celulara si in particular de sistemul GSM prin procedee adecvate.

In sistemele de radiotelefonie analogica celulara actuale ( NMT 450, NMT 900, TACS, etc. ) ca si in sistemul GSM, transferul legaturii radio de la o statie de baza la alta, in cursul convorbirii se realizeaza in mod automat fara contributia participantilor la convorbire si fara ca acestia sa sesizeze transferul

In sistemul GSM, receptorul abonatului mobil este prevazut cu posibilitatea de a supraveghea, in pauzele dintre secventele de timp in care abonatul comunica, nivelurile receptionate de la mai multe statii de baza aflate in zona si sa comunice rezultatele observatiilor, prin intermediul unui canal "logic" de control, catre statia de baza cu care se afla in legatura si de aici catre controlul statiilor de baza. Astfel, statia mobila MS aflata in celula 1 se deplaseaza catre celula 2 (figura 5).

In zona de tranzit de la celula 1 la celula 2, statia mobila MS receptioneaza semnalele emise de BTS¹ cat si de BTS², raportand prin intermediul BTS¹ catre BTS² observatiile asupra nivelurilor de semnal. Atunci cand nivelul semnalului receptionat de la BTS¹ la statia mobila scade sub nivelul pragului de declansare a procedurii de transfer, controlorul BSC¹ verifica daca BTS² dispune de un canal liber pentru comunicatie iar in caz afirmativ il rezerva si comanda preluarea legaturii de catre BTS² si eliberarea canalului corespunzator utilizat pentru legatura cu BTS¹.

1 AC

			BTS1

BSC1

MS

MSC1 VLR1

2

	BTS2

GMSC

Reteaua telefonica

3 publica comutata

BSC3

BTS4

4

Figura 5. Schema de asigurare a legaturii in cursul deplasarii abonatului mobil

Daca la BTS² nu exista un canal liber, atunci legatura este mentinuta de BTS¹ pana la scaderea nivelului la receptie sub pragul de sensibilitate al receptorului, moment in care legatura se intrerupe.

Daca statia mobila isi continua deplasarea din celula 2 in celula 3, transferul legaturii radio de la BTS² la BTS³ se face in mod similar cu cazul anterior, cu remarca faptului ca operatia de transfer de la BSC¹ la BSC² este comandata de catre MSC¹.

1.4 Aspecte de securitate GSM

GSM ofera trei niveluri de securitate:

Nivelul de securitate I

a.      Datele utilizatorului GSM sunt inregistrate in cartela SIM .

b.     Cartela SIM poate fi inserata in orice terminal GSM.

c.      Tariful este inregistrat pentru proprietarul cartelei SIM.

d.     Sistemul GSM verifica validitatea utilizatorului.

Nivelul de securitate II

a.      Sistemul GSM identifica localizarea utilizatorului.

b.     Terminalele furate pot fi depistate sau folosirea lor invalidata.

c.      Utilizatorul poate fi identificat inainte de acceptarea convorbirii.

Nivelul de securitate III

a.      Sunt utilizate tehnici avansate de incriptare pentru a face aproape imposibila interceptarea convorbirii.

Nivelul I de securitate sau Autentificarea si Securitatea

Deoarece mediul radio poate fi accesat de oricine, autentificarea utilizatorilor pentru a proba ca sunt cei care se pretind a fi, este un element foarte important al retelei mobile. Autentificarea implica doua entitati functionale, cartela SIM din statia mobila si Centru de Autentificare (AuC). Fiecarui utilizator ii este atribuita o cheie secreta, stocata atat in cartela SIM cat si in AuC. In timpul autentificarii, AuC genereaza un numar aleator care este trimis statiei mobile. Atat statia mobila cat si AuC folosesc numarul aleator in conjunctie cu cheia secreta a utilizatorului si un algoritm de incriptare numit A3, pentru a genera un raspuns (SRES) care este trimis inapoi la AuC. Daca numarul trimis de statia mobila este acelasi cu cel calculat de AuC, atunci utilizatorul este autentificat.

Acelasi numar aleatoriu ca si cheia secreta sunt folosite pentru a genera cheia incriptata, utilizand un algoritm numit A8. Aceasta cheie incriptata, impreuna cu numarul cadrului TDMA, folosesc algoritmul A5 pentru a genera o secventa de 114 biti care este operata logic XOR cu cei 114 biti ai impulsului (cele doua blocuri de 57 biti). Incriptarea in acest sistem este o optiune relativ paranoica, din moment ce semnalul este deja codat, rearanjat si transmis in mod TMDA, astfel asigurand protectia pentru aproape toate interceptarile voluntare.

Alt nivel de securitate este asigurat de statia mobila in raport cu utilizatorul. Asa cum s-a mentionat anterior, fiecare terminal GSM este identificat de un numar unic numit Identitatea Internationala a Echipamentului Mobil (IMEI). Intr-o retea este stocata o lista de numere IMEI in Registrul de Identitate al Echipamentului, EIR. Ca raspuns la o cerere IMEI catre EIR exista trei posibilitati:

Lista Alba - Terminalul are permisiunea de a se conecta la retea.

Lista Gri - Terminalul este sub supraveghere pentru posibile probleme.

Lista Neagra - Terminalul sau a fost raportat ca furat, sau nu este de tipul aprobat. Terminalul nu are permisiunea de a se conecta la retea.

Functiile de securitate ale sistemului GSM

Retelele radio sunt prin definitie mai putin sigure decat retelele fixe, deoarece exista posibilitatea de a emite si receptiona unde radio de oriunde si in orice moment. Din aceasta cauza au fost definite mai multe tipuri de functii de securitate a retelelor mobile, in scopul asigurarii protectiei retelei impotriva unor accese frauduloase, simultan cu protejarea caracterului privat al comunicatiilor abonatilor sai. Aceste functii includ:

- autentificarea abonatului pentru a preveni accesul utilizatorilor neinregistrati;

- codarea cailor radio, in particular codarea informatiilor tuturor abonatilor;

- protectia identitatii tuturor abonatilor sistemului, pentru a preveni divulgarea localizarii acestora. Aceste facilitati nu sunt accesibile abonatilor, deoarece este dificila asigurarea protectiei separate a fiecarei comunicatii si a fiecarui abonat. Toate functiile de securitate sunt strans legate de functiile SIM-ului, deoarece acesta are un rol fundamental in autentificarea abonatului, iar functiile de securitate aferente retelei sunt asigurate abonatului din momentul in care acesta acceseaza reteaua. In plus, SIM-ul a fost conceput astfel incat sa nu se poata duplica. Aceasta, impreuna cu functiile de securitate oferite de sistemul mobil, realizeaza un grad ridicat de protectie al retelei si al utilizatorilor ei impotriva posibilelor accese frauduloase.

Numerotarea in sistemul GSM

Numerotarea in sistemul GSM trebuie sa tina cont de faptul ca punctul de acces al abonatilor in sistem nu este fix (ca in PSTN, ISDN etc.) Astfel, in retelele fixe, un acelasi numar este folosit pentru identificarea abonatului, a echipamentului, dar si a serviciului. In GSM, asa cum s-a mentionat, trebuie avuta in vedere mobilitatea terminalului. Ca atare, exista numere diferite pentru scopuri diferite: rutare, servicii, identificarea abonatului etc. Din fericire pentru utilizator, numarul de apel al unui abonat GSM ramane unic, iar corespondenta intre diversele numere GSM nu este transparent; pentru acesta. Complicarea numerotarii intervine in principal datorita mobilitatii abonatului, acesta avand posibilitatea de a-si modifica pozitia atat in interiorul unei retele PLMN, dar si de a trece dintr-o retea in alta. Ca atare, o componenta foarte importanta a mecanismului de numerotare a fost conceputa in vederea asigurarii unor functii de rutare mult mai consistente decat cele din reteaua fixa.

Criptarea transmisiei si securizarea accesului pe mediul radio in sistemul GSM sunt legate de criptarea transmisiei si securizarea accesului pe mediul radio in sistemul GSM se refera la trei directii principale:

a) Securizarea accesului utilizatorului in sistem;

b) Criptarea transmisiei pe mediul radio;

c) Securizarea accesului echipamentului in sistem.

Vom discuta pe rand cele trei directii mentionate anterior, pentru a crea o imagine generala despre implementarea lor prin functii specifice in sistem.

Securizarea accesului utilizatorului in sistem

Acest set de functii trebuie sa asigure atat accesul in sistem numai al utilizatorilor platitori de servicii, cat si o taxare corecta (in sensul ca taxarea trebuie sa fie suportata exclusiv de cel care beneficiaza de un anumit serviciu). Deci, un utilizator va avea acces in sistem numai dupa ce, in prealabil, are loc o autentificare a sa. In figura 3 este prezentat simplificat algoritmul de autentificare folosit in sistemul GSM.

Fiecare utilizator dispune de o cheie individuala, care este memorata in doua locuri in sistem: in modulul de identitate al utilizatorului (SIM) si in centrul de autentificare (AC). Centrul de autentificare (AC) genereaza numarul aleator RAND. Pe baza lui RAND si a IMSI-k_i, folosind algoritmul A3, se obtine numarul SRES (Signed Response), care este trimis bazei de date temporare (VLR). De asemenea, AC trimite valoarea RAND si statiei mobile. Aici, tinand cont ca valoarea IMSI-k_i este stocata si in modulul de identitate a utilizatorului, pe baza aceluiasi algoritm de criptare A3, se poate calcula valoarea SRES, care este de asemenea transmisa bazei de date temporare. Aceasta va compara cele doua valori obtinute si, daca ele sunt identice, va permite accesul utilizatorului in sistem.

Fig. 6. Principiul de autentificare in GSM.

Notatii folosite in figura 6:

- AC (Authentification Center) - Centru de autentificare;

- SIM (Subscriber Identity Module) - Modul de identitate utilizator (cartela GSM);

- RAND - numar aleator (generat local);

- IMSl-k_i - (International Mobile Subscriber Identity - Individual Key) - cheie individuala a utilizatorului.

Criptarea transmisiei pe mediul radio

Criptarea transmisiei pe mediul radio are ca scop evitarea interceptarii ilegale a apelurilor. Ideea ce trebuie retinuta este aceea ca acest mecanism de criptare actioneaza numai pe interfata radio; daca un apel de la/spre un utilizator GSM traverseaza si reteaua fixa, atunci, pe aceste portiuni, regulile de criptare sunt diferite de cele utilizate in GSM pe interfata radio (sunt specifice retelei traversate)..

Securizarea accesului echipamentului in sistem

Aceasta functie este destinata prevenirii utilizarii aparatelor declarate ilegale (de exemplu, un aparat furat poate fi declarat ilegal prin anuntarea furtului la operator, care va pune aparatul in cauza pe o asa numita "lista neagra'). Aici discutia se poate extinde si la cartela SIM. Astfel, pentru terminalul mobil securizarea se face astfel:

- in EIR (Equipment Identity Register) - baza de date a echipamentelor in care este stocata identitatea fiecarui aparat. In cadrul procedurii de acces in sistem se poate prevede si o functie de identificare a echipamentului, care presupune interogarea bazei de date EIR, pentru verificarea echipamentului ce solicita accesul in sistem. In primele sisteme GSM aceasta functie nu era inca implementata; 

- pentru cartela SIM se poate realiza securizarea prin protejarea acesteia cu o parola (la introducerea cartelei in aparat, utilizatorul trebuie sa tasteze o parola), procedeu asemanator protectiei cartilor de credit bancare. Echipamentul mobil este cel care va compara cuvantul tastat cu parola (corecta) inregistrata pe SIM, iar accesul la utilizarea cartelei este posibil numai daca cele doua coincid.