logo
А

4.3.1 Общие сведения

Завершая обзор технических аспектов функционирования систем сотовой связи, приведем более подробно описание самого распространенного на сегодня в Европе цифрового стандарта второго поколения (2G) GSM.

Первоначально стандарт GSM был разработан для частотной полосы 900 МHz (разработка стандарта закончена к 1990 году, первые сети развернуты в 1992 году), однако почти сразу же после этого на базе его оригинальной спецификации в Великобритании разрабатывается альтернативный стандарт DCS – 1800 для частотной полосы в районе 1800 МHz (первые сети развернуты в 1993 году). В 1997 году DCS – 1800 был переименован в GSM – 1800 и стал использоваться на территории всей Европы. В США примерно в это же время был разработан и принят к внедрению стандарт GSM – 1900 для частотной полосы в районе 1900 МHz. Существуют планы по распространению стандарта GSM и на частотный диапазон 450 МHz в случае его освобождения аналоговой системой, работающей в стандарте NMT – 450 (по состоянию дел на лето 2007 года этого не произошло, освобожденный диапазон 450 МHz используется на Украине и в России для разворачивания сети поколения 3G в стандарте CDMA 2000 1хEV-DO). Кроме того, разработан вариант стандарта GSM для частотного диапазона 850 МHz GSM – 850, который по ряду причин не получил широкого распространения.

58

По своей структуре сеть GSM фактически представляет собой беспроводной вариант цифровой сети ISDN (Integrated Services Digital Network – Цифровая сеть с интеграцией услуг), поэтому она помимо передачи речи изначально приспособлена также для передачи данных (трафика Internet, текстовых и факсимильных сообщений и т. д.) [3].

Более подробно организация каналов в стандартах GSM выглядит следующим образом. Поскольку для организации одного разговора в дуплексном режиме необходимы два отдельных канала, весь частотный диапазон любого GSM стандарта разделяется на две группы каналов: восходящие (от мобильной к базовой станции, UP Link, сокр. U) и нисходящие (от базовой к мобильной станции, Down Link, сокр. D). Диапазон GSM – 900 занимает участки частотного спектра 890 – 915 МHz (восходящие каналы) и 935 – 960 МHz (нисходящие каналы), диапазон GSM – 1800 – 1710 – 1785 МHz (восходящие каналы) и 1805 – 1880 МHz (нисходящие каналы) [3]. Каждая группа каналов в системе GSM – 900 (восходящих и нисходящих) разбита на 124 канала, в системе GSM – 1800 – на 374 канала, в системе GSM – 1900 – на 124 канала (имеются в виду частотные или физические каналы). Ширина полосы каждого канала составляет 200 kHz [3]. Частотный разнос между каналами передачи и приема в каждом дуплексном канале составляет для GSM – 900 45 МHz, для GSM – 1800 95 МHz [1]. В некоторых источниках этот параметр называется дуплексным разносом.

В стандартах GSM применен метод разделения каналов TDMA (Time Division Multiple Access, многостанционный доступ с временным разделением каналов). в каждом из радиотрактов (частотных каналов, физических каналов) организовано восемь временных логических каналов или таймслотов, из которых семь используются для передачи голосовой информации и данных, а восьмой является служебным (сигнальным, управляющим) и используется для передачи различной служебной информации в процессе регистрации мобильной станции (MS, Mobile Station) при включении и отключении питания, во время установления и разрыва соединения, при сопровождении терминала, находящегося в режиме ожидания и т. д., а также для передачи SMS – сообщений.

Полезный сигнал преобразуется системой в цифровой поток и разбивается на пакеты по 148 бит. На передачу каждого пакета отводится интервал длительностью 0,577 мс каждые 4,616 мс (то есть точно 8×0,577). Мобильная станция в режиме соединения каждые 4,616 мс выдает пачку коротких импульсов, что соответствует частоте 217 Hz, непосредственным детектированием этих импульсов и объясняется низкочастотная помеха, иногда наводящаяся в аудиоаппаратуре при поднесении к ней работающего GSM – терминала. При совместной передаче речи и данных скорость передачи в одном радиотракте может составлять до 8×22,8 кбит/с [3].

59

Точное количество физических каналов (радиотрактов, частотных каналов), выделяемых одной базовой станции (BTS, Base Transceiver Station), не называет ни один из доступных источников. Оно зависит от многих факторов – от частотной полосы, на которой работает конкретная GSM-система, от модели повторного использования частот, а также от количества сотовых сетей, развернутых на данной территории и работающих в этой частотной полосе. Количество логических (временных) каналов базовой станции будет равно числу радиотрактов, умноженному на семь (восьмой таймслот в каждом частотном канале, как мы помним, является служебным). Учитывая, что стандарт GSM – 900 предполагает организацию максимально 124 каналов (124 восходящих + 124 нисходящих), а стандарт GSM – 1800 – 374 каналов (374 восходящих + 374 нисходящих), в общем случае емкость одной соты GSM – 1800 будет больше, чем емкость одной соты GSM – 900. С другой стороны, длина волны, соответствующая частоте 900 МHz, составляет 33 см, а 1800 МHz – 17 см. Это влияет на способность радиоволн проникать в помещения через небольшие отверстия и на дальность связи [3]. Если дальность связи в стандарте GSM – 900 составляет 35 км, то в стандарте GSM – 1800 – 10 км [2]. Из всего вышесказанного можно сделать следующий вывод: GSM – 900 более подходит для разворачивания на относительно малонаселенной местности, а GSM – 1800 – в городах. На практике это привело к тому, что все современные мобильные станции и большая часть базовых станций выпускаются в исполнении dualband, т. е. двухдиапазонными, позволяющими работать как на частоте 900 МHz, так и на частоте 1800 МHz (весьма часто встречаются также трехдиапазонные или трехстандартные мобильные терминалы GSM 900/1800/1900, они позволяют работать в роуминге не только в Европе, но и в Северной Америке; в самое последнее время появились четырёхдиапазонные 850/900/1800/1900 терминалы). На сегодня классическая европейская сеть стандарта GSM строится на основе GSM – 900, после чего в крупных городах на части базовых станций расширяют емкость за счет добавления каналов GSM – 1800, а некоторые базовые станции GSM – 900 в местах наибольшей нагрузки снимают и расщепляют такую соту на семь пикосот с установкой семи базовых станций dualband малой мощности. И если этот сценарий нарушается (например, изначально строится национальная сеть на основе GSM – 1800), то это связано только с нехваткой частот в диапазоне 900 МHz. Сети GSM – 1800 выгодно строить только в пределах крупных городов, при выходе же на магистрали и, тем более, в сельскую местность, они становятся слишком дороги из-за необходимости установки большого числа базовых станций. Не спасает положения даже повышенная емкость таких сетей – она просто бывает невостребованной в относительно малонаселенной местности.

Минимальный радиус соты в системе GSM составляет 500 м, соты (пикосоты, англ. picocell, как правило, они разворачиваются внутри помещений) меньшего радиуса действия невозможно организовать из-за

60

нехватки быстродействия системы управления при переключении радиотрактов в процессе перемещения мобильной станции из соты в соту. Верхняя граница в GSM – 900 – 35 км (это объясняется тем, что система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов или, иными словами, времени распространения сигналов в прямом и обратном направлении, до 233 мкс, что и соответствует максимальному радиусу ячейки (соты) 35 км [31]), в GSM – 1800 – 10 км. За пределами радиуса действия системы мобильная станция может принимать сигнал базовой станции и показывать на дисплее достаточный уровень этого сигнала, однако связь при этом технически невозможна. Поскольку сеть связывается с мобильной станцией только в течение интервалов времени длительностью 0,577 мс, пакеты битов, передаваемые мобильной станцией с расстояния, большего, чем предельное, будут достигать базовой станции в тот момент, когда она уже прекратила их ожидание и перешла на прием сигнала другого терминала. На побережьях морей для расширения прибрежной зоны покрытия азимуты (направления излучения) антенн базовых станций системы GSM – 900, работающие в сторону открытого моря, могут обслуживаться специальным программным обеспечением, которое позволяет увеличить их радиус действия вдвое – до 70 км (так называемая конфигурация Extended Cell). Это достигается путем увеличения вдвое длительности каждого отдельного таймслота за счет уменьшения вдвое количества таймслотов в каждом радиотракте. Однако такой прием соответственно и снижает вдвое общее количество логических каналов в данном азимуте базовой станции, что не всегда приемлемо, хотя небольшая абонентская плотность в данном случае обычно не приводит к отказам связи вследствие перенасыщения (исчерпания канальной емкости) соты [3].

Собственно, исчерпание канальной емкости или перенасыщение соты может произойти в любом месте сети при большом скоплении в ней абонентов, что иногда и происходит на практике в центральных районах крупных городов, на стадионах в моменты проведения различных массовых мероприятий, при образовании пробок на дорогах и в других подобных ситуациях. Положение еще больше усугубляет то, что часть связей в этих случаях устанавливается внутри одной соты, при этом одновременно задействуется сразу два дуплексных канала. Таким образом, абоненту всегда нужно иметь ввиду, что при возникновении подобных форс-мажорных обстоятельств сотовые (территориальные) сети связи не всегда могут обеспечить его надежной связью [3].

Мощность передатчика базовой станции может составлять для частоты 900 МHz до 300 Вт на азимут (направление излучения), а для 1800 МHz – до 30 Вт на азимут. Антенный комплекс базовой станции стандарта GSM, как правило, включает в себя мачту, на которой размещаются антенны с шириной диаграммы направленности в горизонтальной плоскости 1200. Часто верхняя часть мачты в сечении представляет собой треугольник, по

61

углам которого размещаются три или шесть таких антенн. Расстояние между антеннами одного азимута называют пространственным разнесением, оно всегда значительно превышает длину волны и необходимо для того, чтобы условия распространения сигналов одного азимута, излучаемого разными антеннами по направлению к мобильной станции значительно различались. Это помогает избежать замираний сигналов, обусловленных наложением основного и отраженного от препятствия сигналов, равных по мощности, но находящихся в противофазе. Если мачта базовой станции оборудована тремя антеннами, направление азимута будет исходить из центра антенны в горизонтальной плоскости, если один азимут обслуживают две антенны (мачта оборудована шестью антеннами), направление азимута будет исходить из точки, лежащей между двумя антеннами одного азимута в горизонтальной плоскости. При размещении базовой станции на высоком здании, господствующем над местностью, антенны могут быть вынесены на крышу этого здания и размещены по его углам, а иногда по фасаду. В этом случае антенный комплекс может иметь более трех азимутов. Очень редко базовые станции могут быть оснащены двумя или даже одним азимутом (чаще всего, временные базовые станции). Внутри зданий и в подземных сооружениях могут быть организованы пикосоты с локальным радиусом действия как при помощи направленных антенн специальной конструкции, так и при помощи антенн, выполненных в виде так называемых расщепленных коаксиальных кабелей, проложенных в этих помещениях [3]. Все антенны базовых станций являются приемопередающими, на мачтах кроме антенн, обслуживающих азимуты, при необходимости устанавливают направленные антенны радиорелейных линий для связи базовой станции с центром коммутации.

Мощность передатчика мобильной станции может колебаться в пределах от 800 mW до 8 W, причем для носимых мобильных терминалов – не более 2 W. Эти данные справедливы для GSM – 900, для GSM – 1800 все мощности передатчиков будут в два раза меньше [3]. В других источниках иногда указывается меньшая величина минимальной мощности. Антенны современных мобильных терминалов, как правило, представляют собой четвертьволновой вибратор, изготовленный в виде спирали, заформованной в пластиковый корпус или в виде вытравленной непосредственно на печатной плате дорожки со строго выдержанным размером (большинство внутренних антенн, которыми чаще всего и оборудуют современные мобильные станции) [3].

Говоря о мощности передатчиков, следует понимать, что в сетях стандарта GSM применен контроль за уровнем мощности радиосигнала как на мобильных, так и на базовых станциях, при этом передача всегда ведется с несколько повышенной, чем это нужно в данных условиях, мощностью (так называемый запас на замирание). Кроме этого, постоянно контролируется качество передачи информации. До тех пор, пока уровень

62

мощности радиосигнала и качество передачи информации сохраняются выше заданного порога, переключения на другой радиотракт не происходит [32].

В процессе сеанса радиосвязи в сетях GSM используется процедура медленного перескока частот (SFH, Slow Frequency Hopping). Суть данной процедуры в том, что информация, передаваемая или принимаемая в выделенном для определенной мобильной станции тайм-слоте TDMA-кадра (TDMA-кадр – 8 цифровых пакетов, передаваемых в восьми тайм-слотах на одном радиотракте [1]) в следующем кадре передается или принимается на новой фиксированной несущей частоте (радиотракте) с сохранением номера таймслота. При этом дуплексный разнос в 45 MHz между каналами приема и передачи сохраняется неизменным. Период времени для замены частоты составляет около 1 мс. Основное назначение перескока частоты состоит в обеспечении защиты от помех (постоянно сканируя эфир, мобильный терминал имеет сведения о нескольких радиотрактах с самым высоким уровнем приема и при ухудшении условий работы на используемом канале он переходит на другой частотный канал с наилучшими в данный момент времени условиями, занимая таймслот с тем же номером), хотя одно это уже на системном уровне значительно повышает секретность передачи [32].

Применение в GSM речевого кодека со скоростью передачи информации 6,5 кбит/с позволяет использовать полускоростные каналы связи без ухудшения качества передачи, что дает возможность удвоить общую емкость сети [32]. Обработка речи осуществляется в рамках системы прерывистой передачи речи (DTX). Она обеспечивает включение передатчика мобильного терминала только при наличии речевого сигнала и отключение его в паузах и в конце разговора, что позволяет значительно экономить энергию батареи [31]. Работа системы DTX стала возможна в результате применения в составе мобильного терминала детектора активности речи (VAD, Voice Activity Detection) [32].

Определение местоположения и последующая маршрутизация входящего вызова в сотовых сетях стандарта GSM (как, впрочем, и в сетях сотовой связи других стандартов) коренным образом отличается от аналогичных операций в стационарных телефонных сетях. Абонентский пункт стационарной (проводной) телефонной сети подключается к определенной АТС, имеющей постоянный номер и все адресованные на данный абонентский пункт входящие вызовы направляются на АТС с этим номером. Мобильная станция может находиться в зоне действия любой базовой станции в пределах сети, поэтому здесь применен совсем иной подход.

В момент включения мобильная станция, как уже упоминалось ранее, проводит процедуру регистрации в сети, определяя свое текущее местоположение. Центр коммутации фиксирует эту информацию и в дальнейшем примерно один раз в 6 секунд обновляет ее, принимая сигнал от

63

мобильной станции. Вся сотовая сеть разбита на так называемые Location Area (LA). LA обычно включают в себя несколько сот, их размеры операторы выбирают из соображений минимизации нагрузки на управляющие радиоканалы. Код данной Location Area (LAC – Location Area Code) постоянно передается базовой станцией по управляющим каналам вместе с кодом сети и другой служебной информацией, базовая станция в режиме ожидания постоянно отслеживает эту информацию.

При входящем вызове запрос на соединение с нужной мобильной станцией будут посылать все базовые станции, имеющие одну Location Area, ту, в которой по сведениям центра коммутации, в последний раз регистрировалась мобильная станция. Если мобильная станция пересекает границу Location Area (т. е. перемещается в зону действия соты, LAC которой отличается от LAC предыдущей соты), она посылает в сеть сообщение о смене Location Area. Этот процесс называется Location Update.

Если размеры Location Area сделать относительно большими (или вообще увеличить ее до размеров сети), управляющие каналы будут перегружаться запросами на соединение при входящем вызове, так как этот запрос будет посылаться всеми базовыми станциями сети. Такое положение дел абсолютно неприемлемо, ведь нет никакого смысла загружать запросами управляющие каналы тех базовых станций, в зоне действия которых нужной мобильной станции в текущий момент времени явно нет. С другой стороны, если Location Area сократить до размеров одной соты, при входящем вызове запрос на соединение будет посылать только базовая станция, в зоне действия которой находится нужная мобильная станция. Такой вариант кажется идеальным с точки зрения разгрузки управляющих каналов, но в этом случае каждый раз при пересечении границы соты (и, соответственно, Location Area) мобильная станция будет выполнять операцию Location Update. Учитывая то, что в крупных городах плотность расположения базовых станций велика и их радиус редко превышает несколько сот метров, при движении на транспорте мобильная станция будет постоянно выполнять операцию Location Update. Кроме перегрузки управляющих каналов последнее чревато еще и очень интенсивным разрядом аккумулятора мобильной станции, т. к. в момент выполнения операции Location Update ее передатчик работает с повышенной мощностью (1 или 2 Вт). Поэтому в реально действующих сетях Location Area обычно объединяют несколько базовых станций, в городах условно можно считать, что их размеры приблизительно равны размерам одного административного района города [33].

Другой стороной проблемы маршрутизации входящего вызова в сотовых сетях стандарта GSM является то, что любая более-менее крупная реальная сеть практически всегда имеет несколько центров коммутации. Здесь приходится прибегать фактически к процедуре внутрисетевого роуминга5, на описании которой стоит остановиться подробнее.

64

Стандарт GSM предусматривает два типа областей памяти, хранящих данные о мобильной станции (абоненте): Home Location Register (HLR, регистр домашних абонентов) и Visitor Location Register (VLR, регистр визитеров).

В HLR содержатся все абонентские данные, и там же содержится номер VLR. VLR – это область памяти в центре коммутации, который обслуживает данного абонента в данный момент времени, имеющая номер в международном формате MSISDN (то есть номер вида +38 044 ××× ×× ××).

Каждому центру коммутации присваивается определенный диапазон номеров, каждая мобильная станция прикрепляется к одному из центров коммутации и считается его домашним абонентом. При поступлении входящего вызова на мобильную станцию, находящуюся в зоне действия своего центра коммутации, вызов проключается непосредственно по домашнему номеру данной мобильной станции. Если в момент поступления входящего вызова мобильная станция находится в зоне действия любого другого центра коммутации, задействуется процедура внутрисетевого роуминга. Центр коммутации, с которого идет вызов, находит в регистре HLR номер VLR – центра коммутации, в зоне действия которого находится в данный момент мобильная станция и обращается по номеру VLR к этому центру коммутации. VLR – центр коммутации выделяет мобильной станции из принадлежащей ему области номеров роуминговый номер MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number), „привязывает“ в своей памяти этот MSRN к номеру мобильной станции и отсылает MSRN центру коммутации, с которого идет вызов. Вызывающий центр коммутации по номеру MSRN доходит до вызываемого центра коммутации, вызываемый центр сопоставляет данный MSRN с „привязанным“ к нему номером мобильной станции и проключает вызов. Сразу после установления соединения номер MSRN освобождается и может быть использован для маршрутизации другого вызова [33]. Обычно внутрисетевой роуминг не отражается на стоимости звонка и никак не заметен для абонента.

Таким же образом выполняется и проключение входящего вызова в случае, когда мобильная станция находится в зоне действия сети иностранного оператора, с которым заключено роуминговое соглашение (международный роуминг). Задействуются международные каналы связи, значительно усложняется билинг (т. е. денежные взаиморасчеты), но общая схема остается неизменной.

Закончить описание процесса маршрутизации входящего вызова в сотовых сетях стандарта GSM хотелось бы уточнением термина „номер мобильной станции“, который при этом упоминается. Строго говоря, мобильной станции стандарта GSM присваиваются три номера, каждый из которых несет свою смысловую нагрузку и используется для определенных действий. Абонентский номер, включающий в себя код страны и код сотовой сети, находится в банке данных центра коммутации. Он

65

непосредственно доступен абоненту и используется для его вызова другими абонентами любых телефонных сетей. Память SIM-карты содержит номер IMSI – International Mobile Subscriber Identity (Международный номер идентификации мобильного абонента). IMSI является уникальным номером в мировом масштабе и, по сути, представляет собой номер счета абонента. Он используется для идентификации абонента и определения его платежеспособности, о чем подробно будет сказано далее. В банке данных центра коммутации заложена зависимость между абонентским номером и номером IMSI для каждого абонента. Третий номер, присвоенный мобильной станции – это IMEI – International Mobile station Equipment Identity (Международный идентификационный номер мобильной станции). Он также уникален в мировом масштабе, запрограммирован в памяти мобильного терминала и служит для его идентификации. Поскольку в сетях стандарта GSM мобильная станция состоит из связки мобильный терминал – SIM-карта, можно утверждать, что функции идентификации абонента и терминала в данном стандарте разделены, причем функция идентификации абонента закреплена только за SIM-картой [3].

Функция идентификации мобильного терминала в стандарте GSM не является главной, она носит вспомогательный характер и предназначена в основном для борьбы со злоупотреблениями и воровством самих терминалов. Стандартом GSM предусмотрено создание в масштабах сети базы данных номеров IMEI, которые вносятся в три списка: белый, черный и серый. Белый список – легальные терминалы, которым разрешена регистрация в сети, черный список – украденные терминалы, которым сеть автоматически отказывает в регистрации, серый список – терминалы, которые сеть регистрирует и обслуживает, а в процессе такого обслуживания возможно их прослушивание, отслеживание местоположения и т. д. с целью выявления правонарушителей. Проверка IMEI в стандарте GSM не является обязательной в процессе регистрации и может быть отключена, что зачастую и практикуют отдельные операторы. Борьба же с воровством мобильных терминалов путем внесения их в черный список эффективна только тогда, когда в ней участвуют все операторы страны (а в идеале – все операторы GSM в мире), иначе терминал, который не регистрируется в данной сети, будет просто использоваться для работы в другой сети. В Украине проверка IMEI стала обязательной только в 2009 году.

При описании процесса определения местоположения мобильной станции и вызова мы все время упоминали только входящий вызов. Что касается исходящего вызова, то он может быть произведен из зоны действия любой базовой станции данной сети и никакого специального процесса маршрутизации на участке прохождения такого вызова от обрабатывающей его базовой станции до центра коммутации не требуется.

Говоря о стандарте GSM в целом, нельзя также не отметить того основного фактора, который сразу же выделил данный стандарт из ряда всех

66

других стандартов сотовой связи и способствовал самому широкому его распространению сначала в Европе, а потом и во всем мире. Таким фактором, безусловно, является очень удачная идея применения SIM-карты.

4.3.2 SIM-карты

SIM-карты уже неоднократно упоминались в тексте данной главы. Рассмотрим подробнее их назначение, конструкцию и основные функции. Как известно, SIM-карта может быть вставлена в специальный разъем любого мобильного GSM-терминала и с этого момента терминал оказывается подключенным к сети, получает абонентский номер и возможность полноценно функционировать в пределах сети.

SIM-карта (Subscriber Identity Module, Модуль идентификации абонента) в теории могла бы быть предельно простой и содержать только идентификационный номер абонента. Однако, учитывая опыт эксплуатации первых аналоговых систем сотовой связи, которые становились весьма легкой мишенью для злоупотреблений и махинаций, при создании полностью цифрового стандарта GSM было решено все функции, связанные с идентификацией абонента, проверкой подлинности карты (аутентификацией) и шифрованием разговора реализовать в самой SIM-карте.

Технически SIM-карта – это асинхронная чип-карта (смарт-карта), соответствующая одновременно спецификациям как группы международных стандартов на чип-карты iSo 7816, так и стандарта GSM 11.11. SIM-карта работает согласно протоколу Т=0, а ее класс iSo A0h [3].

Функции, выполняемые в других стандартах мобильным терминалом, в стандарте GSM разделены между собственно терминалом и SIM-картой (ранее уже упоминалось, что в стандарте GSM мобильная станция состоит из связки мобильный терминал – SIM-карта, в то время, как в других стандартах мобильный терминал сам по себе является мобильной станцией). Все функции связи (прием и передача сигналов, их модуляция и детектирование, воспроизведение и восприятие звуков речи, отображение информации на дисплее и т. д.) выполняются мобильным терминалом, а все, что касается персональных данных, идентификации абонента, аутентификации карты, шифрования и дешифрования сигнала, – реализуется в SIM-карте. Из-за этого исправный GSM-терминал без SIM-карты не может быть полноценной мобильной станцией и обеспечивает только аварийные вызовы по международному коду 112 без шифрования (это требование было изначально заложено в стандарт) [34].

SIM-карта стандарта GSM фактически представляет собой специализированный вычислитель, работающий под управлением собственной операционной системы. Она содержит все основные элементы микрокомпьютера: 8-разрядный процессор, узлы ввода и вывода

67

информации, постоянную (RoM), оперативную (RaM) и перепрограммируемую (eeРRoM) энергонезависимую память. По своей вычислительной мощности SIM-карта вполне сопоставима с персональными компьютерами 80-х годов 20 века. SIM-карта общается с терминалом при помощи двунаправленной последовательной шины данных, одновременно с этим ее работа синхронизируется внешним тактовым генератором, размещенным в терминале [3].

eeРRoM SIM-карты разделена на две области – служебную и пользовательскую, ее емкость у современных карт может достигать 32, 64 и даже 128 кбайт. В пользовательской области размещается телефонная книга абонента (до 250 и более номеров), хранилище принятых SMS и другая подобная информация. Служебная область eeРRoM построена таким образом, что содержащаяся в ней информация доступна только внутреннему процессору SIM-карты и не может быть считана извне. В этой служебной области хранится номер IMSI (International Mobile Subscriber Identity, Международный номер идентификации мобильного абонента), секретный ключ Ki (Individual subscriber authentication key, Индивидуальный ключ аутентификации абонента) и программа криптографического алгоритма А3/А8. Секретный код Ki и номер IMSI кроме SIM-карты хранится в центре аутентификации AuC (authentication Centre, Центр аутентификации), который находится в центре коммутации [3, 34].

Когда сети необходимо провести аутентификацию SIM-карты мобильной станции, она генерирует случайное число RND из 16 байт (128 бит, откуда и пошло другое название алгоритма А3/А8 COMP 128). Центр аутентификации выполняет алгоритм по этому числу RND с ключом Ki, соответствующим идентификационному коду IMSI SIM-карты, одновременно передавая RND на мобильную станцию. SIM-карта мобильной станции независимо от сети выполняет тот же алгоритм с теми же операндами. В результате выполнения алгоритма с обеих сторон вычисляется подпись SRES (Signed RESponse, Полученная подпись при ответе в процессе аутентификации) из 4 байт и временный ключ шифрования Kс (Ciphering Key, Ключ шифрования или криптографический ключ) из 8 байт. Подпись SRES передается мобильной станцией в центр аутентификации, и если подписи, вычисленные с обеих сторон, идентичны, центр аутентификации признает SIM-карту аутентичной и разрешает центру коммутации работу с ней. Во время сеанса связи центр коммутации и SIM-карта мобильной станции используют для шифрования – дешифрования трафика временный ключ Kс при помощи более простого (и более быстрого) алгоритма шифрования А5. Шифрование и дешифрование трафика на мобильной станции осуществляется только процессором SIM-карты без участия процессора мобильного терминала. После завершения сеанса связи временный ключ шифрования Kс удаляется из оперативной памяти SIM-карты и центра коммутации, для следующего сеанса будет

68

рассчитан новый ключ Kс (так как процесс аутентификации SIM-карты сеть производит перед каждым новым сеансом связи) [3].

В роуминге центр аутентификации домашней сети предоставляет иностранным сетям число RND вместе с соответствующими результатами выполнения алгоритма А3/А8 для каждого сеанса связи. При этом иностранным сетям никогда не раскрывается секретный ключ Ki [3].

Несколько слов о технической стороне реализации SIM-карт. Являясь разновидностью чиповых смарт-карт, адаптированных под нужды сотовой связи, SIM-карты обладают достаточной механической прочностью и высокой стойкостью к электрическим напряжениям, электромагнитным полям и другим неблагоприятным воздействиям. Права абонентов записаны не на самих SIM-картах, а в базах данных операторов, что дает возможность легко заменять саму карту в случае ее физической потери или кражи с одновременной блокировкой доступа к сети утерянного экземпляра SIM-карты. В то же время специфика сетей связи позволяет абоненту в любое удобное время получать доступ к своему счету и производить с ним любые допустимые операции (ведь SIM-карта в отличие от банковской карты постоянно вставлена в разъем средства связи – мобильного терминала) [3, 34].

Питание на SIM-карту подается из мобильного терминала. Ранние версии были рассчитаны на рабочее напряжение 5,5 V, современные карты обычно работают с напряжением 3,3 V. Первоначально выпускались полноформатные SIM-карты (размерами со стандартную пластиковую кредитную карту: 85,6×54×0,76 мм), которые даже планировалось одновременно с сотовыми телефонами использовать в стационарных таксофонах (что и было реализовано в ряде европейских стран). С уменьшением размеров мобильных терминалов получили распространение SIM-карты мини-формата 25×15×0,76 мм, которые выламываются из полноформатной карты [34].

Вынесение на SIM-карту информации о персональных данных абонента и легкая смена SIM-карт абонентом сделали невыгодным дотирование мобильного терминала при его продаже с подключением к определенной сети. Для того, чтобы по отношению к терминалам стандарта GSM также возможно было применять данный маркетинговый ход, в них стали устанавливать так называемый SIM-lock или SP lock (Service Provider lock, Блокировка службы провайдера). Оператор, предполагающий продажи терминалов с подключением по сниженной цене, заказывает производителю партию аппаратов, на которые установлена специальная версия программного обеспечения с защитой на основе уникальной совокупности кодов оператора NCC (Network Colour Code, Цветовой код сети) и страны расположения сети MCC (Mobile Country Code, Международный код страны в сети мобильной связи). Поскольку эти же коды содержит и SIM-карта, при каждом включении терминал сверяет эти коды и, если они не совпадают, не

69

регистрируется в сети. Данный вид защиты может быть снят либо путем ввода с клавиатуры телефона специального разблокировочного кода (поставляется производителем вместе с партией терминалов), либо полной заменой программного обеспечения терминала. Поскольку SIM-lock является чисто программным видом защиты, после его корректного снятия терминал остается полностью работоспособным [34].

Во избежание тотальной блокировки сети GSM в определенные периоды времени (например, накануне праздников) и частичной блокировки в режиме локальной перегрузки (т. е. когда в одном месте возникает большое скопление абонентов, одновременно совершающих звонки) стандарт GSM 02.11 определяет ряд классов доступа для SIM-карт. Принадлежность SIM-карты к тому или иному классу доступа определяет приоритет доступа мобильной станции к ресурсам сети. Использование мобильной станции в зоне действия конкретной базовой станции возможно только в том случае, если в данной местности хотя бы один из классов доступа из числа присвоенных SIM-карте этой мобильной станции, имеет разрешение сети на доступ к ресурсам (каналам).

Стандарт GSM 02.11 дает определение десяти обычным классам доступа с номерами от 0 до 9 и пяти специальным классам с номерами от 11 до 15:

Класс номер 10 управляет прохождением экстренных вызовов по номеру 112, к нему по умолчанию относятся все SIM-карты.

SIM-карта обычного абонента принадлежит к одному классу с номером от 0 до 9. Классы доступа с номерами от 11 до 15 считаются специальными и имеют приоритет доступа к ресурсам сети при их дефиците. SIM-карта специального класса может одновременно принадлежать еще к одному из обычных классов.

Но возможности современных SIM-карт далеко не исчерпываются описанными здесь базовыми функциями. Фазы развития SIM-карт соответствуют фазам развития стандарта GSM в целом, хотя в последнее время фазы развития SIM-карт несколько отстают от развития GSM сетей. Фаза 1 в настоящее время не встречается, в эксплуатации находятся SIM-карты фазы 2 и 2+. Фаза 2 предполагает помимо необходимых для работы карты функций реализацию телефонной книги на 100 записей и хранилища для нескольких принятых SMS. Фаза 2+ предполагает увеличение емкости

70

телефонной книги примерно до 250 записей, емкости хранилища SMS и реализацию технологии STK (SIM Application Toolkit).

STK базируется на широком использовании для обмена информацией SMS-каналов и представляет собой специальные программные приложения, записываемые на SIM-карту в виде наборов исполняемых процедур и команд. Под управлением таких программ мобильный терминал способен автоматически выполнять различные последовательности действий. С помощью STK может быть реализован доступ к различным информационным услугам (прогноз погоды, курс обмена валют, новостные сервисы, обстановка на дорогах), управление дополнительными услугами сотовой сети, доступ в Интернет, игры, оплата услуг и т. п. Для использования возможностей технологии необходим терминал, поддерживающий SIM-карты фазы 2+ (практически все терминалы, выпущенные после 1998 года), у которых при установке SIM-карты с STK появляется дополнительный пункт меню (SIM-меню или SIM Service). В ряде случаев абоненту разрешается даже самому менять содержание пунктов SIM-меню путем загрузки новых приложений посредством WАР или перепрограммирования SIM-карты в сервисном центре оператора [34].

В настоящее время развитие STK несколько затормозилось в связи с появлением терминалов с очень богатым оснащением, в основном STK используется для предоставления платных операторских сервисов. Однако наметилась другая очень перспективная тенденция – встраивать в SIM-карту модули флеш-памяти. По некоторым сведениям, к лету 2006 года выпуск таких SIM-карт уже начат и они стали появляться на рынке, причем объем встроенной в них памяти составляет 512 Мб или 1 Гб. В связи с резким ростом мультимедийных возможностей GSM терминалов при ограниченном числе моделей с возможностью использования съемных карт памяти такие SIM-карты с большой долей вероятности будут востребованы рынком. Разрабатываются и другие устройства встраиваемые в SIM-карты. Так компания Telecom Italia (TIM) разработала SIM-карту с радиоинтерфейсом (так называемую Z-SIM), которая способна дистанционно управлять любым устройством, оснащенным таким же радиоинтерфейсом, превращая мобильный терминал в универсальный пульт управления. Кроме того, технология позволяет оплачивать парковку автомобилей, проезд по платным автомагистралям или покупку билетов в кино. В перспективе новинка позволит совершать любые виды платежей, удовлетворяя при этом всем требованиям безопасности к таким системам.

В целом идея применения SIM-карт оказалась очень плодотворной и даже шагнула за рамки стандарта GSM. Карты, подобные SIM-картам стандарта GSM, используются в телефонах мобильной спутниковой связи („Инмарсат мини-М“, „Иридиум“, „Глобалстар“, „Турайя“), иногда называемых в специальной литературе GSM-подобными системами. Разработки аналогичных карт имеются и для стандартов СDMA one (is –

71

95), СDMA-450 (R-UiM-карты), СDMA 2000 1хeV-Do (R-UiM-карты). Идея выделения персональных данных абонента на отдельную сменную карту на сегодня уверенно доказала свою целесообразность и скорее всего универсальные карты в будущем станут неотъемлемой частью устройств связи всех стандартов, начиная с поколения 3G [34].

В настоящее время (по состоянию на лето 2006 года) для Европы производится ряд мобильных терминалов, работающих в двух режимах – GSM и WСDMA (UMTS). Это связано с тем, что пока основные европейские операторы разворачивают свои сети поколения 3G на основе технологии WСDMA островками, как правило в больших городах, где плотность населения позволяет говорить о рентабельности их работы. Основная территория сети в этом случае остается покрытой базовыми станциями, работающими в стандарте GSM. Поскольку для доступа к такой комбинированной сети в мобильный терминал необходимо вставить обычную SIM-карту, как и в любой другой GSM-терминал, на данный момент идею доступа к сетям третьего поколения с помощью терминала со сменной картой фактически можно считать реализованной на практике.

Стандарт GSM на сегодня является самым распространенным в мире. Соответственно, наибольшее число выпускаемых во всем мире терминалов – это GSM-терминалы, они же отличаются наибольшим разнообразием конструкций и количеством функций. Кратко остановимся на классификации терминалов стандарта GSM.