что такое bts в сотовой связи

Base Transceiver Station (BTS)

BTS (Base Transceiver Station) – базовая станция сетей 1G и 2G. Входит в состав системы базовых станций (BSS). Главная задача базовых станций – это создание радио соединения между MS и BSS. Именно базовые станции создают покрытие сети сотовой связи. BTS не принимает самостоятельных решений и работает на основе инструкций получаемых от BSC.

Способов связи BSC и BTS в настоящее время предостаточно. Все их можно разделить на 2 типа: проводные и беспроводные (по средствам организации радио канала). Проводные каналы связи считаются наиболее надежными, но самыми популярными до сих пор остаются радио-релейные линии связи. Сигнал, полученный от BSC преобразуется к виду удобному для передачи, перекодируется, перемодулируется на более высокую частоту и излучается через панельные антенны в необходимую область покрытия.

BTS в составе сети GSM

Существует несколько конфигураций BTS в зависимости от числа и вида панельных антенн. Наиболее популярной конфигурацией остается схема 1+1+1 когда используются 3 секторных (панельных антенны), каждая из которых излучает сигнал в 120 – градусный сектор. Также существует много решений по организации покрытия внутри помещений и в метро.

Кроме того, существует множество вариантов установки BTS: на специальных башнях или мачтах, на крышах жилых домов, производственных зданий, трубах котельных и мн. др. Возможные варианты установки Вы можете посмотреть в разделе «Галерея».

По мере эволюции технологий построения телекоммуникационного оборудования размеры базовых станций уменьшались от «шкафа» до «почтового ящика», при этом уменьшалась потребляемая мощность и возрастала емкость оборудования.

BTS – это элемент сети сотовой связи, который получил наибольшее число вариантов установки, конфигураций, емкости, назначения. способов организации связи с другими элементами сети.

При использовании материалов ссылка на сайт обязательна

Источник

Как устроена сеть сотовой связи GSM/UMTS

В комментариях к постам про сеть WiMAX (1, 2) и про GPRS был выражен интерес к сетям сотовой связи, поэтому решил реализовать свою давнюю задумку и описать хабрасообществу как же устроены современные сети сотовой связи.

На приведённой картинке изображена общая структура сетей сотовой связи. Изначально сеть разделяется на 2 больших подсети — сеть радиодоступа (RAN — Radio Access Network) и сеть коммутации или опорную сеть (CN — Core Network).

Хочу подчеркнуть, что буду описывать именно существующие сети сотовой связи для СНГ, потому что в Европе, Америке и Азии сети более развиты и их структура несколько отличается от наших сетей, про это напишу как-нибудь позже, если будет интерес.

Сперва, хотелось бы рассказать в общих словах про сеть, а потом более подробно расскажу про функции каждого из элементов сети.

Сеть радиодоступа

Существующие сети радиодоступа у наших операторов — продукт долгой эволюции, поэтому они состоят из сети радиодоступа к GSM (GERAN — GSM EDGE Radio Access Network) и сеть радиодоступа к UMTS (UTRAN — UMTS Terrestrial Radio Access Network). Сверху слева на картинке вы видите GERAN, внизу слева, соответственно UTRAN. Наибольшие изменения при переходе от GSM к UMTS происходят как раз в сети радиодоступа — оператору нужно построить вторую сеть и заново покрыть уже имеющиеся территории.

Сеть радиодоступа — эта та паутина, которой охвачены огромные территории городов и открытых местностей, за счёт неё как раз и обеспечивается то огромное погрытие, которое предоставляют сети сотовой связи.

Опорная сеть

Опорная сеть — ядро сетей сотовой связи. Название опорная — мой вольный перевод, в GSM эту часть сети называют сетью коммутации, в UMTS — Core Network, что по сути можно перевести как ядро сети. К этому ядру, как периферийные устройства к системному блоку, могут подключаться различные сети радиодоступа. Опорная сеть мало эволюционирует в связи с эволюцией от GSM к UMTS, эта сильная эволюция происходит немного позже — её уже прошли западные и азиатские операторы, у нас же она только начинается.

Опорная сеть на приведённой выше картинке разделена на 2 части — верхняя правая часть отвечает за голосовые соединения, или CS-соединения (Circuit Switch), нижняя правая часть отвечает за пакетные соединения, или же PS-соединения (Packet Switch).

Опорная сеть сосредоточена в одном или нескольких зданий, принадлежащих оператору сотовой связи, в больших машинных залах — проще говоря огроменнейшая серверная, где стоит большое количество шкафов оборудования, их ещё холодильниками иногда называют, потому что с виду очень похожи 🙂

HLR — Home Location Register, Регистр положения домашних абонентов.
По сути это большая база данных, в которой хранится всё об абоненте данной сети. В крупных сетях, таких, как у операторов большой тройки, таких узлов несколько — они разбросаны по регионам. Их количество измеряется единицами штук. Для того, чтобы понимать порядки — в Питере такой узел один, в Москве другой, на Урале ещё один, ещё на Кавказе, в Сибири — 3-4 штучки… На практике это может быть распределённая БД, потому что ёмкости одного HLR может не хватить для хранения данных обо всех абонентах. Тогда оператор докупает ещё один HLR (физическое устройство) и организует распределённую БД.

Какая же информация там хранится? По большей части, это информация об услугах, подключенных у абонента:
— может ли абонент совершать исходящие звонки
— может ли абонент отправлять/принимать SMS
— разрешена ли услуга конференц-связи
— ну и все остальные возможные услуги
Также здесь хранится такая важная информация, как идентификатор того MSC, в зоне действия которого сейчас находится абонент. Позже мы увидим для чего это может быть нужно.

MSC/VLR

MSC — Mobile Switching Center, центр коммутации для мобильных абонентов;
VLR — Visitor Location Register, регистр положения гостевых абонентов.
Логически это 2 раздельных узла, но на практике, это реализовано в одном и том же устройстве.
VLR хранит в себе копию тех данных, которые записаны в HLR с той лишь разницей, что тут уже нет информации о том MSC, в зоне действия которого находится абонент. Здесь хранится информация о том, в зоне действия какого BSC находится данный абонент. Ну и здесь, естественно, хранятся данные только о тех абонентах, которые сейчас находятся в зоне действия того MSC, к которому подключен данный VLR.

MSC — классический коммутатор (конечно, не такой классический, который можно увидеть в музеях, где сидели бабушки и перетыкали проводки). Основные его функции — для исходящего вызова — определить куда переключить вызов, для входящего же соединения — определить на какой BSC отправить вызов. Для выполнения этих то функций он и обращается в VLR за хранящейся там информацией. Здесь стоит заметить, что это плюс разнесения HLR и VLR — MSC не будет стучаться в HLR каждый раз, когда абоненту что-то нужно, а будет всё делать своими силами. Также MSC собирает данные для биллинга, далее эти данные скармливаются соответствующим системам.

AUC — AUthentication Center, центр аутентификации абонентов. Этот узел отвечает за то, чтобы злоумышленник не мог получить доступ к сети от вашего лица. Также этот узел генерирует ключи шифрования, с помощью которых шифруется ваше соединение с сетью в самом уязвимом месте — на радиоинтерфейсе.

GMSC — Gateway MSC, шлюзовой коммутатор. Этот узел сети используется только при входящих вызовах. У операторов есть определённая номерная ёмкость, этой номерной ёмкости сопоставляются шлюзовые коммутаторы сетей связи (сотовых, фиксированных). Когда вы набираете номер друга, ваш звонок доходит до коммутатора (MSC) вашей сети и он определяет куда дальше отправить этот вызов на основе имеющихся у него соответствий между номерами и шлюзами сетей. Звонок отправляется на GMSC сотового оператора, которым пользуется ваш друг. Далее GMSC делает запрос в HLR и узнаёт в зоне действия какого MSC сейчас находится вызываемый абонент. Туда дальше и перенаправляется вызов.

SGSN — Serving GPRS Support Node, обслуживающий узел поддержки GPRS. Этот узел отвечает за то, чтобы определить каким образом предоставлять услуги на основе запрошенной APN (Access Point Name, точки доступа, например, mms.beeline.ru). Также на этом узле осуществляется посчёт трафика.

GGSN — Gateway GPRS Support Node, шлюзовой узел поддержки GPRS. Ну это шлюз, отвечает за правильную доставку пакетов до пользователя.

BSC — Base Station Controller, контроллер базовых станций. Узел, к которому подключаются базовые станции, дальше он осуществляет управление базовыми станциями — назначает какому абоненту где сколько ресурсов выделить, определяет каким образом осуществляются хэндоверы. Когда с MSC приходит сигнал о входящем соединении для абонента, контроллер осуществляет процедуру пейджинга — через все подчинённые ему базовые станции посылает вызов данному абоненту, который должен отозваться через одну из базовых станций.

TRC — TRansCoder, транскодер. Устройство, отвечающее за перекодирование речи из формата GSM в стандартный формат телефонии, используемый в фиксированных сетях связи и обратно. Таким образом, получается, что речь передаётся в формате сетей фиксированной связи в сети GSM на участке от GMSC до TRC.

BTS — Base Transceiver Station, базовая приёмопередающая станция. Это то, что непосредственно находится близко к самому пользователю. Именно базовые станции образуют ту самую паутину, которой накрывают операторы сотовой связи, именно от их количества зависит территория, на которой предоставляют услуги операторы сотовой связи. По сути — довольно глупое устройство, оно обеспечивает выделение пользователям отдельных каналов связи, преобразует сигнал в высокочастотный, который будет передаваться в эфир, ну и выдаёт этот самый высокочастотный сигнал на антенны. А вот антенны то мы и можем наблюдать каждый день.

Хочу заметить, что антеннки — это не есть базовая станция 🙂 Базовая станция похожа на холодильник — шкафчик с модулями, который стоит в специальном месте. Это специальное место — например, синенькие вагончики, которые ставятся под красно-белыми вышками где-нибудь в пригороде.

Более подробно можно почитать в недавно опубликованной статье про базовые станции.

RNC — Radio Network Controller, контроллер сети радиодоступа. По сути выступает в той же роли, что BSC в GERAN.

NodeB

NodeB, базовая станция в UMTS. Аналог BTS в GSM.

В целом, здесь описаны все жизненно важные элементы сети GSM/UMTS. Здесь я не упоминал ещё некоторые узлы, такие как SMS-C (SMS-Center), MMS-C (MMS-Center), WAP-GW (WAP-Gateway).

Если статья вызовет интерес, то в дальнейшем могу рассказать более подробно про сети радиодоступа GERAN и UTRAN, потому что я занимаюсь по большей части именно радийными вещами.

Также уже есть идеи для ряда статей на основе вопросов, вызвавших интерес, в комментариях к статьям по телекоммуникациям, пока не буду раскрывать интригу — задавайте интересные вопросы — будут интересные статьи! 😉

UPD: в комментариях отписались эксперты в своих областях, что очень интересно почитать:
1. Ветка про ПО, устанавливаемом на оборудовании;
2. Ветка про отличия наших (СНГшных) сетей и сетей в Европе/США/Азии;
3. Комментрии от пользователя DeSh с поправлениями и уточнениями: тыц, тыц.
Да и вообще в комментариях довольно много всего интересного всплыло помимо выделенных мной комментариев.

Источник

Базовая приемопередающая станция

Расскажу про базовые станции (БС, BTS) компании Huawei, с которыми имею честь работать.
Базовая приемопередающая станция (Base transceiver station (BTS)) является одним из компонентов, входящих в состав радиооборудования подсистемы базовых станций (BSS).

Как видно, BTS является оборудованием приемопередачи, обслуживающим определенную соту под управлением BSC (контроллера базовых станций).
BTS выполняет преобразование протокола между радиоканалами (по которым осуществляется связь между мобильной станцией и базовой станцией – так называемый интерфейс Um) и между проводными каналами (связь между BTS и BSC – интерфейс Abis).

Говоря более развернуто, BTS выполняет следующие функции:
-Обеспечение интерфейса связи с BSC;
-Управление радиоканалами;
-Функция управления и технического обслуживания;
-Функция обработки протокола сигнализации.

Есть несколько серий БС:
1)внутреннего исполнения большой емкости
Статив такой базовой станции в полной конфигурации содержит 12 TRX (приемопередатчиков);
2)серия оборудования микросотовых BTS
Преимущественно используются в местах большого скопления людей, таких как офисные здания, универмаги и места проведения спортивных соревнований;
3)серия оборудования BTS внешнего исполнения
Пригодны для использования в удаленных областях;
4)серии BTS контейнерного типа;
Оборудование BTS такого типа представляет собой полностью оборудованный автозал.

BTS состоит из общего блока (блока управления и связи), блока несущих частот и антенно-фидерной системы.

Структурная схема оборудования BTS

Рисунок основного статива

Рассмотрим функции, выполняемые каждым блоком:

•Общий блок
Состоит из блока синхронизации/передачи и управления (TMU), блока распределения синхронизации (TDU), дополнительного блока передачи (TEU), блока питания дополнительного блока передачи (TES), блока мониторинга работы вентилятора (FMU), блока электропитания (PSU), блока мониторинга электропитания и состояния окружающей среды (PMU), блока распределения электропитания (SWITCH BOX), блока вентилятора (FAN BOX) и воздухозаборника (AIR BOX).
1) Блок синхронизации/передачи и управления (TMU) является основным компонентом BTS. Его функции — синхронизация BTS, осуществление передачи по Abis-интерфейсу и управление базовой станцией. Одна плата TMU оснащена 4 интерфейсами E1.
2) Блок распределения синхронизации (Time distributing unit — TDU), основная функция которого — прием синхросигнала, его обработка и управление синхронизацией BTS.
3) Дополнительный блок передачи (Transmission extension unit — TEU) представляет собой встроенный блок расширения возможностей системы передачи для BTS.
4) Блок питания дополнительного блока передачи (TES) обеспечивает питание блока TEU.
5) Блок мониторинга состояния вентиляторов (FMU) расположен на полке вентилятора (FAN BOX) и осуществляет управление работой двух вентиляторов этой полки и выдает аварийные сигналы.
6) Блок электропитания (PSU) представляет собой встроенный в BTS модуль электропитания, обеспечивающий два вида преобразования — преобразования переменного тока в постоянный ток и преобразование уровня напряжения постоянного тока (DC/DC).
7)Блок мониторинга электропитания и состояния окружающей среды (PMU) отвечает за управление блоком электропитания и ведет мониторинг 24 цифровых и 8 аналоговых параметров.
8) Блок распределения электропитания (SWITCH BOX) осуществляет распределение напряжения питания по всем платам.
9) Воздухозаборник (AIR BOX) обеспечивает охлаждение оборудования.

•Блок несущих частот
Оборудование BTS имеет модульную структуру, то есть все блоки (блок обработки низкочастотного сигнала, блок RF, блок электропитания), обеспечивающие прием и передачу на определенной несущей частоте (carrier), интегрированы в один съемный модуль – TRX. Он получает от платы TMU разнообразную информацию управления и конфигурирования, передавая ей назад различную информацию о состоянии и аварийную сигнализацию. Со стороны Um-интерфейса в обратном направлении (up-link) TRX принимает радиосигнал от мобильной станции (через антенну и CDU), затем производит демодуляцию этого сигнала, разделяет его на речевую и сигнальную информацию, и передает ее дальше (в направлении BSC). В прямом направлении (down-link) речь и сигнальная информация после обработки на TRX в виде единого сигнала передается на CDU и далее через антенну на мобильную станцию.

•Антенно-фидерная система
Антенно-фидерная система базовой станции состоит из антенны, фидера, переходников, устройства молниезащиты, мачтового усилителя (tower top amplifier), устанавливаемого по желанию. Основная функция АФС – передача модулированных радиосигналов и прием сигналов от мобильной станции, а также выдача аварийной сигнализации.
Антенна характеризуется мощностью (способность по излучению в определенном направлении), направленностью (описывает направление излучения), поляризацией (описывает плоскость колебаний электромагнитной волны). Для снижения потерь на передаче, используются кабели с низким затуханием в радиодиапазоне – фидера. Чтобы предотвратить влияние атмосферного разряда на центральный проводник фидера используют устройство молниезащиты.
CDU осуществляет объединение и фильтрование сигнала на передаче, а также фильтрование, усиление и распределение сигнала на приеме. Кроме этого он обеспечивает питание мачтового усилителя постоянным током.

Надеюсь, мне удалось внести некоторую ясность в структурную особенность базовой станции. Это было лишь поверхностное рассмотрение, т.к. каждый из блоков имеет свои функциональные и структурные особенности, про которые в одной статье не напишешь.

Источник

Про GPRS Блог о пакетной передаче данных в мобильных сетях

BTS (Base Transceiver Station) — комплекс радиопередающей аппаратуры (ретрансляторы, приёмо-передатчики), осуществляющий связь с конечным абонентским устройством — сотовым телефоном. Одна базовая станция стандарта GSM обычно способна поддерживать до 12 передатчиков, а каждый передатчик способен одновременно поддерживать связь с 8-ю общающимися абонентами. Зона покрытия от антенн базовой станции образует соту, или группу сот. Базовые станции соединены с коммутатором сотовой сети через контроллер базовых станций.

Включает в себя приёмо-передающие антенные устройства, оборудование для ретрансляции радиосигнала (Трансивер), блоки шифрования данных. БС обслуживает отдельный участок сети с помощью нескольких нацеленных в различные участки сектора трансиверов (TRX), осуществляющих вещание на разных частотах. Руководит работой БС Контроллер Базовой Станции (КБС, англ. Base Station Controller, BSC) посредством функционального блока управления базовой станцией (англ. Base Station Control Function, BCF), который может быть выполнен как отдельный элемент, или же как составная часть трансивера. Этот блок связан посредством служб управления и эксплуатации (англ. Operations and Maintenance, O&M) с системой управления сети (англ. Network Management System, NMS), и контролирует состояние каждого трансивера с помощью библиотеки команд.

Сумма функций БС зависит от набора технологий, закладываемых производителем. Минимальным набором является приём сигнала мобильного терминала из воздушной среды распространения сигнала, его конвертирование в формат среды распространения сигнала Abis, в которой базируется технология временного разделения каналов TDMA, и последующая маршрутизация полученных данных по направлению к Контроллеру БС. Кроме того, дополнительные функции БС могут подвергать данные предварительной обработке, генерировать отчёты и равномерно распределять нагрузку на системные компоненты. Преимущество этого метода заключается в экономии ценного пространства среды распространения сигнала Abis.

Базовые станции вооружены оборудованием, способным модулировать сигналы физического уровня среды передачи информации; поколение 2G+ сотовых сетей использует в своей работе типовую модуляцию GMSK, функции в сетях EDGE требуют осуществления дополнительных модуляций по алгоритму 8-PSK.

Антенные сумматоры, комбинаторы направляют нагрузку на одну антенну от нескольких отдельных трансиверов, при этом степень сжатия зависит от комбинируемого числа. Один сумматор может поддерживать до восьми трансиверов.

Использование чередования несущей частоты, FHSS часто применяется для повышения производительности базовых станций и ёмкости сети; метод подразумевает собой ускоренное чередование нагрузки между несколькими трансиверами. Между трансиверами и мобильными терминалами сектора идёт обмен различными последовательностями, и их быстрое чередование позволяет осуществлять постоянное нахождение в одном секторе мобильных терминалов, использующих разную несущую.

Принципы работы трансиверов построены в соответствии со стандартами технологии GSM, которые подразумевают использование восьми временных каналов TDMA. Трансиверы могут увеличить нагрузку на эту ёмкость путём вещания дополнительных услуг БС, которые позволяют мобильным терминалам идентифицировать сеть и получать туда доступ. Этот служебный трафик передаётся по каналу BCCH (Broadcast Control Channel).

Источник

Как работает радиоинтерфейс в GSM-сетях

Думаю, многие когда-либо задумывались над тем, как работают сотовые сети. Ведь мы пользуемся мобильными телефонами почти каждый день. Количество абонентов увеличивается с каждым днем, так же как и площади сетевого покрытия… На смену старым стандартам приходят новые, растут и «аппетиты» пользователей мобильного интернета. Если Вас интересует, как все это работает, добро пожаловать под кат! Поскольку инфраструктура сотовых сетей довольно велика, а ее описание может занять целую книгу, в данной статье мы остановимся на Um-интерфейсе, с помощью которого наши телефоны взаимодействуют с оборудованием оператора, а также другими абонентами.

Осторожно, злая собака много картинок!

Предисловие

Сегодня, спустя двадцать с лишним лет, мы пользуемся сетями нового поколения, вроде 3G и 4G, однако сети GSM никуда не исчезли — они все-еще используются банкоматами, терминалами, сигнализациями и даже современными телефонами для экономии электроэнергии и сохранения обратной совместимости. К тому же новинки, вроде UMTS (или W-CDMA) и LTE, имеют много общего с GSM. В отличие, например, от TCP/IP, сотовые сети менее доступны для изучения и исследований. Причин много: начиная от довольно высоких цен на оборудование, заканчивая запретом законодательств большинства стран на использования частот GSM-диапазонов без лицензии. На мой взгляд, понимание принципов работы сотовых сетей очень важно для специалистов в области информационной безопасности, да и не только. Именно поэтому я решил написать данную публикацию.

1. Введение в сотовые сети

1.1 Провайдеры услуг сотовой связи

По аналогии с интернет-провайдерами, услуги сотовой связи предоставляют определенные компании, чаще всего называемые «операторами». Каждый из них предлагает свой спектр услуг, а также устанавливает свои тарифные планы. Чаще всего операторы используют собственное оборудование для построения основной инфраструктуры сети; некоторые же используют уже имеющуюся, например, в России оператор Yota работает на базе оборудования оператора Megafon.

С точки зрения рядового абонента мобильных сетей, индивидуальность оператора заключается в качестве предоставляемых услуг связи, определенном диапазоне номеров, собственных брендовых SIM-картах, а также тарифных планах. Со стороны самих операторов, а также других телекоммуникационных областей, идентификация каждого из них осуществляется по коду страны (MCC — Mobile Country Code) и уникальному коду сети внутри страны (MNC — Mobile Network Code). Кроме этого, идентификация абонентов осуществляется не по привычному для нас телефонному номеру, а по международному идентификатору абонента — IMSI (International Mobile Subscriber Identity), который записан в SIM-карте абонента, а также в базе данных оператора. Телефонные номера просто-напросто «привязываются» к определенному IMSI, благодаря чему абонент может сменить оператора, сохранив свой номер телефона.

1.2 Принципы обеспечения сетевого покрытия

Покрытие определенной местности сотовой связью обеспечивается за счет распределения приемопередающих устройств по ее площади. Уверен, многие видели их на рекламных шитах, различных зданиях, и даже на отдельных мачтах. Чаще всего они представляют из себя несколько направленных антенн белого цвета, а также небольшое здание, куда тянутся провода. Так вот, в терминологии GSM такие комплексы называются базовыми станциями (BTS) и могут состоять из нескольких приемопередающих устройств — трансиверов (TRX — Transmitter/Receiver).

Ключевая особенность сотовой связи заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Кстати, отсюда как раз и возникло название «сотовая связь». Каждая базовая станция покрывает один или несколько секторов, а также имеет один или несколько приемопередатчиков в каждом секторе, каждый из которых излучает сигнал на своей частоте. Проще говоря, сота — это одна из ячеек покрытия, имеющая свой уникальный идентификатор, называемый CI (Cell ID). Соты можно классифицировать по масштабу покрываемой территории: макросота (до 35 км, иногда до 70 км), обычная сота (до 5 км), микросота (до 1 км), пикосота (до 300 метров) и фемтосота (чаще встречаются внутри помещений, покрывают десятки метров).

Базовые станции, расположенные поблизости, работают в различных частотных диапазонах, благодаря чему соты различных операторов могут частично или почти полностью накладываться друг на друга. Совокупность базовых станций, работающих совместно, называется зоной местоположения — LAC (Location Area Code). Все базовые станции обязательно передают в эфир свои идентификационные данные, такие как MCC, MNC, Cell ID, а также LAC, благодаря чему, мобильные телефоны подключается только к BTS своего оператора. Кроме этого, мобильные телефоны с определенным интервалом уведомляют сеть о своем текущем местоположении, т.е. LAC. Данная процедура называется Location Update, но об этом позже.

1.3 Инфраструктура сотовых сетей

Базовые станции не могут существовать сами по себе, поэтому, находясь в определенном LAC, они подключаются к контроллеру базовых станций — BSC (Base Station Controller). Контроллеры, в свою очередь, выполняют балансировку нагрузки, а также активно участвуют в процессе обмена трафика между сетью и своими «подчиненными». Взаимодействие BTS и BSC осуществляется посредством интерфейса A-bis. В пределах сети у большинства операторов, чаще всего, несколько контроллеров базовых станций, которые посредством A-интерфейса и Gb-интерфейса к коммутационным узлам сети (MSC — Mobile Switching Center, SGSN — Serving GPRS Support Node).

MSC образует ядро сетевой инфраструктуры (Core Network), в которое входят следующие основные элементы:

1.4 Межоператорное взаимодействие

Сети различных операторов взаимодействуют между собой, благодаря чему, например, Алиса, являясь абонентом оператора A, может позвонить Бобу, который является абонентом оператора B. Называется эта сеть ОКС-7 или SS7, работает либо на базе специальных проводных/беспроводных коммуникационных сетей, либо поверх Интернета (да, да, сеть поверх сети). SS7 предоставляет набор протоколов для взаимодействия различных операторов. Роуминг тоже работает благодаря данной сети.

2. Um-интерфейс (GSM Air Interface)

2.1 Частотные диапазоны

Любое оборудование в сотовых сетях взаимодействует посредством определенных интерфейсов. Как уже говорилось, обмен данными между базовой станцией и абонентом осуществляется через Um-интерфейс, который в первую очередь является радиоинтерфейсом, следовательно обмен данными происходит в процессе приема/передачи радиоволн. Радиоволны являются таким же электромагнитным излучением, как тепло или свет. Ультрафиолетовое, рентгеновское и ионизирующее излучения так же являются видами электромагнитного излучения с определенными диапазонами частот и определенными длинами волн. Помните такую картинку?

Так вот, диапазон радиоволн тоже разделен на дочерние диапазоны частот, например, диапазоны LF (30—300 кГц), MF (300—3000 кГц) и HF (3—30 МГц) чаще всего используются для радиосвязи и радиовещания; телевещание ведется в диапазонах VHF (30—300 МГц), UHF (300—3000 МГц) и SHF (3—30 ГГц); беспроводные сети, типа WiFi, а также спутниковое телевидение работают в том-же SHF. Больше всего нас интересует диапазон UHF, в котором работают сети GSM. Согласно стандарту 3GPP TS 45.005, в эфире им выделено целых 14 дочерних для UHF диапазонов, причем в различных странах используются различные диапазоны. Рассмотрим наиболее распространенные:

P-GSM-900, E-GSM-900 и DCS-1800 используются преимущественно в странах Европы и Азии. Диапазоны GSM-850 и PCS-1900 используется в США, Канаде, отдельных странах Латинской Америки и Африки.

Любой выделенный под сотовую сеть диапазон делится на множество отрезков (обычно по 200 КГц), часть из которых называется Downlink — здесь данные в эфир передают только базовые станции (BTS), часть — Uplink, где вещают только телефоны (MS). Пары таких отрезков, где один принадлежит Downlink, а другой Uplink, образуют радиочастотные каналы, называемые ARFCN (Absolute radio-frequency channel number). Другими словами, телефон не может принимать и передавать данные на одной и той же частоте, вместо этого при передаче он переключается на частоты Uplink, а при приеме на Downlink, причем процесс переключения происходит очень быстро.

2.2 Физические каналы, разделение множественного доступа

С диапазонам разобрались. Теперь представьте небольшую закрытую комнату, в которой много людей. Если в определенный момент времени все начнут разговаривать, собеседникам будет трудно понимать друг друга. Некоторые начнут говорить громче, что только ухудшит ситуацию для остальных. Так вот, в физике это явление называется интерференцией. Иными словами интерференцию можно назвать наложением волн. Для сотовых сетей GSM это паразитное явление, поэтому на помощь приходят технологии разделения множественного доступа.

Потребность в разделении множественного доступа возникла давно и применяется как в проводных коммуникациях (I2C, USB, Ethernet), так и в беспроводных. В сотовых сетях чаще всего используются технологии FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time Division Multiple Access) и CDMA (Code Division Multiple Access). Первые две в совокупности используются в сетях второго поколения — GSM. CDMA является основой современных сотовых сетей, которые превосходят GSM как в плане безопасности, так и максимальной скорости передачи данных. Что же это за магия?

Для радиосистем существует два основных ресурса — частота и время. Разделение множественного доступа по частотам, когда каждому приемнику и передатчику выделяется определенная частота, называется FDMA. Разделение по времени, когда каждой паре приёмник-передатчик выделяется весь спектр или большая его часть на выделенный отрезок времени, называют TDMA. В CDMA нет ограничений на частоту и время. Вместо этого каждый передатчик модулирует сигнал с применением присвоенного в данный момент каждому пользователю отдельного числового кода, а приемник вычисляет нужную часть сигнала, используя аналогичный код. Кроме того, существует еще несколько технологий: PAMA (Pulse-Address Multiple Access), PDMA (Polarization Division Multiple Access), SDMA (Space Division Multiple Access), однако, их описание выходит за рамки данной статьи.

FDMA
Принцип данного метода заключается в том, что доступный частотный спектр разделяется между приемниками и передатчиками на равные или неравные частотные полосы, часть из которых выделяется под Downlink (трафик от BTS к MS), часть под Uplink (трафик от MS к BTS). Об этом мы уже говорили.

TDMA
Вместе с разделением по частоте (FDMA), в GSM применяется метод разделения по времени — TDMA. Согласно TDMA, весь поток данных делится на фреймы, а фреймы в свою очередь делятся на несколько таймслотов, которые распределяются между приемопередающими устройствами. Следовательно, телефон может выполнять обмен информацией с сетью только в определенные, выделенные ему промежутки времени.

Фреймы объединяются в мультифреймы, которые бывают двух видов:

Control Multiframe (содержит 51 фрейм)

Traffic Multiframe (содержит 26 фреймов)

Мультифреймы образуют суперфреймы, а уже суперфреймы образуют гиперфреймы. Подробнее о структуре фреймов и их организации можно узнать тут (источник изображений) и здесь.

В результате, физический канал между приемником и передатчиком определяется частотой, выделенными фреймами и номерами таймслотов в них. Обычно базовые станции используют один или несколько каналов ARFCN, один из которых используется для идентификации присутствия BTS в эфире. Первый таймслот (индекс 0) фреймов этого канала используется в качестве базового служебного канала (base-control channel или beacon-канал). Оставшаяся часть ARFCN распределяется оператором для CCH и TCH каналов на свое усмотрение.

2.3 Логические каналы

На основе физических каналов формируются логические. Um-интерфейс подразумевает обмен как пользовательской информацией, так и служебной. Согласно спецификации GSM, каждому виду информации соответствует специальный вид логических каналов, реализуемых посредством физических:

Каналы служебной информации делятся на:

2.4 Что такое burst?

Данные в эфире передаются в виде последовательностей битов, чаще всего называемых «burst», внутри таймслотов. Термин «burst», наиболее подходящим аналогом которому является слово «всплеск», должен быть знаком многим радиолюбителям, и появился, скорее всего, при составлении графических моделей для анализа радиоэфира, где любая активность похожа на водопады и всплески воды. Подробнее о них можно почитать в этой замечательной статье (источник изображений), мы остановимся на самом главном. Схематичное представление burst может выглядеть так:

Guard Period
Во избежание возникновения интерференции (т.е. наложения двух busrt друг на друга), продолжительность burst всегда меньше продолжительности таймслота на определенное значение (0,577 — 0,546 = 0,031 мс), называемое «Guard Period». Данный период представляет собой своего рода запас времени для компенсации возможных задержек по времени при передаче сигнала.

Tail Bits
Данные маркеры определяют начало и конец burst.

Info
Полезная нагрузка burst, например, данные абонентов, либо служебный трафик. Состоит из двух частей.

Stealing Flags
Эти два бита устанавливаются когда обе части данных burst канала TCH переданы по каналу FACCH. Один переданный бит вместо двух означает, что только одна часть burst передана по FACCH.

Training Sequence
Эта часть burst используется приемником для определения физических характеристик канала между телефоном и базовой станцией.

2.5 Виды burst

Каждому логическому каналу соответствуют определенные виды burst:

Normal Burst
Последовательности этого типа реализуют каналы трафика (TCH) между сетью и абонентами, а также все виды каналов управления (CCH): CCCH, BCCH и DCCH.

Frequency Correction Burst
Название говорит само за себя. Реализует односторонний downlink-канал FCCH, позволяющий мобильным телефонам более точно настраиваться на частоту BTS.

Synchronization Burst
Burst данного типа, так же как и Frequency Correction Burst, реализует downlink-канал, только уже SCH, который предназначен для идентификации присутствия базовых станций в эфире. По аналогии с beacon-пакетами в WiFi-сетях, каждый такой burst передается на полной мощности, а также содержит информацию о BTS, необходимую для синхронизации с ней: частота кадров, идентификационные данные (BSIC), и прочие.

Dummy Burst
Фиктивный burst, передаваемый базовой станцией для заполнения неиспользуемых таймслотов. Дело в том, что если на канале нет никакой активности, мощность сигнала текущего ARFCN будет значительно меньше. В этом случае мобильному телефону может показаться, что он далеко от базовой станции. Чтобы этого избежать, BTS заполняет неиспользуемые таймслоты бессмысленным трафиком.

Access Burst
При установлении соединения с BTS мобильный телефон посылает запрос выделенного канала SDCCH на канале RACH. Базовая станция, получив такой burst, назначает абоненту его тайминги системы FDMA и отвечает на канале AGCH, после чего мобильный телефон может получать и отправлять Normal Bursts. Стоит отметить увеличенную продолжительность Guard time, так как изначально ни телефону, ни базовой станции не известна информация о временных задержках. В случае, если RACH-запрос не попал в таймслот, мобильный телефон спустя псевдослучайный промежуток времени посылает его снова.

2.6 Frequency Hopping

Псевдослучайная перестройка рабочей частоты (FHSS — англ. frequency-hopping spread spectrum) — метод передачи информации по радио, особенность которого заключается в частой смене несущей частоты. Частота меняется в соответствии с псевдослучайной последовательностью чисел, известной как отправителю, так и получателю. Метод повышает помехозащищённость канала связи.

Frequency Hopping (FHSS) является одним из методов расширения спектра. Кроме сетей GSM, разновидность данного метода применяется в Bluetooth. Зачем?

2.7 Основные принципы взаимодействия MS и BTS

Начнем с того, что происходит при включении мобильного телефона. Чаще всего, даже если телефон выключен со вставленной батареей, он продолжает работать. В это время работает небольшая программа, называемая «загрузчиком». Загрузчик ожидает нажатия клавиши включения, запускает процесс зарядки при подключении зарядного устройства, а иногда и будильник. Все зависит от конкретной модели телефона. Как только нажимается клавиша включения, начинается процесс загрузки операционной системы, которая сначала проверяет наличие SIM-карты, а затем запускает сканирование эфира в поисках сети оператора. Даже если SIM-карты нет, телефон все-равно подключается к ближайшей базовой станции, предоставляя возможность экстренного вызова. Если SIM-карта на месте, выполняется запрос Location Update, уведомляющий сеть о текущем LAС абонента. Затем, базовая станция запрашивает IMEI телефона и IMSI SIM-карты, чтобы идентифицировать абонента (Identity Request). Если предоставленный IMEI отличается от того, с которым абонент подключался раньше, оператор может выслать настройки интернета. Кстати, так можно даже найти украденный телефон. Затем выполняется авторизация, после чего телефон может находиться в одном из двух состояний:

Как только телефон находит разрешенный BCCH, посылается RACH-запрос, базовая станция выделяет определенный физический канал, выполняет аутентификацию абонента, а также регистрирует его прибывание в VLR и HLR. После этого телефон находится в режиме IDLE. При входящем звонке или SMS-сообщении, все базовые станции текущего LAC начинают рассылать Paging Requests, чтобы уведомить абонента о каком-либо событии. Если телефон его «услышал», он отвечает, сеть высылает пакет Immediate Assignment, описывающий выделенные абоненту ресурсы (частота, номер таймслота и т.д.). Очень похоже на Ping в Интернете. С этого момента телефон находится в режиме DEDICATED до момента разрыва соединения.

В случае, если абонент сам выступает в роли инициатора соединения, ему необходимо сначала выслать запрос CM Service Request, а затем дождаться Immediate Assignment от сети.

2.8 Handover

Handover (американский вариант — handoff) — в сотовой связи процесс передачи абонента от одной базовой станции к другой во время телефонного разговора или сессии передачи данных. Данный процесс происходит, когда абонент покидает зону действия одной базовой станции и входит в зону действия другой. Также handover может выполняться в случае, если текущая базовая станция перегружена, либо ее физические каналы слишком зашумлены.

Handover бывает двух типов:

2.9 Кодирование речи

Как уже говорилось, речь абонентов передается на канале TCH, который бывает двух видов: Full Rate (FR) и Half Rate (HR). Для кодирования аудиопотока в сетях мобильной связи GSM (и не только) применяются следующие стандарты:

3. Безопасность и конфиденциальность

Пришло время рассмотреть основные алгоритмы обеспечения конфиденциальности и безопасности данных абонентов. На фоне громких скандалов и разоблачений в области информационной безопасности, данная тема довольно актуальна. GSM, как и любая другая сложная система, имеет свои механизмы защиты, а также уязвимости, которые мы рассмотрим в данной главе. Я не стану вдаваться в дебри, описывая низкоуровневые процессы преобразования битов при шифровании и т.д., иначе статья превратится в огромную пузатую книгу. Кому интересно, можно почитать эти материалы:

3.1 Основные векторы атак

Посколько Um-интерфейс является радиоинтерфейсом, весь его трафик «виден» любому желающему, находящемуся в радиусе действия BTS. Причем анализировать данные, передаваемые через радиоэфир, можно даже не выходя из дома, используя специальное оборудование (например, старый мобильный телефон, поддерживаемый проектом OsmocomBB, или небольшой донгл RTL-SDR) и прямые руки самый обычный компьютер.

Выделяют два вида атаки: пассивная и активная. В первом случае атакующий никак не взаимодействует ни с сетью, ни с атакуемым абонентом — исключительно прием и обработка информации. Не трудно догадаться, что обнаружить такую атаку почти не возможно, но и перспектив у нее не так много, как у активной. Активная атака подразумевает взаимодействие атакующего с атакуемым абонентом и/или сотовой сетью.

Можно выделить наиболее опасные виды атак, которым подвержены абоненты сотовых сетей:

3.2 Идентификация абонентов

Как уже упоминалось в начале статьи, идентификация абонентов выполняется по IMSI, который записан в SIM-карте абонента и HLR оператора. Идентификация мобильных телефонов выполняется по серийному номеру — IMEI. Однако, после аутентификации ни IMSI, ни IMEI в открытом виде по эфиру не летают. После процедуры Location Update абоненту присваивается временный идентификатор — TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity), и дальнейшее взаимодействие осуществляется именно с его помощью.

Способы атаки
В идеале, TMSI абонента известен только мобильному телефону и сотовой сети. Однако, существуют и способы обхода данной защиты. Если циклически звонить абоненту или отправлять SMS-сообщения (а лучше Silent SMS), наблюдая за каналом PCH и выполняя корреляцию, можно с определенной точностью выделить TMSI атакуемого абонента.

Кроме того, имея доступ к сети межоператорного взаимодействия SS7, по номеру телефона можно узнать IMSI и LAC его владельца. Проблема в том, что в сети SS7 все операторы «доверяют» друг другу, тем самым снижая уровень конфиденциальности данных своих абонентов.

3.3 Аутентификация

Для защиты от спуфинга, сеть выполняет аутентификацию абонента перед тем, как начать его обслуживание. Кроме IMSI, в SIM-карте хранится случайно сгенерированная последовательность, называемая Ki, которую она возвращает только в хэшированном виде. Также Ki хранится в HLR оператора и никогда не передается в открытом виде. Вцелом, процесс аутентификации основан на принципе четырехстороннего рукопожатия:

Способы атаки
Перебор Ki, имея значения RAND и SRAND, может занять довольно много времени. Кроме того, операторы могут использовать свои алгоритмы хэширования. В сети довольно мало информации о попытках перебора. Однако, не все SIM-карты идеально защищены. Некоторым исследователям удавалось получить прямой доступ к файловой системе SIM-карты, а затем извлечь Ki.

3.4 Шифрование трафика

Согласно спецификации, существует три алгоритма шифрования пользовательского трафика:

Заключение

Мой длинный рассказ подошел к концу. Более подробно и с практической стороны с принципами работы сотовых сетей можно будет познакомиться в цикле статей Знакомство с OsmocomBB, как только я допишу оставшиеся части. Надеюсь, у меня получилось рассказать Вам что-нибудь новое и интересное. Жду Ваших отзывов и замечаний!

Источник