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無線電子工学および電気工学の百科事典 GSM ネットワークの仕組み。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
GSM（またはモバイル通信用グローバルシステム） 1990年に開発されました。 最初のGSMオペレーターは、1991年に加入者を受け入れました。1994年の初めまでに、問題の規格に基づくネットワークにはすでに1.3万人の加入者がいて、1995年の終わりまでにその数は10万人に増えました。 最も複雑で、おそらく退屈なネットワーク フローチャートから始めましょう。 説明では、国際的に受け入れられている英語の略語を使用します。 ブロック図の最も単純な部分である携帯電話は、「受話器」自体であるME（モバイル機器-モバイルデバイス）とSIMスマートカード（加入者識別モジュール-加入者識別モジュール）のXNUMXつの部分で構成されています。オペレーターとの契約。 他の車と同様に、固有のボディ番号が装備されているため、携帯電話には独自の番号（IMEI（International Mobile Equipment Identity-International Mobile Device Identity））があり、要求に応じてネットワークに送信できます。 次に、SIMには、いわゆるIMSI（国際モバイル加入者識別番号-国際加入者識別番号）が含まれています。 したがって、IMEIは特定の電話に対応し、IMSIは特定の加入者に対応します。 ネットワークの「中枢神経系」はNSS（ネットワークとスイッチングサブシステム-ネットワークとスイッチングサブシステム）であり、「脳」の機能を実行するコンポーネントはMSC（モバイルサービススイッチングセンター-スイッチングセンター）と呼ばれます。 誰もが「スイッチ」と呼ぶのは後者であり、また、コミュニケーションに問題がある場合、彼らはそれをすべての大罪のせいにします。 ネットワーク内に複数のMSCが存在する場合があります。 MSCは、通話ルーティングを処理し、課金システムのデータを生成し、多くの手順を管理します。配電盤のすべての機能を一覧表示するよりも、配電盤の責任ではないことを言う方が簡単です。 次に重要なネットワーク コンポーネントは、同じく NSS に含まれており、HLR (Home Location Register - 自分の加入者のレジスター) と VLR (Visitor Location Register - 移動のレジスター) と呼びます。 これらの部分に注意してください。将来的には、それらを参照することがよくあります。 HLR は、大まかに言えば、問題のネットワークと契約を結んだすべての加入者のデータベースです。 ユーザー番号に関する情報を保存します (番号とは、最初に上記の IMSI を意味し、次にいわゆる MSISDN-Mobile Subscriber ISDN、つまり通常の意味での電話番号を意味します)、利用可能なサービスのリストなどを保存します。 - さらに下のテキストでは、多くの場合、HLR にあるパラメーターについて説明します。 システム内の 1 つの HLR とは異なり、複数の VLR が存在する可能性があり、それぞれがネットワークの一部を制御します。 VLR には、その (そしてその!) 領域にいる加入者に関するデータが含まれています (加入者だけでなく、ネットワークに登録されているロマーも対象となります)。 ユーザーが VLR のカバレッジを離れるとすぐに、ユーザーに関する情報が新しい VLR にコピーされ、古い VLR から削除されます。 実際、VLR と HLR のサブスクライバーに関する内容には多くの共通点があります。これらのレジストリ。 HLR と VLR の違いについてもう一度説明します。2 つ目は、場所に関係なく、ネットワークのすべての加入者に関する情報を含み、3 つ目は、この VLR に従属する地域にいる人に関するデータのみを含みます。 HLR では、加入者ごとに、現在その加入者 (加入者) と連携している VLR へのリンクが常に存在します (この場合、VLR 自体は、たとえば、地球）。 HLRおよびVLRに保存された長期データ 1. 国際加入者 ID (IMSI)
HLRに保存されている一時データ
VLRに保存されている一時データ
NSSには、さらにXNUMXつのコンポーネント（AuC（認証センター-認証センター）とEIR（機器識別レジスタ-機器識別レジスタ））が含まれています。 最初のブロックは加入者認証手順に使用され、XNUMX番目のブロックは、その名前が示すように、許可された携帯電話のみがネットワーク上で動作できるようにする役割を果たします。 いわば、セルラーネットワークの一部はBSS（基地局サブシステム - 基地局のサブシステム）です。 人体との類推を続けると、このサブシステムは体の手足と呼ぶことができます。 BSS は、いくつかの「アーム」と「レッグ」 - BSC (ベース ステーション コントローラー - ベース ステーション コントローラー)、および多くの「フィンガー」 - BTS (ベース トランシーバー ステーション - 基地局) で構成されます。 基地局は、都市や野原などあらゆる場所で観測できますが、実際には、それらは XNUMX ～ XNUMX 個のエミッターを含む単純なトランシーバーです。 各 BSC は、BTS のグループ全体を制御し、チャネルの管理と分配、基地局の電力レベルなどを担当します。 通常、ネットワークには XNUMX つの BSC ではなく、全体のセットがあります (一般に数百から数千の基地局があります)。 ネットワークの運用は、OSS (Operating and Support Subsystem - 管理とサポートのためのサブシステム) を使用して管理および調整されます。 OSS は、運用とトラフィックを制御するあらゆる種類のサービスとシステムで構成されています。 ネットワークを選択した後、電話をオンにするたびに、登録手順が開始されます。 最も一般的なケースを考えてみましょう。自宅ではなく、他の誰かのいわゆるゲストネットワークでの登録です（ローミングサービスはサブスクライバーに許可されていると想定します）。 ネットワークを見つけてみましょう。 ネットワークから要求されると、電話は加入者の IMSI を送信します。 IMSI は、所有者の「登録」の国コードで始まり、その後にホーム ネットワークを識別する番号が続き、その後に特定の加入者の一意の番号が続きます。 たとえば、IMSI 25099 ... の先頭は、ロシアのオペレーター Beeline に対応しています。 （250-ロシア、99-ビーライン）。 IMSI 番号に基づいて、ゲスト ネットワークの VLR はホーム ネットワークを識別し、その HLR に接続します。 後者は、サブスクライバーに関するすべての必要な情報を、要求を行った VLR に送信し、必要に応じてサブスクライバーを探す場所を認識できるように、この VLR へのリンクを配置します。 加入者の信憑性を判断するプロセスは非常に興味深いものです。 登録時に、ホーム ネットワークの AuC が 128 ビットの乱数 (RAND) を生成し、電話に送信します。 SIM 内部では、Ki キー (識別キー - IMSI と同様、SIM に含まれています) と A3 識別アルゴリズムを使用して、32 ビットの応答が計算されます - SRES = Ki * RAND の式に従って SRES (Signed RESult) . まったく同じ計算が AuC で同時に行われます (HLR から選択されたユーザーの Ki に従って)。 電話で計算された SRES が AuC で計算された SRES と一致する場合、承認プロセスは成功したと見なされ、加入者には TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity) が割り当てられます。 TMSI は、加入者とネットワークとのやり取りのセキュリティを向上させることだけを目的としており、(VLR の変更時を含めて) 随時変更される可能性があります。 理論的には、登録時にIMEI番号も送信する必要がありますが、ミンスクのオペレーターが加入者が使用する電話のIMEIを追跡しているという事実には大きな疑問があります。 GSMの作成者が意図したとおりに機能する「理想的な」ネットワークについて考えてみましょう。 したがって、IMEIがネットワークで受信されると、EIRに送信され、そこでいわゆる番号の「リスト」と比較されます。 ホワイトリストには、使用が許可されている電話の数が含まれ、ブラックリストには、IMEI、盗難された電話、またはその他の理由で使用が承認されていない電話が含まれ、最後にグレーリスト（システムで許可されている問題のある「受話器」）が含まれます。その背後には常に監視されています。 ゲスト VLR の識別およびホーム HLR との対話の手順の後、時間カウンターが開始され、通信セッションがない場合に再登録の時点が設定されます。 通常、必須の登録期間は数時間です。 再登録は、ネットワークが電話機がまだそのカバレッジ エリア内にあることを確認するために必要です。 実際には、スタンバイモードでは、「ハンドセット」はネットワークによって送信された信号のみを監視し、それ自体は何も送信しません - 送信プロセスは、接続が確立された場合、およびネットワークに対する大きな移動中にのみ開始されます (これについては以下で詳しく説明します) - そのような場合、タイマーは次の再登録までの時間をカウントダウンします。 したがって、電話がネットワークから「脱落」した場合（たとえば、バッテリーが切断された場合、またはデバイスの所有者が電話の電源を切らずに地下鉄に入った場合）、システムはそれを認識しません。 すべてのユーザーは、10 の等しいアクセス クラス (0 から 9 までの数字) にランダムに分割されます。 さらに、11 から 15 までの番号を持ついくつかの特別なクラスがあります (さまざまな種類の緊急および緊急サービス、ネットワーク スタッフ)。 アクセスクラス情報は SIM に保存されます。 特別なクラス 10 アクセスにより、ユーザーが許可されたクラスに属していない場合、または IMSI (SIM) をまったく持っていない場合に、(番号 112 に) 緊急電話をかけることができます。 緊急事態やネットワークの混雑が発生した場合、一部のクラスはネットワークへのアクセスを一時的に拒否される場合があります。 すでに述べたように、ネットワークは多くの BTS - 基地局 (XNUMX つの BTS - XNUMX つの「セル」、セル) で構成されています。 システムの機能を簡素化し、サービス トラフィックを削減するために、BTS はグループ - LA (ロケーション エリア - ロケーション エリア) と呼ばれるドメインに結合されます。 各 LA には独自の LAI (Location Area Identity) コードがあります。 XNUMX つの VLR で複数の LA を制御できます。 また、モバイル加入者の位置を設定するために VLR に配置されるのは LAI です。 必要に応じて、加入者が検索されるのは対応する LA 内 (別のセル内ではありません) です。 加入者が同じ LA 内であるセルから別のセルに移動する場合、VLR / HLR での再登録とレコードの変更は実行されませんが、彼 (加入者) が別の LA の領域に入るとすぐに、電話は開始されます。ネットワークと対話します。 LA が変更されると、VLR から古い領域のコードが消去され、新しい LAI に置き換えられますが、次の LA が別の VLR によって制御される場合、VLR が変更され、HLR のレコードが更新されます。 . 一般に、ネットワークを LA に分割することはかなり難しいエンジニアリング タスクであり、各ネットワークを個別に構築することで解決されます。 LA が小さすぎると、電話の再登録が頻繁に発生し、その結果、さまざまな種類のサービス信号のトラフィックが増加し、携帯電話のバッテリーの放電が速くなります。 LAが大きくなると、加入者と接続する必要がある場合、LAに含まれるすべてのセルに呼び出し信号を送信する必要があり、これもサービス情報の送信と過負荷の不当な増加につながりますネットワークの内部チャネル。 次に、いわゆるハンドオーバーの非常に美しいアルゴリズムを見てみましょう（この名前は、接続プロセス中に使用されるチャネルの変更に付けられました）。 携帯電話での会話中、いくつかの理由（基地局からの「受話器」の取り外し、マルチパス干渉、加入者がいわゆるシャドウゾーンに移動するなど）、信号強度（および品質） ）劣化する場合があります。 この場合、現在の接続を中断することなく、より良い信号品質のチャネル（おそらく別のBTS）への切り替えがあります（追加します-加入者も対話者も、原則として、発生したハンドオーバーに気づきません） 。 引き継ぎは通常、次の XNUMX つのタイプに分けられます。 1.同じ基地局内のチャネルを変更する
一般に、ハンドオーバーは MSC のタスクです。 ただし、内部ハンドオーバーと呼ばれる最初の XNUMX つのケースでは、スイッチとサービス ラインの負荷を軽減するために、チャネル変更プロセスは BSC によって制御され、MSC は何が起こったかについてのみ通知されます。 会話中、携帯電話は常に隣接するBTSからの信号レベルを監視します（監視する必要のあるチャネルのリスト（最大16）は基地局によって設定されます）。 これらの測定値に基づいて、XNUMXつの最適な候補が選択され、BSCとMSCに継続的に（少なくともXNUMX秒にXNUMX回）報告されて、可能な切り替えが行われます。 XNUMXつの主要なハンドオーバースキームがあります。 「最小スイッチングモード」（最小許容性能）。 この場合、通信品質が低下すると、携帯電話は可能な限り送信機の出力を上げます。 信号レベルの増加にもかかわらず、接続が改善されない場合（または電力が最大に達した場合）、ハンドオーバーが発生します。 「省エネモード」（パワーバジェット）。 同時に、携帯電話の送信機の電力は変わらず、品質が低下した場合、通信チャネル（ハンドオーバー）が変化します。
それでは、携帯電話で着信がどのようにルーティングされるかについて説明しましょう。 以前と同様に、加入者がゲストネットワークのカバレッジエリアにいて、登録が成功し、電話がスタンバイモードになっている場合の最も一般的なケースを検討します。
MSC は加入者番号 (MSISDN) を HLR に転送します。 次に、HLR は、加入者が位置する訪問先ネットワークの VLR に要求を行います。 VLR は、利用可能な MSRN (モバイル ステーション ローミング番号 - 「さまよっている」モバイル ステーションの番号) の XNUMX つを割り当てます。 MSRN 割り当てのイデオロギーは、モデム経由のダイヤルアップ インターネット アクセスにおける IP アドレスの動的割り当てに非常に似ています。 ホーム ネットワークの HLR は、加入者に割り当てられた MSRN を VLR から受信し、ユーザーの IMSI を付加した後、ホーム ネットワーク スイッチに送信します。 接続確立の最終段階は、IMSI と MSRN を伴うコールをゲスト ネットワーク スイッチに送信することです。ゲスト ネットワーク スイッチは、加入者がいる LA 全体で PAGCH (PAGer CHannel - コール チャネル) を介して送信される特別な信号を生成します。 発信コールルーティングは、イデオロギーの観点からは新しく興味深いものではありません。 これは、接続を確立できないことを示し、接続の試行に応答してユーザーが受信する可能性のある診断信号のほんの一部です。 接続エラーの基本的な診断信号 加入者番号がビジーです-425±15Hz-500msのビープ音、500msの一時停止
出版物: cxem.net
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