Ασύρματα Δίκτυα Υπολογιστών

2.3.3.2 ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΤΟΥ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ (Περιεχόμενα)

Το GSM πρωτόκολλο χρησιμοποιεί τρεις τεχνικές ταυτόχρονα για το διαμοιρασμό των καναλιών: FDMA, SDMA και TDMA. Ξεκινώντας από την γενικότερη και προχωρώντας προς την ειδικότερη τεχνική, έχουμε:

FDMA (Frequency Division Multiple Access - Πολυπλεξία Διαίρεσης Συχνότητας) [1], [2]: Η τεχνική αυτή περιλαμβάνει το διαχωρισμό του συνολικού εύρους ζώνης (στο GSM είναι 25 MHz), σε ένα σύνολο από 124 αμφίδρομα φυσικά κανάλια, όπου το κάθε ένα έχει εύρος ζώνης 200kHz. Όπως και στο AMPS έτσι και στο GSM, το κάθε αμφίδρομο κανάλι αντιπροσωπεύεται από ένα ζεύγος μονόδρομων καναλιών τα οποία λειτουργούν σε διαφορετικές περιοχές συχνοτήτων. H ITU έχει αναθέσει στην Ευρώπη τις περιοχές 890 - 915 MHz για τα κανάλια «ανόδου» (MS προς BTS) και 935 - 960 MHz για τα κανάλια «καθόδου» (BTS προς MS). Στον κάθε σταθμό βάσης πομποδέκτη ανατίθενται ένα ή περισσότερα αμφίδρομα φυσικά κανάλια. Με την τεχνική αυτή μπορούν όλα τα κελιά να μεταδίδουν ταυτόχρονα χρησιμοποιώντας το ίδιο μέσο, χωρίς να παρεμβάλλονται μεταξύ τους.
SDMA (Space Division Multiple Access - Πολυπλεξία Διαίρεσης Χώρου): Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για το διαμοιρασμό των διαθέσιμων συχνοτήτων ανάμεσα σε όλα τα κελιά του δικτύου. Την έχουμε ήδη συναντήσει και πρόκειται για τη γνωστή ιδιότητα του frequency reuse. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, οι διαθέσιμες συχνότητες επαναχρησιμοποιούνται ανά διαδοχικά κελιά (πολυπλέκονται στο χώρο), με βάση το γεγονός της περιορισμένης διάδοσης του σήματος.
TDMA. (Time Division Multiplexing - Πολυπλεξία Διαίρεσης Χρόνου) [1], [2]: Το πρωτόκολλο GSM χρησιμοποιεί όπως είδαμε τις τεχνικές SDMA και FDMA για να κατανείμει τα φυσικά κανάλια στο χώρο και στα κελιά. Παράλληλα με αυτές τις δύο τεχνικές χρησιμοποιείται και η TDMA, σύμφωνα με την οποία το κάθε φυσικό κανάλι διαιρείται στο χρόνο σε 8 χρονικές σχισμές (ή αλλιώς ψευδοκανάλια), οι οποίες αριθμούνται από το 0 έως το 7. Η κάθε χρονική σχισμή ανατίθεται σε έναν χρήστη και το σύνολο των 8 χρονικών σχισμών ονομάζεται Πλαίσιο TDMA (TDMA frame). Ο κάθε κινητός σταθμός επιτρέπεται να μεταδώσει μόνο κατά τη διάρκεια της χρονικής σχισμής του, ενώ πρέπει να παραμείνει ανενεργός κατά τη διάρκεια των υπόλοιπων 7. Οι χρονικές σχισμές επαναλαμβάνονται συνεχώς με τη σειρά από το 0 έως το 7. Κατά συνέπεια, ο κάθε κινητός σταθμός ενεργοποιείται και απενεργοποιείται περιοδικά. Η περιοδική αυτή ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του κάθε σταθμού, ονομάζεται bursting. Το χρονικό διάστημα ενός burst (ή μιας χρονικής σχισμής) είναι 577 μsec, και η χρονική διάρκεια ενός πλαισίου TDMA είναι περίπου 4,615 msec. Το κάθε ψευδοκανάλι μεταφέρει μια ανεξάρτητη ακολουθία από λογικά κανάλια, τα οποία μπορεί να περιέχουν είτε πληροφορίες ελέγχου είτε φωνής (για τα λογικά κανάλια θα μιλήσουμε αναλυτικότερα παρακάτω).

Στα παρακάτω σχήματα δίδεται μια αναπαράσταση των τριών αυτών τεχνικών πολυπλεξίας.

ΤΥΠΟΙ ΠΑΚΕΤΩΝ ΣΤΑ ΨΕΥΔΟΚΑΝΑΛΙΑ

Στο GSM, τα πακέτα που ανταλλάσσονται σε ένα ψευδοκανάλι μπορούν να ανήκουν σε έναν από τους παρακάτω τύπους:

Κανονικό Πλαίσιο - Normal Burst: Αυτός ο τύπος είναι ο συνηθέστερος στο GSM σύστημα. Μεταδίδεται είτε από το MS, είτε από το BTS, στη διάρκεια μιας χρονικής σχισμής. Περιλαμβάνει:

3 Ακραία bits (3 tail bits) στην αρχή και στο τέλος του πλαισίου. Τα bits αυτά είναι πάντοτε 0 και χρησιμοποιούνται για να καλύψουν την περίοδο αβεβαιότητας που υπάρχει κατά τη διάρκεια της αύξησης (στην αρχή) και της μείωσης (στο τέλος) της ισχύος μετάδοσης του πλαισίου (ramping period).
Δύο τμήματα κωδικοποιημένης πληροφορίας των 57 bits. Τα τμήματα αυτά περιέχουν πληροφορίες, όπως φωνή, δεδομένα, κλπ.
Δύο bit σημαίας (stealing flag bits), τα οποία χρησιμοποιούνται για να υποδείξουν στον αποκωδικοποιητή του δέκτη, αν η εισερχόμενη ακολουθία από bits αντιπροσωπεύει πληροφορίες ελέγχου ή χρήστη. Οι πληροφορίες ελέγχου περιέχονται σε μηνύματα που ανταλλάσσουν μεταξύ τους το MS και το BTS για την επίβλεψη του ραδιοκαναλιού. Οι πληροφορίες χρήστη μπορεί να είναι είτε φωνή είτε δεδομένα.
Μία προπαρασκευασμένη ακολουθία των 26 bits (26 bits training sequence). Η ακολουθία αυτή χρησιμοποιείται για την αντιμετώπιση των οποιονδήποτε παραμορφώσεων που μπορεί να προκληθούν στο μεταδιδόμενο σήμα από εξωτερικούς παράγοντες, όπως για παράδειγμα το multipath fading, ή άλλες ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές. Η ακολουθία αυτή είναι μια ακολουθία γνωστή στον δέκτη, ο οποίος συγκρίνει αυτό που λαμβάνει με την ακολουθία που έχει αποθηκευμένη και προσαρμόζει ανάλογα τα χαρακτηριστικά του, έτσι ώστε να αποκαταστήσει όσο το δυνατόν περισσότερο την όποια παραμόρφωση υπέστη το εισερχόμενο σήμα. Ο δέκτης παραμένει ρυθμισμένος με τον ίδιο τρόπο και στο υπόλοιπο πλαίσιο, όπου εκεί βέβαια η εισερχόμενη ακολουθία είναι άγνωστη, έτσι ώστε να «καθαριστεί» το σήμα από τυχόν θορύβους.
Μια περίοδο σκοπιάς (guard period). Η περίοδος σκοπιάς είναι μια χρονική περίοδος των 30,4 μsec στο τέλος του πλαισίου, κατά τη διάρκεια της οποίας δε μεταδίδονται πληροφορίες και χρησιμοποιείται για την αποφυγή της επικάλυψης των μεταδόσεων δύο κινητών σταθμών κατά την περίοδο της αυξομειώσεως της ισχύος μετάδοσής τους (ramping period).

Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται μια normal burst:

Πλαίσιο Τυχαίας Πρόσβασης - Random Access Burst. Ο τύπος αυτός πλαισίου ονομάζεται έτσι, γιατί μεταδίδεται από το MS σε τυχαίες χρονικές στιγμές και μόνο όταν θέλει να αποκτήσει πρόσβαση αρχικά στο δίκτυο. Η περίοδος σκοπιάς είναι μεγαλύτερη στον τύπο αυτό, γιατί λαμβάνεται υπόψη η καθυστέρηση διάδοσης που υπάρχει μεταξύ του MS και του BTS. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται μια random access burst.

Πλαίσιο Διόρθωσης Συχνότητας - Frequency Correction Burst. Ο τύπος αυτός μεταδίδεται από το BTS σε τακτά χρονικά διαστήματα με όλα τα bits 0 (εκτός από τα trailing bits), έτσι ώστε να προκύψει ένα φέρον σε μία συχνότητα. Το MS μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτήν την ακολουθία για να προσδιορίσει τα όρια, τη διάρκεια και την κατάταξη των χρονικών σχισμών καθώς και τη συχνότητα (κανάλι) που χρησιμοποιείται στο συγκεκριμένο κελί για να μεταδίδει πληροφορίες ελέγχου. Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζεται η δομή της frequency correction burst.

Πλαίσιο Συγχρονισμού - Synchronization Burst. Το πλαίσιο είναι ένα από τα πρώτα που περιμένει να λάβει το MS από το BTS, όταν θέλει να αποκτήσει πρόσβαση στο δίκτυο. Οι κωδικοποιημένες πληροφορίες του πλαισίου περιέχουν πληροφορίες σχετικά με το σταθμό βάσης πομποδέκτη και προσδιορίζουν την προκαθορισμένη ακολουθία (training sequence) που χρησιμοποιείται από το συγκεκριμένο BTS. Υπάρχουν στο σύνολο 8 προκαθορισμένες ακολουθίες και το BTS χρειάζεται να προσδιορίσει στο MS ποια απ’ όλες χρησιμοποιεί.

ΕΠΙΠΕΔΑ ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΥ (Signaling Layers) [10]

Στο υποκεφάλαιο 2.3.3.1 μιλήσαμε για την αρχιτεκτονική του συστήματος GSM, όπου αναφερθήκαμε στα τμήματα και στις βάσεις δεδομένων από τις οποίες αποτελείται. Το τμήμα αυτό ασχολείται με τα επίπεδα της διαχείρισης και ελέγχου στο GSM, έτσι ώστε να πάρουμε μια ιδέα για το πως χρησιμοποιούνται οι βάσεις δεδομένων και τον τρόπο με τον οποίο επικοινωνούν τα διάφορα τμήματα του GSM μεταξύ τους. Στο GSM υπάρχουν πολλά επίπεδα διαχείρισης. Ένα από αυτά είναι το επίπεδο της διαχείρισης της επικοινωνίας (Communication Management - CM), το οποίο ασχολείται με την εγκατάσταση και τη διαχείριση των κλήσεων από και προς το MS (π.χ. αποστολή / κωδικοποίηση και λήψη / αποκωδικοποίηση της φωνής, αποστολή SMS, κλπ).

Τα επίπεδα διαχείρισης, αποτελούν τμήματα μιας στοίβας πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται από τις επικοινωνιακές οντότητες (MS, BTS, MSC, κλπ), διαμέσου των συνδετικών τους (interfaces - Um, Abis, A, κλπ), στα οποία προαναφερθήκαμε περιληπτικά. Τα πρωτόκολλα αυτά είναι εγκατεστημένα ως λογισμικό, ή ως υλικολογισμικό, στις συσκευές που χρησιμοποιούν τα αντίστοιχα συνδετικά. Το παρακάτω σχήμα απεικονίζει τη στοίβα πρωτοκόλλων διαχείρισης στο GSM. Το κάθε επίπεδο αποτελείται από το δικό του σύνολο μηνυμάτων τα οποία ανταλλάσσει μέσω του ραδιοκαναλιού στα ψευδοκανάλια (αν πρόκειται για επικοινωνία από το MS προς το BTS), είτε μέσω του καναλιού που προσδιορίζεται από το αντίστοιχο συνδετικό (αν πρόκειται για επικοινωνία μεταξύ δύο άλλων οντοτήτων).

Στο παραπάνω σχήμα βλέπουμε ότι υπάρχουν αρκετά πρωτόκολλα που διαχειρίζονται την επικοινωνία μεταξύ των οντοτήτων του συστήματος GSM. Η περιγραφή όλων αυτών είναι τρομερά ογκώδης και ξεφεύγει από τους σκοπούς του κειμένου αυτού. Εμείς θα αναφερθούμε περιληπτικά στο επίπεδο του Mobility Management (ΜΜ).

Mobility Management Layer

Το επίπεδο αυτό ασχολείται με τα θέματα που προκύπτουν στην επικοινωνία καθώς ένας χρήστης μετακινείται από περιοχή σε περιοχή (Location Management) καθώς επίσης και με την επικύρωση και την ασφάλεια του χρήστη (User Authentication).

Η διαχείριση της τοποθεσίας (Location Management) περιλαμβάνει τη συνεχής ενημέρωση του δικτύου σχετικά με τις τρέχουσες θέσεις όλων των MSs που βρίσκονται σε λειτουργία, έτσι ώστε να είναι δυνατή η δρομολόγηση των εισερχόμενων και εξερχόμενων κλήσεων προς και από αυτά.

Η ενημέρωση του δικτύου σχετικά με την αλλαγή της τοποθεσίας ενός χρήστη ξεκινά από το MS, είτε μόλις αυτό ενεργοποιηθεί σε μια περιοχή, είτε όταν μεταβεί από μια περιοχή σε μια άλλη. Προσέξτε ότι δε μιλάμε για κελιά, αλλά για περιοχές. Αυτό που γίνεται στο GSM είναι ότι τα κελιά του δικτύου ομαδοποιούνται σε περιοχές κελιών (cell areas), έτσι ώστε να εξοικονομείται εύρος ζώνης και να ελαχιστοποιείται ο φόρτος του δικτύου σχετικά με τον αριθμό των μηνυμάτων ειδοποίησης (paging messages) που στέλνει ένα MS καθώς μεταβαίνει σε άλλη περιοχή. Κατά συνέπεια, η διαδικασία ενημέρωσης αλλαγής τοποθεσίας (Location Updating), γίνεται κατά την αλλαγή περιοχών από το MS και όχι κελιών.

Στη γενική της περίπτωση, η διαδικασία του Location Updating, κάνει χρήση ενός από τα κέντρα και δύο βάσεων δεδομένων: το MSC και τις βάσεις HLR και VLR. Μόλις ένα MS ενεργοποιηθεί σε μια περιοχή ή μεταβεί σε μια καινούργια, αυτόματα αποστέλλει ένα μήνυμα ενημέρωσης (update message) στο MSC/VLR που ελέγχει την περιοχή εκείνη. Το MSC στη συνέχεια καταγράφει τις πληροφορίες της νέας τοποθεσίας και τις αποστέλλει στη βάση HLR του δικτύου, συνήθως με τη μορφή της διεύθυνσης του συγκεκριμένου VLR (τα VLRs στο GSM έχουν δικό τους σύστημα διευθυνσιοδότησης). Αν ο συνδρομητής έχει το δικαίωμα της παροχής υπηρεσιών, τότε η βάση HLR αποστέλλει πίσω στο νέο MSC/VLR, ένα επιλεγμένο υποσύνολο πληροφοριών σχετικών με το χρήστη, απαραίτητων για τη διαχείριση των κλήσεων και στέλνει ένα μήνυμα ακύρωσης της εγγραφής στο παλαιό MSC/VLR. Η διαδικασία αυτή απεικονίζεται στο παρακάτω σχήμα.

Το επίπεδο αυτό ασχολείται και με την επικύρωση του χρήστη (user authentication). Για να μπορεί ένας χρήστης να χρησιμοποιήσει με τη συσκευή του το δίκτυο, θα πρέπει πρώτα να αποδείξει ότι είναι αυτός που ισχυρίζεται ότι είναι. Αυτό ονομάζεται επικύρωση και για την εκτέλεσή της χρησιμοποιούνται το MS και το κέντρο επικύρωσης (Authentication Center - AuC). Στην κάρτα SIM του κάθε συνδρομητή περιέχεται ένας μυστικός αριθμός (όχι το PIN) και ένας αλγόριθμος κρυπτογράφησης, αντίγραφα των οποίων βρίσκονται αποθηκευμένα και στο AuC. Κατά την επικύρωση, το AuC αποστέλλει στο MS έναν τυχαίο αριθμό. Στη συνέχεια και το MS και το AuC χρησιμοποιούν αυτόν τον τυχαίο αριθμό σε συνδυασμό με τον μυστικό αριθμό και με τον αλγόριθμο κρυπτογράφησης για να παράγουν έναν αριθμό, ή αλλιώς, μια υπογεγραμμένη απάντηση (Signed Response - SRES), η οποία αποστέλλεται από το MS πίσω στο AuC. Εάν η SRES που στάλθηκε από το κινητό είναι ίδια με την SRES που υπολογίστηκε από το AuC, τότε η επικύρωση του χρήστη στο δίκτυο είναι επιτυχής.

Ένα άλλο επίπεδο ασφάλειας που εκτελείται από το MM, αφορά τον ίδιο τον εξοπλισμό της κινητής συσκευής. Όπως είπαμε, το κάθε MS χαρακτηρίζεται από ένα μοναδικό σειριακό αριθμό, ο οποίος ονομάζεται IMEI. Όλοι αυτοί οι αριθμοί αποθηκεύονται στη βάση EIR (Equipment Identity Register). Η EIR σε μια ερώτηση σχετικά με την κατάσταση του MS με το συγκεκριμένο IMEI μπορεί να επιστρέψει μια από τις ακόλουθες απαντήσεις:

White-Listed: που σημαίνει ότι το MS είναι ελεύθερο να χρησιμοποιήσει το δίκτυο

Gray-Listed: που σημαίνει ότι το MS μπορεί να χρησιμοποιήσει το δίκτυο, αλλά βρίσκεται υπό επιτήρηση.

Black-Listed: που σημαίνει ότι το συγκεκριμένο κινητό είτε έχει αναφερθεί ως κλεμμένο, είτε δεν πληροί τις απαραίτητες προϋποθέσεις (π.χ. έχει πολύ μεγάλο επίπεδο ισχύος), οπότε και του απαγορεύεται η σύνδεση με το δίκτυο.