Энциклопедия GSM-связи. Часть 3

Источник: "3DNews" Автор: Андрей Воронин Дата: 17.09.2007

Мобильный телефон как элемент GSM сети

В прошлом нашем материале мы разобрали структуру работы сети GSM. Сегодня для нас остались «сливки» - сам мобильный телефон. Предстоит познакомиться с этим небольшим кусочком пластика, металла и полупроводников. На самом деле, перед нами уникальное устройство. Оно прошло стремительный путь от недосягаемого вожделенного гаждета до любимой игрушки. Вспомните сумасшедшие 90-е годы прошлого века. Буквально все бредили этой дорогой игрушкой. Он символизировал богатую и шикарную жизнь, где мобильный телефон был не инструментом для связи, а просто атрибутом невероятного достатка. Буквально за десятилетие сотовый аппарат стал доступным утилитарным инструментом нашего общения. Однако интерес к нему при этом нисколько не упал. Удивительно. Развращенное человеческое естество работает так, что в десяти из десяти случаев, получая в руки желаемое, мы со временем теряем к нему всякий интерес. Наш мозг требует новых сцен и впечатлений, любой застой приводит к скуке и сну. Пускай это звучит пошло, но мобильник всерьез приковал внимание общественности. Он пользуется любовью и вниманием, которые опередили интерес человечества к автомобилям. Хорошая обувка, например, очень важна и является предметом первой необходимости, но где вы видели, чтобы люди платили деньги за каталоги сандалий?

Одним словом, сегодня нам предстоит узнать много удивительных вещей о внутреннем мире мобильного телефона. Оказывается, этот электронный звереныш имеет вполне понятные и простые алгоритмы работы.

История развития мобильного телефона

Итак, прежде чем перейти к устройству сотового телефона, мимоходом познакомимся с эволюцией этого устройства. Прежде всего, надо условиться, что первые такие аппараты представляли из себя банальные рации. При этом ни о каком «дуплексе» говорить не приходилось. В один момент времени говорила только одна сторона, а другая слушала. Идеальная схема семейной жизни, но никак не повод создать удобную коммерческую связь.

Первые радиотелефоны для коммерческой продажи появились в лабораториях компании AT&T Bell Labs. Инженеры этой великой фирмы быстро смекнули, что размеры и габариты мобильных аппаратов просто страшны. Их первое детище, выпущенное в далеком 1946 году, весило почти пуд. Все надежды на создание носимого варианта рассыпались как карточный домик. Однако умный менеджмент выставил свое предложение – делать телефоны для автомобилистов. Как результат появилось творение, которое весило 12 килограммов и должно было устанавливаться в багажник легковой машины. Микрофон и динамик устанавливали в салон автомобиля. Детище работало очень любопытно. Пользователь связывался с диспетчером и сообщал прежде всего свой собственный номер, а потом называл номер того абонента, куда хотел позвонить. Сказочная процедура, которая работала еще в режиме: «Прием, как слышишь?». Отметим, что первый такой сервис работал в крупных городах США. В середине 60-х в качестве эксперимента было покрыто шоссе из Нью-Йорка в Бостон. Он просуществовал целых 5 лет и после этого его создатели выключили его, как самый нерентабельный проект в их истории.

Все мы помним русские народные сказки и то, что сила в вениках. Сообща что-то делать всегда проще, но так же приходится делиться. Компания AT&T Bell Labs решила разделить все тяготы и надежды с гигантом Motorola. Первую трубку они разрабатывали 15 лет и потратили порядка 100 миллионов долларов. По тем временам сумма неслыханная. Огромная заслуга в создании первого мобильного телефона лежит на инженере Motorola Мартине Купере. Его коллеги рассказывали, что именно его энтузиазм и огромное желание работать помогли довести проект до логического завершения. Именно Мартин Купер совершил первый звонок с разработанного компаниями телефона. Вы будете смеяться, но сделал он его своим конкурентам. Он вышел на улицу Нью-Йорка и вызывал номер компании, которая продвигала мобильные аппараты для автомобилистов. С гордостью сообщив им о том, что он говорит с простого носимого телефона он с наслаждением услышал скрежет зубов своего оппонента. После этого ему задавали только один вопрос: «Как было слышно?». На что он с гордостью заявлял: «Превосходно».

Первый мобильный телефон имел такие габариты – 25 см (высота), 12 см (ширина) и 5 см (толщина). Вес трубки составлял около одного килограмма. После этого развитие мобильной связи испытало некоторый спад. Вызванный тем, что правительство начало разрабатывать стандарты и механизмы, которые бы регламентировали саму связь и обеспечили выход на рынок нового оборудования.

Разумным разрешением всех обстоятельств стало появление первого сотового телефона. Он практически полностью повторял прототип, о котором мы писали выше. Итак, 6 марта 1983 года был выпущен первый в мире коммерческий портативный сотовый телефон. Вышел он из недр корпорации Motorola. Разработчики наделили его простым именем - DynaTAC 8000X. Трубка получила совсем нескромные габариты 33 x 4,4 x 8,9 см, при этом она весила 794 грамма. Неудивительно, ведь даже дисплей этого чуда инженерной мысли был выполнен в виде светодиодного панно. Не хватайтесь за сердце, ламповые диоды и логарифмические линейки в комплекте с трубкой не шли. Аккумулятор телефона смог протянуть порядка одного часа в режиме разговора или 8 часов работы в режиме ожидания. На лицевой стороне телефона расположились 12 клавиш, из них 10 цифровых и две для отправки вызова и прекращения разговора. Важно отметить, что аппарат был первым сертифицирован для коммерческого использования Федеральной комиссией по связи США. Телефон начали продавать. Решение стоило 3.995 долларов. Космическая сумма для начала 80-х годов. Однако за ним выстроились очереди. К сожалению, сейчас нельзя сказать сколько таких мобильников было продано.

Европейцы тоже вели свои эксперименты в области создания первого сотового телефона. Однако уровень инвестиций и результат был более скромным. Хочется выделить всего лишь одну разработку. Она была создана шведскими разработчиками - МТА - Mobiltelefonsystem А (система мобильной телефонии А). В далеком 1956 году это решение начали массово продавать. За год было реализовано 26 терминалов. Вес последнего составлял порядка 35 килограммов. МТА работала только в двух шведских городах в Стокгольме и Гетеборге. Просуществовала эта мобильная связь совсем не долго.

На этом мы заканчиваем наш небольшой экскурс в историю мобильного телефона. Разумеется, она не так проста и изобилует всевозможными нюансами. Однако мы выбрали самые интересные на наш взгляд фрагменты из истории нашего электронного друга.

Мобильная станция под увеличительным стеклом

Прежде всего нам предстоит структурно разобрать мобильную станцию (MS) (Mobile Station). Инженерная мысль разделила ее на две логически законченные составляющие – мобильное оборудование (ME) Mobile Equipment (аппарат абонента) и sim-карты (SIM-Subscriber Identity Module — идентификационный модуль мобильного абонента). Такая номенклатура применима только к стандарту GSM связи. Мобильные станции работающие в других стандартах не всегда вписываются в ее структуру.

Для начала разберем блок-схему описывающую мобильное оборудование. Тут нет никаких трудностей. ME (Mobile Equipment) – мобильное оборудование состоит из четырех блоков:

• блок управления;
• приемопередающий блок;
• антенный блок;
• логический блок.

Блок управления включает в себя микрофон и динамик, клавиатуру и дисплей. Антенный блок состоит из антенны и коммутатора приема-передачи. Коммутатор приема-передачи автоматически переключает антенну либо на прием, либо на передачу, поскольку мобильная станция цифровой системы никогда не работает на прием и передачу одновременно. Тут у читателя могут возникнуть вопросы. Как же так? Нам же обещали связь, которая отличается от обыкновенной рации? Не стоит паниковать. В конечном итоге просмотр телепрограммы это всего лишь ряд статичных картинок, которые наш глаз принимает за динамическое изображение. Звук с мобильного телефона проходит кодек, а дальше идет обмен информацией с сетью. Разумеется, необходимо квантование по времени, ибо заставить антенну одновременно разбирать два колебания на одной частоте дело не совсем разумное. Существуют ли трубки с двумя антеннами? Да. Однако в этом случае, они применяются не для того, чтобы одна работала на передачу, а другая на прием (выход за стандарт не возможен), а для использования двух номеров на одной трубке в один момент времени. В дальнейшем мы расскажем об этом.

Приемопередающий блок делится, соответственно, на передающий блок и на приемный блок. Первый состоит из:

• аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — отвечает за преобразование аналогового сигнала, поступающего с выхода микрофона, в цифровую форму.
• кодер речи осуществляет кодирование сигнала речи – преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности, т.е. передаваемая информация максимально сжимается для сокращения объема.
• кодер канала — добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную информацию, предназначенную для защиты от ошибок, возникающих при передаче сигнала. Здесь же происходит шифрование передаваемой информации.
• модулятор — осуществляет перенос кодированного радиосигнала на несущую частоту, т.е. частоту на которой будет передаваться информация абонента.

Работа передающего модуля выполнена в классическом духе и не содержит никаких «ноу-хау», которые бы выделяли трубку на общем фоне радиопередающих и получающих устройств.

Приемный блок выполняет функции, обратные передающему блоку: демодулятор выделяет из модулированного сигнала кодированный сигнал, несущий информацию; в декодер канала происходит раскодирование информации, выявляются ошибки, которые по возможности исправляются; декодер речи восстанавливает поступающий на него сигнал речи с декодера канала, переводя его в естественную форму, но в цифровом виде; цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует принятый цифровой сигнал в аналоговую форму и передает его на вход динамика.

Что же представляет из себя логический блок — это, по сути, микрокомпьютер со своей оперативной и постоянной памятью, осуществляющей управление работой мобильной станции. В мобильную станцию стандарта GSM также входит детектор речевой активности (VAD — Voice Activity Detector), который в интересах экономии энергии аккумуляторной батареи и снижения уровня помех включает работу передатчика на излучение (на передачу) только на те интервалы времени, когда абонент говорит. На время паузы в работе передатчика в приемник вводится так называемый комфортный шум, который создает у абонента впечатление, что связь не оборвалась. Очень интересное устройство, действие которого мы все не раз ощущали.

На этом работа и функциональное действие оборудование считаем разобранным. Часть информации касательно «боевых» условий эксплуатации этих модулей вы получите в дальнейших частях нашей энциклопедии.

Остается навести порядок с еще одним интересным устройством - SIM-картой (SIM - Subscriber Identity Module). Это идентификационный модуль мобильного абонента - неотъемлемая часть мобильных телефонов стандарта GSM. Для обслуживания телефон должен быть признан сетью своим и иметь индивидуальное «имя», по которому сеть будет к нему обращаться. В первом поколении сотовой связи, в роли таких «имен», выступали электронные аналоги заводских номеров (ESN — Electronic Serial Number). Недостаточная защищенность процедур идентификации в стандартах первого поколения зачастую приводила к появлению двойников. В этом отношении, стандарт GSM с SIM-картой и процедурой аутентификации существенно повысил защищенность сети: без физического взаимодействия с SIM-картой ее клонирование невозможно.

Также как и сам стандарт GSM, SIM-карта развивалась поэтапно, фазами. На SIM-карту фазы 1 возлагались только базовые функции, а именно: аутентификация абонента сети, идентификация пользователей через механизм PIN/PUK-кодов (PIN — Personal Identification Number — персональный идентификационный номер, PUK — PIN Unblocking Key — код разблокировки) и возможность активации/деактивации PIN-кода.

SIM-карта фазы 1 имела стандартные размеры банковской карты (85,5х54х0,76мм.), напряжение 5 В и объем перезаписываемой памяти EEPROM 3 Кбит. Все это позволяло хранить только одно короткое сообщение (SMS) и до 50 номеров в записной книжке ADN (Abbreviated Dialing number). Спустя несколько лет, уменьшение размеров телефонных аппаратов привело к уменьшению размеров и SIM-карты. Производители выпустили карту стандартного размера (совместимую со старым модельным рядом аппаратов), но с выламываемой частью размером 15х25 мм, в которой находится чип.

На фазе 2 , примерно в 1995 году, объем перезаписываемой памяти увеличился до 8 Кбит, а затем и до 16 Кбит. Это позволило сохранять до 10-30 SMS и 100-250 номеров в записной книге. Кроме того, на фазе 2 появились услуги, связанные с использованием кода PIN2: Advice of Charge (AoC) - совет по оплате или информация о стоимости и Fixed Dialling Number (FDN)- фиксированный набор номеров. В случае с AoC абонент может записать на карте стоимость минуты разговора в желаемой валюте и максимальную стоимость разговора, при поддержке этой услуги в сети абонент во время разговора видит текущую стоимость на дисплее аппарата. При фиксированном наборе номеров (FDN) через код PIN2 можно ввести определенные номера и исходящие вызовы будут возможны только на них.

На этом же этапе произошло еще одно важное изменение в SIM-картах. Чтобы увеличить срок работы аккумуляторной батареи, производители карт и аппаратов договорились об изменении напряжения питания SIM-карт с 5 до 3 В. Развитие существующих сетей стандарта GSM побуждало компании предлагать абонентам все новые и новые услуги. Это привело к появлению в 1997 году технологии SIM application ToolKit (STK), относящейся к фазе 2+ и позволяющей предоставлять абонентам удобный доступ к дополнительным услугам, прежде всего информационным (информация о погоде, курсе валют, расписания и др.), а также реализовать GSM-банкинг. Одним из главных направлений развития SIM-карт является дальнейшее увеличение доступной для абонентов памяти, что позволит значительно увеличить объем пользовательской информации, записанной на SIM-карту. Согласно концепции сетей 3-го поколения, предполагается обеспечить для абонента возможность хранения до 5000 записей.

Некоторые аспекты работы SIM-карт

Эта глава расскажет вам не о технической стороне вопроса, а больше о любопытных аспектах. Начнем с клонирования SIM-карт. Действительно, голубая мечта любого злоумышленника, это получить доступ к вашему лицевому счету. В этом случае он может совершать звонки и получать другие сотовые услуги за ваши деньги. Возможно ли это? Заметим – невозможного не бывает. Задача инженеров максимально усложнить этот процесс и сделать его экономически невыгодным.

Итак, что сделано для противодействия взлома SIM-карты? Разработчики пошли простым путем. Они сделали так, что служебная часть перепрограммируемой памяти SIM-карты (тут хранится специальный международный идентификационный номер абонента мобильной связи (International Mobile Subscriber Identity - IMSI), его индивидуальный шифровальный ключ (Ki) и программа криптографического алгоритма (A3)), доступна только внутреннему процессору SIM-карты. Считать эти данные снаружи не получается. Что остается для злоумышленников? Тупо подбирать номера используя известные всем алгоритмы. Однако на это, прежде всего, надо много времени, а, кроме этого, тут реализована специальная защита, основанная на ограничении общего числа допустимых обращений к карте. После какой-то попытки карта просто блокируется. Снять защиту после этого не удастся даже в сервисном центре. В принципе такой метод защиты показал высокую надежность и гарантирует безопасность ваших денег на лицевом счете.

Вы будете смеяться, но даже эта защита сейчас не является панацеей от всех бед. Изворотливые умы придумали, как ее можно обойти за очень короткий промежуток времени. Дело в том, что при обращении к SIM-карте прослеживается активность внутреннего процессора. Ток, потребляемый им через соответствующие контакты карты от внешнего источника питания, оказываются различными в случаях, когда задаваемый код полностью не соответствует требуемому или частично совпадает с ним. В результате нехитрая плата позволяет просканировать вашу SIM-карту за считанные минуты. Как этого избежать? Все очень просто никогда и никому не давайте вашу SIM-карту. Помните, что сделать двойника может даже двоечник из ближайшего ПТУ. Оборудование для изготовления клона открыто продается и стоит совсем недорого.

Если с безопасностью мы немного разобрались, то давайте обратимся к будущему SIM-карты. Не так давно были продемонстрированы новые решения, которые включают в себя современную технологию Java Card Technology. Такие карты нового поколения обещают большую приспосабливаемость и гибкость как для операторов, так и для конечных пользователей.

Кроме этого, разработчики продолжают увеличивать память на SIM-картах. Компания Samsung официально представила свою новую разработку S-SIM - SIM-карту. Последняя также является картой памяти объемом 1 Гб. Устройство способно совместить в себе сразу несколько полезных для пользователя способностей. Осталось только дождаться появления мобильных с поддержкой новых карточек.

Трудно найти человека, который не слышал о Мультисим. Это с виду обычная SIM-карта, в которой зашито несколько SIM-карт (до 10). Используя мультисим карту, вы сможете переключаться между вашими номерами не выключая телефон. Для всех номеров будет доступна общая записная книга. Все SMS будут также видны со всех номеров. Кроме этого, присутствует возможность добавления (удаления) новых номеров на вашу silver (green) карту позднее. Удобно и хорошо. Законно? Практически «да». Стоит иметь ввиду, что если вы используете такое устройство, то действует несколько правил:

• Запись нескольких SIM-карт возможна только на специальные карты. Их продажей занимаются, как правило, интернет магазины.
• Если у вас включен один оператор, то на второй, прошитый у вас, вам не дозвонятся. Телефон работает только с одной учетной записью. Если бы было два приемопередатчика, то это ограничение можно было бы обойти.
• Можно включать одновременно две одинаковые карты. Звонить можно с любого, но звонки будут приходить только на тот телефон, который был последний активный в сети (SMS, звонок, проверка счета). Но это уже на грани нарушения закона.
• Cканирование одной SIM-карты от нескольких минут до полутора часов. Обычно 20 минут.

Мы не приветствуем использование Мультисим. Любое оборудование должно пройти необходимую сертификацию перед его продажей и использованием. Теоретически вы можете испортить свой сотовый телефон устанавливая в него всякие недоброкачественные устройства. Эта информация приводится исключительно для ознакомления.

Режимы работы мобильной станции

Раз уж речь сегодня зашла о мобильных станциях, то необходимо рассказать вам о режимах работы этого устройства. Они перед вами:

• detach- аппарат абонента выключен
• attach- аппарат абонента включен, который в свою очередь делится наследующие режимы:
• IDLE- режим ожидания;
• active – активный режим.

Detach (выключен) бывает явный и не явный. Явный detach когда абонент нажал кнопку отключения телефонного аппарата. Неявный detach - это когда у абонента разрядилась аккумуляторная батарея, или абонент находится вне зоны действия сети. При переходе из режима detach в режим attach происходит регистрация абонента в сети.

Как происходит регистрация абонента в сети? Рассмотрим ситуацию, когда Вы впервые стали абонентом сотового оператора (например, МТС). Вы получили SIM-карту, установили ее в свой мобильный телефон и включили его. Мобильная станция начинает сканировать все частоты (124 частоты) GSM-900, для того, чтобы определить частоты, которые принадлежат нашей компании. Мобильная станция слушает информацию, передающуюся в эфире по каналам сигнализации. Из всего объема информации для мобильной станции на данном этапе важен мобильный код сети (MNC- Mobile Network Code), который в МТС – 01. До 30 удовлетворяющих частот GSM-900 заносятся в виртуальный буфер. После того, как отобраны все «лучшие частоты» GSM-900, начинается сканирование GSM-1800. До 40 частот GSM-1800 заносятся в виртуальный буфер. Из частот двух диапазонов выбираются 6 лучших, которые записываются на SIM-карту.

После того, как частоты выбраны, мобильная станция посылает в сеть приветствие - IMSI (International Mobile Subscriber Identity). Идет запрос базы данных. Происходят процедуры: аутентификация; обновление местоположения абонента. Если эти процедуры проходят успешно, то процедуру регистрации можно считать завершенной.

Как работает телефон в режиме ожидания? В режиме ожидания мобильная станция постоянно отслеживает:

• измерения информации системы, связанные с изменением режима работы сотовой системы;
• измерения, связанные с перемещением мобильной станции;
• команды системы, например, команду подтверждения своей работоспособности;
• получения вызова со стороны сотовой сети (входящие вызовы);
• получение вызова со стороны абонента (исходящие вызовы).

Мобильная станция измеряет и периодически передает на BTS: уровень сигнала BTS «своей» соты и до 16 соседних (смежных) сот; качество сигнала. Кроме того, мобильная станция может периодически подтверждать свою работоспособность, передавая соответствующие сигналы (подтверждение регистрации или уточнение местоположения).

Самое время сделать паузу. В следующей нашей части мы продолжим знакомиться с GSM связью.