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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 GSM 네트워크 작동 방식. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전
GSM(또는 이동 통신용 글로벌 시스템) 1990년에 개발되었다. 최초의 GSM 사업자는 1991년에 가입자를 받아들였고, 1994년 초에 해당 표준을 기반으로 하는 네트워크에는 이미 1.3만 명의 가입자가 있었고 1995년 말에는 그 수가 천만 명으로 증가했습니다! 가장 복잡하고 아마도 지루한 네트워크 흐름도부터 시작하겠습니다. 설명은 국제적으로 허용되는 영어 약어를 사용합니다. 블록 다이어그램의 가장 간단한 부분인 휴대 전화는 두 부분으로 구성됩니다. "핸드셋" 자체 - ME(모바일 장비 - 모바일 장치) 및 결론을 내릴 때 얻은 SIM 스마트 카드(가입자 식별 모듈 - 가입자 식별 모듈) 운영자와 계약. 모든 자동차와 마찬가지로 고유한 차체 번호가 장착되어 있으므로 휴대폰에는 자체 번호인 IMEI(International Mobile Equipment Identity - International Mobile Device Identity)가 있으며 요청 시 네트워크로 전송할 수 있습니다. 차례로 SIM에는 소위 IMSI(International Mobile Subscriber Identity - 국제 가입자 식별 번호)가 포함되어 있습니다. 따라서 IMEI는 특정 전화에 해당하고 IMSI는 특정 가입자에 해당합니다. 네트워크의 "중추 신경계"는 NSS(Network and Switching Subsystem - 네트워크 및 스위칭 하위 시스템)이며 "뇌"의 기능을 수행하는 구성 요소를 MSC(Mobile Services Switching Center - 스위칭 센터)라고 합니다. 모두가 "스위치"라고 부르는 것은 후자이며 의사 소통에 문제가있는 경우 모든 대죄에 대해 그것을 비난합니다. 네트워크에 하나 이상의 MSC가 있을 수 있습니다. MSC는 통화 라우팅을 처리하고 청구 시스템용 데이터를 생성하며 많은 절차를 관리합니다. 모든 기능을 나열하는 것보다 스위치의 책임이 아닌 것이 무엇인지 말하는 것이 더 쉽습니다. NSS에 포함된 다음으로 가장 중요한 네트워크 구성 요소는 HLR(Home Location Register - 자체 가입자 등록) 및 VLR(Visitor Location Register - 이동 등록)이라고 합니다. 이 부분에 주의를 기울이십시오. 앞으로 자주 언급할 것입니다. 대략적으로 말하면 HLR은 해당 네트워크와 계약을 맺은 모든 가입자의 데이터베이스입니다. 사용자 번호에 대한 정보를 저장합니다(첫 번째는 위에서 언급한 IMSI, 두 번째는 소위 MSISDN-모바일 가입자 ISDN, 즉 일반적인 의미의 전화 번호를 의미합니다), 사용 가능한 서비스 목록 등을 저장합니다. - 아래 텍스트는 종종 HLR에 있는 매개변수를 설명합니다. 시스템에 하나인 HLR과 달리 여러 VLR이 있을 수 있습니다. 각 VLR은 네트워크의 해당 부분을 제어합니다. VLR에는 해당 영역에 있는 가입자(및 해당!)에 있는 가입자에 대한 데이터가 포함되어 있습니다. 사용자가 VLR의 커버리지를 벗어나는 즉시 사용자에 대한 정보가 새 VLR로 복사되고 이전 VLR에서는 삭제됩니다. 사실, VLR과 HLR의 가입자에 관한 것 사이에는 많은 공통점이 있습니다. 저장된 가입자에 대한 장기(표 1) 및 임시(표 2 및 3) 데이터 목록은 표를 참조하십시오. 이 레지스트리에서. HLR과 VLR의 차이점에 대해 다시 한 번: 첫 번째는 위치에 관계없이 네트워크의 모든 가입자에 대한 정보를 포함하고 두 번째는 이 VLR에 종속된 영역에 있는 사람들에 대한 데이터만 포함합니다. HLR에는 각 가입자에 대해 현재 자신(가입자)과 작업 중인 VLR에 대한 링크가 항상 있습니다(이 경우 VLR 자체는 예를 들어 다른 끝에 위치한 외부 네트워크에 속할 수 있습니다. 지구). HLR 및 VLR에 저장된 장기 데이터 1. 국제 가입자 신원(IMSI)
HLR에 저장된 임시 데이터
VLR에 저장된 임시 데이터
NSS에는 AuC(Authentication Center - 인증 센터) 및 EIR(Equipment Identity Register - 장비 식별 레지스터)의 두 가지 구성 요소가 더 있습니다. 첫 번째 블록은 가입자 인증 절차에 사용되며 두 번째 블록은 이름에서 알 수 있듯이 인증된 휴대폰만 네트워크에서 작동할 수 있도록 하는 역할을 합니다. 말하자면 셀룰러 네트워크의 일부는 BSS(Base Station Subsystem - 기지국의 하위 시스템)입니다. 인체와 비유를 계속하면 이 하위 시스템을 신체의 팔다리라고 부를 수 있습니다. BSS는 여러 "팔"과 "다리"(BSC(Base Station Controller - 기지국 컨트롤러))와 많은 "손가락"(BTS(Base Transceiver Station - 기지국))으로 구성됩니다. 기지국은 도시, 들판 등 모든 곳에서 관찰할 수 있습니다. 각 BSC는 전체 BTS 그룹을 제어하고 채널 관리 및 분배, 기지국 전력 수준 등을 담당합니다. 일반적으로 네트워크에는 하나의 BSC가 아니라 전체 세트(일반적으로 수백, 수천 개의 기지국이 있음)가 있습니다. 네트워크 운영은 OSS(Operating and Support Subsystem - 관리 및 지원을 위한 하위 시스템)를 사용하여 관리되고 조정됩니다. OSS는 운영 및 트래픽을 제어하는 모든 종류의 서비스 및 시스템으로 구성됩니다. 네트워크를 선택한 후 휴대폰을 켤 때마다 등록 절차가 시작됩니다. 가장 일반적인 경우를 생각해 봅시다. 집이 아니라 다른 사람의 소위 게스트 네트워크에 등록하는 것입니다 (가입자에게 로밍 서비스가 허용된다고 가정합니다). 네트워크를 찾도록 하십시오. 네트워크에서 요청하면 전화는 가입자의 IMSI를 전송합니다. IMSI는 소유자 "등록"의 국가 코드로 시작하여 홈 네트워크를 식별하는 숫자와 특정 가입자의 고유 번호가 이어집니다. 예를 들어 IMSI 25099의 시작 부분은 ... 러시아 운영자 Beeline에 해당합니다. (250-러시아, 99 - Beeline). IMSI 번호를 기반으로 게스트 네트워크의 VLR은 홈 네트워크를 식별하고 해당 HLR에 접속합니다. 후자는 가입자에 대한 모든 필요한 정보를 요청한 VLR로 전송하고 이 VLR 자체에 링크를 배치하여 필요한 경우 가입자를 찾을 위치를 알 수 있도록 합니다. 가입자의 진위를 판단하는 과정은 매우 흥미롭다. 등록할 때 홈 네트워크 AuC는 전화로 전송되는 128비트 난수(RAND)를 생성합니다. SIM 내부에서 Ki 키(IMSI와 마찬가지로 SIM에 포함된 식별 키)와 A3 식별 알고리즘을 사용하여 SRES = Ki * RAND 공식에 따라 SRES(Signed RESult)라는 32비트 응답이 계산됩니다. 정확히 동일한 계산이 AuC에서 동시에 수행됩니다(HLR에서 선택한 사용자의 Ki에 따라). 전화에서 계산된 SRES가 AuC에서 계산된 SRES와 일치하면 인증 프로세스가 성공한 것으로 간주되고 가입자에게 TMSI(Temporary Mobile Subscriber Identity)가 할당됩니다. TMSI는 가입자와 네트워크 상호 작용의 보안을 향상시키는 역할만 하며 수시로 변경될 수 있습니다(VLR을 변경하는 경우 포함). 이론적으로 등록시 IMEI 번호도 전송되어야하는데 민스크 운영자가 가입자가 사용하는 전화의 IMEI를 추적한다는 사실에 큰 의구심이 듭니다. GSM 제작자가 의도한 대로 작동하는 "이상적인" 네트워크를 생각해 봅시다. 따라서 IMEI가 네트워크에 수신되면 EIR로 전송되어 소위 숫자 "목록"과 비교됩니다. 화이트리스트에는 사용이 승인된 전화 번호가 포함되어 있고, 블랙리스트는 IMEI, 도난당한 전화 또는 사용이 승인되지 않은 다른 이유로 구성되며, 마지막으로 그레이리스트 - 시스템에서 허용하지만 뒤에 있는 문제가 있는 "핸드셋"입니다. 지속적으로 모니터링됩니다. 게스트 VLR과 홈 HLR의 식별 및 상호 작용 절차 후 시간 카운터가 시작되어 통신 세션이 없을 때 재등록 순간을 설정합니다. 일반적으로 필수 등록 기간은 몇 시간입니다. 네트워크에서 전화가 아직 서비스 지역에 있는지 확인하려면 재등록이 필요합니다. 사실 대기 모드에서 "핸드셋"은 네트워크에서 전송되는 신호만 모니터링하지만 자체적으로는 아무 것도 방출하지 않습니다. 전송 프로세스는 연결이 설정된 경우와 네트워크와 관련된 상당한 이동 중에만 시작됩니다. 이에 대해서는 아래에서 자세히 설명합니다.) - 이러한 경우 다음 재등록까지의 시간을 카운트다운하는 타이머가 다시 시작됩니다. 따라서 전화가 네트워크에서 "떨어지는" 경우(예: 배터리가 분리되었거나 장치 소유자가 전화를 끄지 않고 지하철에 진입한 경우) 시스템은 이에 대해 알 수 없습니다. 모든 사용자는 무작위로 10개의 동등한 액세스 등급(0에서 9까지의 숫자 포함)으로 나뉩니다. 또한 11에서 15까지의 특수 클래스가 여러 개 있습니다 (다양한 유형의 응급 및 응급 서비스, 네트워크 직원). 액세스 클래스 정보는 SIM에 저장됩니다. 특별 클래스 10 액세스를 사용하면 사용자가 허용된 클래스에 속하지 않거나 IMSI(SIM)가 전혀 없는 경우 긴급 전화(112번)를 걸 수 있습니다. 비상 사태 또는 네트워크 정체 시 일부 클래스의 네트워크 액세스가 일시적으로 거부될 수 있습니다. 이미 언급했듯이 네트워크는 많은 BTS - 기지국(하나의 BTS - 하나의 "셀", 셀)으로 구성됩니다. 시스템 운영을 단순화하고 서비스 트래픽을 줄이기 위해 BTS는 LA(Location Area - 위치 영역)라는 도메인 그룹으로 결합됩니다. 각 LA에는 자체 LAI(Location Area Identity) 코드가 있습니다. 하나의 VLR은 여러 LA를 제어할 수 있습니다. 그리고 이동 가입자의 위치를 설정하기 위해 VLR에 배치되는 LAI입니다. 필요한 경우 해당 LA(별도의 셀이 아님)에서 가입자를 찾습니다. 가입자가 동일한 LA 내에서 한 셀에서 다른 셀로 이동할 때 VLR/HLR의 재등록 및 기록 변경은 수행되지 않지만 그(가입자)가 다른 LA의 영역에 진입하는 즉시 전화가 시작됩니다. 네트워크와 상호 작용합니다. LA가 변경되면 이전 영역의 코드는 VLR에서 지워지고 새로운 LAI로 대체되지만 다음 LA가 다른 VLR에 의해 제어되면 VLR이 변경되고 HLR의 레코드가 업데이트됩니다. . 일반적으로 네트워크를 LA로 분할하는 것은 다소 어려운 엔지니어링 작업으로 각 네트워크를 개별적으로 구축할 때 해결됩니다. LA가 너무 작으면 휴대폰 재등록이 잦아져 각종 서비스 신호의 트래픽이 증가하고 휴대폰 배터리 소모가 빨라진다. LA를 크게 하면 가입자와의 연결이 필요한 경우 LA에 포함된 모든 셀에 호출 신호를 보내야 하므로 서비스 정보 전송이 부당하게 증가하고 과부하가 발생한다. 네트워크의 내부 채널. 이제 소위 핸드오버의 매우 아름다운 알고리즘을 살펴보겠습니다(이 이름은 연결 프로세스 중에 사용되는 채널의 변경에 부여됨). 휴대 전화로 대화하는 동안 여러 가지 이유(기지국에서 "핸드셋" 제거, 다중 경로 간섭, 가입자가 소위 그림자 영역으로 이동하는 등), 신호 강도(및 품질 ) 악화될 수 있습니다. 이 경우 현재 연결을 중단하지 않고 더 나은 신호 품질을 가진 채널(아마도 다른 BTS)로 전환됩니다(추가할 것입니다. ). 핸드오버는 일반적으로 네 가지 유형으로 나뉩니다. 1. 같은 기지국 내에서 채널 변경
일반적으로 핸드오버는 MSC의 임무입니다. 그러나 내부 핸드오버라고 하는 처음 두 경우에서는 스위치 및 서비스 회선의 부하를 줄이기 위해 BSC에서 채널 변경 프로세스를 제어하고 MSC는 발생한 상황에 대해서만 알립니다. 통화 중에 휴대폰은 주변 BTS의 신호 레벨을 지속적으로 모니터링합니다(모니터링해야 하는 채널 목록(최대 16개)은 기지국에서 설정함). 이러한 측정을 기반으로 XNUMX개의 최상의 후보가 선택되고 가능한 스위치를 구성하기 위해 BSC 및 MSC에 지속적으로(최소한 초당 한 번) 보고됩니다. 두 가지 주요 핸드오버 방식이 있습니다. "최소 스위칭 모드"(최소 허용 성능). 이 경우 통신 품질이 나빠지면 휴대 전화는 가능한 한 송신기의 전력을 높입니다. 신호 레벨의 증가에도 불구하고 연결이 개선되지 않으면(또는 전력이 최대에 도달하면) 핸드오버가 발생합니다. "에너지 절약 모드"(전력 예산). 동시에 휴대폰 송신기의 전력은 그대로 유지되며 품질이 저하될 경우 통신 채널(핸드오버)이 변경됩니다.
이제 들어오는 전화가 휴대폰에서 라우팅되는 방법에 대해 이야기하겠습니다. 이전과 마찬가지로 가입자가 게스트 네트워크의 커버리지 영역에 있고 등록에 성공했으며 전화가 대기 모드인 가장 일반적인 경우를 고려할 것입니다.
MSC는 가입자 번호(MSISDN)를 HLR에 전달합니다. HLR은 차례로 가입자가 위치한 방문 네트워크의 VLR에 요청합니다. VLR은 사용 가능한 MSRN(모바일 스테이션 로밍 번호 - "방랑하는" 모바일 스테이션의 번호) 중 하나를 할당합니다. MSRN 할당 이데올로기는 모뎀을 통한 전화 접속 인터넷 액세스에서 IP 주소의 동적 할당과 매우 유사합니다. 홈 네트워크의 HLR은 가입자에게 할당된 MSRN을 VLR로부터 수신하고 이를 사용자의 IMSI와 함께 홈 네트워크 스위치로 전달합니다. 연결 설정의 마지막 단계는 가입자가 위치한 LA 전체에서 PAGCH(PAGer CHannel - 통화 채널)를 통해 전송되는 특수 신호를 생성하는 게스트 네트워크 스위치에 대한 IMSI 및 MSRN과 함께 통화 방향입니다. 발신 통화 라우팅은 이념적 관점에서 새롭고 흥미로운 것을 나타내지 않습니다. 다음은 연결을 설정할 수 없음을 나타내고 연결 시도에 대한 응답으로 사용자가 받을 수 있는 진단 신호 중 일부입니다. 연결 오류에 대한 기본 진단 신호 가입자 번호 통화 중 - 425±15Hz - 비프음 500ms, 일시정지 500ms
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