GSM

Що таке GSM?

GSM (Global System for Mobile Communications – глобальна система зв'язку з рухомими об'єктами) технологія зародилася в надрах компанії Group Special Mobile, успадкувавши від неї ж скорочення GSM, але з плином часу трактування скорочення змінилося на Global System for Mobile.

GSM – глобальний стандарт цифрового мобільно зв'язку з розподіленням каналів за часом(TDMA) та частотою(FDMA). Роботи над технологією GSM проводилися ще в 80-х роках, але першу робочу мережу GSM побудували тільки в 1992 році в Європі.

Стандарти відіграють важливу роль в телекомунікації, оскільки вони:

• дозволяють забезпечувати взаємозв'язок продукції різних виробників;
• полегшують впровадження нових технологій шляхом створення великих ринків для загальної продукції.

Процес розробки стандартів є процесом кооперації на багатьох рівнях, як на національному, так і на міжнародному і включає в себе взаємодію між:

• Виробничими організаціями всередині країни;
• Цими виробничими організаціями та їх урядами;
• Національними урядами на міжнародному рівні.

Першочерговим метою розробки стандартів для мобільного зв'язку є специфікування того, як мережа мобільного зв'язку повинна обробляти виклики з телефонних апаратів мобільного зв'язку. Наприклад, вони включають в себе специфікацію наступних елементів:

• Процедури прийому і передачі сигналів телефонними апаратами мобільного зв'язку;
• Формат цих сигналів;
• Взаємодія мережевих вузлів;
• Основні мережеві послуги, які повинні бути доступні абонентам мобільного зв'язку;
• Базова структура мережі (наприклад, стільники і т.д.).

Загальні відомості

GSM відноситься до мереж другого покоління.

Мобільні телефони випускаються з підтримкою 4 частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц. В залежності від кількох діапазонів, телефони поділяються на класи і варіацію частот залежно від регіону використання:

• однодіапазонні - телефон може працювати в одній смузі частот. В даний час не випускаються, але існує можливість ручного вибору певного діапазону частот в деяких моделях телефонів.
• дводіапазонні (Dual Band) - для Європи, Азії, Африки, Австралії 900/1800 та 850/1900 для Америки та Канади.
• тридіапазонні (Tri Band) - для Європи, Азії, Африки, Австралії 900/1800/1900 та 850/1800/1900 для Америки та Канади.
• чотиридіапазонні (Quad Band) - підтримують всі діапазони 850/900/1800/1900.

В стандарті GSM застосовується GMSK-модуляція з величиною нормованної смуги ВТ - 0,3, де В - ширина фільтра по рівню мінус 3 дБ, Т - тривалість одного біта цифрового повідомлення.

GSM на сьогоднішній день є найпоширенішим стандартом зв'язку. За даними асоціації GSM (GSMA) на даний стандарт припадає 82% світового ринку мобільного зв'язку, 29% населення Земного шару використовує глобальні технології GSM. У GSMA в даний час входять оператори більш ніж 210 країн і територій.

Технічні відомості

При роботі у стандартному діапазоні 900 МГц використовуються діапазон 890–915 МГц для зв'язку від терміналу до базової станції, та 935–960 МГц для зв'язку від базової станції до терміналу. У деяких країнах діапазон частот GSM-900 був розширений до 880–915 Мгц (MS -> BTS) і 925–960 Мгц (MS <- BTS), завдяки чому максимальна кількість каналів зв'язку збільшилася на 50. Така модифікація була названа E-GSM (extended GSM).

Смуга у 25 МГц ділиться на 124 канали (несучі), кожен шириною у 200 кГц. Часове розділення каналів (TDMA) дозволяє у кожному каналі розміщувати вісім повношвидкісних (full-rate) чи шістнадцять напівшвидкісних (half-rate) голосових каналів.

Стандарт GSM використовує декілька голосових кодеків, що дозволяють передавати голосовий канал шириною 3,1 кГц на швидкостях від 5,6 до 13 кбіт/с. Послуги, що можуть надаватися мережами GSM:

• Передавання голосової інформації.
• Послуга передавання даних (синхронний та ансинхронний обмін даними, в тому числі пакетна передача даних — GPRS).
• Передавання коротких повідомлень (SMS).
• Передавання мультимедійних повідомлень (MMS).
• Передавання текстових інформаційних повідомлень (Cell Broadcast)
• Передавання факсів.

Опис компонентів мережі GSM

Мережа GSM ділиться на 2 системи. Кожна з цих систем включає в себе ряд функціональних пристроїв, які, в свою чергу є компонентами мережі мобільного радіозв'язку.

Даними системами є:

• Комутаційна система - Switching System (SS)
• Система базових станцій - Base Station System (BSS)

Кожна з цих систем контролюється комп'ютерним центром управління. На рис. 1.2 представлена ​​функціональна схема даних систем.

Система SS виконує функції обслуговування викликів і встановлення з'єднань, а також відповідає за реалізацію усіх призначених абоненту послуг. SS включає в себе наступні функціональні пристрої:

• Центр комутації мобільного зв'язку (MSC)
• Опорний регістр місця розташування (HLR)
• Візитний регістр (VLR)
• Центр аутентифікації (AUC)
• Регістр ідентифікація обладнання (EIR).

Частотний діапазон GSM

GSM включає в себе три діапазони частот: 900, 1800, 1900 МГц.

Діапазон 900 МГц

Спочатку під стандарт GSM був виділений діапазон 900 МГц. В даний час даний діапазон залишається всесвітнім. У деяких країнах використовуються розширені діапазони частот, що забезпечують велику ємність мережі. Розширені діапазони частот називаються E-GSM і R-GSM, в той час як звичайний діапазон носить назву P-GSM (primary).

• P-GSM900 890-915/915-960 MHz
• E-GSM900 880-915/925-960 MHz
• R-GSM900 890-920/915-970 MHz

Діапазон 1800 МГц

У 1990 р. для збільшення конкуренції між операторами, United Kingdom почали розвивати нову версію GSM, яка адаптована до діапазону частот 1800. Відразу після затвердження даного діапазону кілька країн зробили заявку на використання даного діапазону частот. Введення даного діапазону збільшило зростання кількості операторів , приводячи до збільшення конкуренції і, відповідно, покращення якості обслуговування. Застосування даного діапазону дозволяє збільшувати ємність мережі за рахунок збільшення смуги пропускання і, відповідно, збільшення несучих. Діапазон частот 1800 використовує наступні пари дуплексних частот: GSM 1710-1805/1785-1880 MHz

До 1997 року стандарт 1800 носив назву Digital Cellular System (DCS) 1800 MHz, в даний час носить назву GSM 1800.

Діапазон 1900 МГц

У 1995 році в США була специфікована концепція PCS (Персональні послуги зв'язку). Основною ідеєю цієї концепції є можливість надання персонального зв'язку, тобто зв'язку між двома абонентами, а не між двома мобільними станціями. PCS не вимагає, щоб ці послуги були реалізовані на основі стільникового технології, але в даний час ця технологія визнана найбільш ефективною для даної концепції. Частоти, доступні для реалізації PCS, знаходяться в області 1900 МГц. Оскільки в Північній Америці стандарт GSM 900 не може бути використаний через те, що ця смуга частот зайнята іншим стандартом, стандарт GSM 1900 є можливістю заповнення цієї прогалини. Основною відмінністю між американським стандартом GSM 1900 і GSM 900 є те, що GSM 1900 підтримує сигналізацію ANSI.

Діапазон GSM 800

Традиційно смуга 800 МГц була зайнята поширеним в США стандартом TDMA (AMPS і D-AMPS). Як і у випадку зі стандартом GSM 1800 цей стандарт дає можливість отримання додаткових ліцензій, тобто розширює область роботи стандарту на національних мережах надаючи операторам додаткову ємність.

Безпека GSM

Як свідчить світова статистика, рівень втрат операторів мобільного зв'язку від різного роду шахрайства та шкідництва становить 2 - 6% від загального обсягу трафіку, а за даними самих компаній він може доходити до 25%. Причому атаки шахраїв спрямовані як проти операторів, так і проти абонентів. Підраховано, що через шахрайство галузь мобільного зв'язку в усьому світі втрачає щороку близько 25 млрд. доларів.

  Необхідно визнати, що забезпечення безпеки перших аналогових мобільних мереж було на дуже низькому рівні. У міру переходу від аналогових до цифрових систем GSM і DAMPS механізм забезпечення безпеки інформації удосконалювався, що дозволило розробникам заявляти про неможливість перехоплення інформації і клонування сучасних мобільних телефонів.   Потенційні (віртуальні) механізми захисту інформації

Алгоритми аутентифікації

  Насамперед розглянемо використання пароля - PIN-коду - одного з найбільш простих методів аутентифікації. Він дає дуже низький рівень захисту в умовах використання радіозв'язку. Досить почути цей персональний код всього лише один раз, щоб обійти засоби захисту. Насправді GSM використовує PIN-код у поєднанні з SIM (Subscriber Identify Module): даний PIN-код перевіряється на місці самим SIM без передачі в ефір. Крім нього GSM використовує більш складний метод, який полягає у використанні випадкового числа (від 0 до 2128 - 1), на яке може відповісти тільки відповідне абонентське обладнання (в даному випадку - SIM). Суть цього методу в тому, що існує величезна безліч подібних чисел і тому малоймовірно, що воно буде використано двічі. Відповідь, який називається SRES (Signed RESult - підписаний результат), отримують у формі підсумку обчислення, що включає секретний параметр, що належить даному користувачеві, який називається Ki (рис. 1).   Свій власний Ki не може знати навіть абонент. Алгоритм, що описує порядок обчислення, називається алгоритмом A3. Як правило, такий алгоритм зберігається в секреті.   Для того щоб досягти необхідного рівня безпеки, алгоритм A3 повинен бути односпрямованої функцією, як її називають експерти-криптографи. Це означає, що обчислення SRES при відомих Ki і RAND має бути простим, а зворотну дію - обчислення Ki при відомих RAND і SRES - має бути максимально утруднено. Безумовно, саме це і визначає в кінцевому підсумку рівень безпеки. Значення, що обчислюється за алгоритмом A3, повинно мати довжину 32 біта. Ki може мати будь-який формат і довжину.

рис.1 Блок-схема обчислення аутентифікації

Шифрування

  Криптографічні методи дають можливість за допомогою відносно простих засобів домогтися високого рівня безпеки. У GSM використовуються єдині методи для захисту всіх даних, будь то інформація користувача: передача сигналів, пов'язаних з користувачем (наприклад, повідомлень, в яких містяться номера викликаються телефонів), або навіть передача системних сигналів (наприклад, повідомлень, що містять результати радіовимірювань для підготовки до передачі). Необхідно розрізняти тільки два випадки: або зв'язок виявляється захищеною (тоді всю інформацію можна відправляти в зашифрованому вигляді), який зв'язок є незахищеною (тоді вся інформація відправляється у вигляді незашифрованою цифрової послідовності).   Як шифрування, так і дешифрування виробляються із застосуванням операції "виключає або" до 114 "кодованим" бітам радіопакет і 114-бітової послідовності шифрування, що генерується спеціальним алгоритмом, який називається А5. Для того щоб отримати послідовність шифрування для кожного пакета, алгоритм А5 виробляє обчислення, використовуючи два введення: одним з них є номер кадру, а іншим є ключ, який називається Кс, відомий тільки мобільної станції та мережі (рис. 2). В обох напрямках з'єднання використовуються дві різні послідовності: в кожному пакеті одна послідовність використовується для шифрування в мобільної станції і для дешифрування на базовій станції (BTS), в той час як інша послідовність використовується для шифрування в BTS і дешифрування в мобільної станції.

рис.2 Блок-схема процесів шифрування і дешифрування за алгоритмом А5