Фактически HLR является справочной БД о постоянно зарегистрированных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные адреса и номера, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, информация о маршрутизации, данные о роуминге абонента (включая данные о временном идентификационном номере aбoнента и соответствующем VLR) [6].
К данным, находящимся в HLR, имеют доступ все MSC и VLR сети. Если в сети имеется несколько HLR, в БД содержится только одна запись об абоненте, поэтому каждый HLR представляет собой часть общей БД сети об абонентах. К HLR также могут получать доступ MSC и VLR, относящиеся к другим сетям, с целью обеспечения межсетевого роуминга.
Регистр перемещения (VLR) – это второе основное устройство, обеспечивающее контроль за передвижением MS из соты в соту. С его помощью достигается функционирование MS за пределами контролируемой регистром положения зоны. Когда в процессе перемещения MS переходит из зоны действия одного MSC в зону действия другого, то она регистрируется последним, т.е. в регистр перемещения заносится новая информация. VLR содержит такие же данные, как и HLR, но эти данные находятся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR.
В сетях стандарта GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер LAC. Каждый VLR содержит данные об абонентах в нескольких LA. При перемещении абонента из одной зоны в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR. Если старая и новая LA находятся в зоне действия различных VLR, то данные на старом VLR стираются после их копирования в новый VLR. Текущий адрес VLR абонента, содержащийся в HLR, также обновляется.
Также VLR обеспечивает присвоение номера «блуждающей» подвижной станции (MSRN). Когда абонент принимает входящий вызов, VLR выбирает его MSRN и передает на MSC, который осуществляет маршрутизацию этого вызова к BTS, в зоне действия которой находится абонент. Кроме того, VLR распределяет номера передачи управления при передаче соединений от одного MSC к другому, управляет распределением новых TMSI и передает их в HLR, управляет процедурами установления подлинности во время обработки вызова. В целом VLR представляет собой локальную БД об абоненте для той зоны, где он находится, что позволяет исключить постоянные запросы в HLR и сократить время на обслуживание вызовов.
Для исключения несанкционированного использования ресурсов ССС в нее введены механизмы аутентификации. Центр аутентификации (AUC) состоит из нескольких блоков и формирует ключи и алгоритмы аутентификации. С его помощью проверяются полномочия абонента и осуществляется его доступ к сети. AUC принимает решения о параметрах процесса аутентификации и определяет ключи шифрования на основе БД, находящейся в регистре идентификации оборудования (EIR).
Каждый подвижный абонент на время пользования ССС получает стандартный модуль подлинности абонента (SIM-карту), который содержит: IMSI, свой индивидуальный ключ аутентификации (Ki), алгоритм аутентификации (A3). С помощью информации, записанной в SIM-карте, в результате обмена данными между MS и сетью, осуществляется полный цикл аутентификации и разрешается доступ абонента к сети.
Регистр идентификации оборудования EIR содержит централизованную БД для подтверждения подлинности МИН оборудования подвижной станции (IMEI). Если сеть имеет несколько EIR, то каждый EIR управляет определенными группами номеров MS [5–7].
Центр управления и обслуживания (ОМС) обеспечивает управление элементами сети и качеством ее работы. В функции ОМС входит: регистрация и обработка аварийных сигналов, устранение неисправностей (автоматически или посредством обслуживающего персонала), проверка состояния оборудования сети и прохождения вызова MS, управление трафиком, сбор статистических данных, управление MS и BTS и др.
Центр управления сетью (NMC) обеспечивает техническое обслуживание и эксплуатацию на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС (которые обеспечивают управление региональными сетями). В функции NMC входит: управление трафиком в пределах всей сети GSM, диспетчерское управление сетью в аварийных ситуациях (выход из строя или перегрузка узлов), контроль состояния устройств автоматического управления в оборудовании сети, отображение состояния всей сети на дисплее операторов, управление маршрутами сигнализации и соединениями между узлами, контроль соединений между GSM и PSTN и др.
В системах стандарта GSM имеются интерфейсы трех видов: для соединения с внешними сетями; между различным оборудованием сетей GSM; между сетью GSM и внешним оборудованием. Они полностью соответствуют требованиям рекомендаций ETSI/GSM 03.02.
1.2.1 Основные принципы CDMA
Для преодоления некоторых недостатков, распространенных в стандарте GSM, компаниям-производителям пришлось обратиться к принципиально другим цифровым системам, выполненным по технологии многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (МДКР) или, как его называют во всем мире, CDMA (Code Division Multiple Access), которые используют шумоподобные сигналы с расширенным спектром.
Технология мультидоступа с кодовым разделением каналов, в основе которой лежит ортогональное разделение сигналов, известна давно.
Сам принцип CDMA заключается в расширении спектра исходного информационного сигнала (в нашем случае речевого), которое может производиться двумя различными методами, которые называются следующим образом: «скачки по частоте» и «прямая последовательность».
Так называемые «скачки по частоте» (или FH – Frequency Hopping) реализуются следующим образом: несущая частота в передатчике постоянно меняет свое значение в некоторых заданных пределах по псевдослучайному закону (коду), индивидуальному для каждого разговорного канала, через сравнительно небольшие интервалы времени. Приемник системы ведет себя аналогично, изменяя частоту гетеродина по точно такому же алгоритму, обеспечивая выделение и дальнейшую обработку только нужного канала. С помощью FH сейчас производятся попытки улучшения технических характеристик узкополосных цифровых систем сотовой связи, в частности, GSM.
Второй метод «прямой последовательности» (или DS – Direct Sequence), который основан на использовании шумоподобных сигналах и применяется в большинстве работающих и перспективных системах CDMA. Он предусматривает модуляцию информационного сигнала каждого абонента единственным и уникальным в своем роде псевдослучайным шумоподобным сигналом (он-то и является в данном случае кодом), который и расширяет спектр исходного информационного сигнала. Тут сразу следует отметить, что число вариантов таких кодов достигает нескольких миллиардов, что позволило бы создать персональную связь в масштабах нашей планеты. В результате проведения описываемого процесса узкополосный информационный сигнал каждого пользователя расширяется во всю ширину частотного спектра, выделенного для пользователей сети (база сигнала при этом становится много больше 1). В приемнике сигнал восстанавливается с помощью идентичного кода, в результате чего восстанавливается исходный информационный сигнал. В то же самое время сигналы остальных пользователей для данного приемника продолжают оставаться расширенными и воспринимаются им лишь как белый шум, который является наиболее мягкой помехой, в наименьшей степени мешающей нормальной работе приемника [3, 4].
1.2.2 Отличия CDMA от других стандартов
В системах с частотным разделением каналов (как в FDMA, так и в TDMA) существует проблема так называемого «многократного использования» (reuse) частотных каналов. Чтобы не мешать друг другу, соседние базовые станции должны использовать разные каналы. Таким образом, если у БС 6 соседей (наиболее часто рассматриваемый случай, при этом зону каждой БС можно представить как шестиугольник, а всё вместе выглядит как пчелиные соты), то количество каналов, которые может использовать эта БС в семь раз меньше чем общее количество каналов в отведённом для сети диапазоне. Это приводит к уменьшению ёмкости сети и необходимости увеличивать плотность установки БС в густонаселённых районах. Для CDMA такой проблемы вообще нет. Все БС работают на одном и том же канале. Таким образом, частотный ресурс используется более полно. Ёмкость CDMA сети обычно в несколько раз выше, чем TDMA, и на порядок выше чем FDMA сетей.
CDMA это практически полностью цифровой стандарт. Обычно все преобразования информационного сигнала происходят в цифровой форме, и только радиочасть аппарата является аналоговой, причём гораздо более простой, чем для других групп стандартов. Это позволяет практически весь телефон выполнить в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции, тем самым значительно снизив стоимость телефона.
Из минусов можно отметить необходимость использования достаточно широкой и неразрывной полосы, что не всегда возможно в современной обстановке дефицита частотного ресурса и большую сложность реализации данной технологии в «железе» [3–6].
Достоинствами CDMA являются:
– более высокое качество связи по сравнению с другими стандартами связи;
– более высокая скорость передачи данных и соответственно более широкие возможности использования CDMA терминалов;
– меньшее энергопотребление терминалов что продляет срок работы без подзарядки;
– большая емкость сети (более полное использование частотного ресурса);
– стандарт CDMA (IS-95) более приспособлен к переходу к третьему поколению.
1.2.3 Технология мультидоступа
При частотном разделении спектр передачи разделяется на участки, выделяемые для различных пользователей. Только этот метод может быть использован при аналоговой связи. На этом методе основаны все аналоговые стандарты сотовой связи: NMT, AMPS, TACS и др. Недостатки таких систем сейчас очевидны: плохая помехозащищенность и связанное с ней невысокое качество передачи речи, неэффективное использование дефицитного радиоспектра, отсутствие защиты от прослушивания и т.д. Следует также сказать, что пик своего развития аналоговые системы прошли в 1993 году, после которого наблюдается устойчивое снижение числа их абонентов. Самым же распространенным аналоговым стандартом в мире был и пока остается AMPS. Два других метода используются при цифровой технологии и, как правило, в комбинации с частотным разделением. В случае мультидоступа с временным разделением каналов многочисленные абоненты передают свои сообщения на одной и той же радиочастоте, но в разное время, что позволяет увеличить объем речевого трафика и получить ряд других преимуществ, характерных для цифровых систем связи. На этом методе основаны такие узкополосные цифровые стандарты сотовой связи, как GSM и его разновидность DCS, а также D-AMPS, который стал логическим продолжением стандарта AMPS.