Опубликован: 03.05.2012 | Доступ: свободный | Студентов: 2645 / 447 | Оценка: 4.39 / 4.14 | Длительность: 19:41:00
Лекция 7:

Многостанционный доступ с кодовым разделением и сети CDMA

Некоторые примеры работы сети CDMA

Работа сети CDMA по порядку выполнения этапов и сигналам похожа на другие сети подвижной связи и в частности, рассмотренную ранее сеть GSM. Однако она имеет свои особенности, связанные с кодированием сигналов, шифрованием. Наиболее заметными отличиями являются – возможность проведения "мягкого хэндовера" и принципы управления мощностью, которые будут рассмотрены далее.

Регистрация в сети

После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Вероятно, что MS обнаружит несколько сигналов разных базовых станций, которые можно различить по временному сдвигу псевдопоследовательности. Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и, таким образом, получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации. Этому сигналу поставлен в соответствие 32-й код Уолша (W32). В нем передается информация о будущем содержании 42-разрядного регистра сдвига, используемого для формирования длинного кода. Эта информация посылается с опережением относительно информационного канала на 320 мс. Поэтому подвижная станция имеет достаточно времени для декодирования сообщения и загрузки информации в регистр. Таким образом, достигается синхронизация с сетевым временем. После этого подвижная станция начинает мониторинг одного из каналов вызова. Есл и абонент пытается войти в сеть, то его станция будет пытаться осуществить соединение с базовой по одному из каналов доступа. В этом случае для формирования длинного кода используется двоичная маска, параметры которой индивидуальны для каждой базовой станции сети. Если одновременно несколько пользователей пытаются осуществить соединение, то возникает конфликт. Если базовая станция не подтверждает попытку соединения по каналу вызова, то абонентская выжидает произвольное время и делает следующую попытку.

Обмен сигналами между мобильной и базовой приемопередающей станциями.

Порядок обмена при соединении от MS (исходящее сообщение) и к MS (входящее сообщение) показан на рис.7.13 [ 13 ] , [ 49 ] .

Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединения CDMA

Рис. 7.13. Порядок обмена сигналами для входящего и исходящего соединения CDMA

Ниже даются некоторые комментарии к рисункам.

  1. Базовая станция передает мобильной станции вызов (запрос на соединение).
  2. Мобильная станция передает ответ на запрос (сигнал "запрос назначения"), сообщая свой международный идентификационный номер (MIN- Mobile Identification, IMSI), электронный номер оборудования (ESN Electronic Serial Number).
  3. Базовая станция принимает "запрос назначения" выбирает и назначает канал трафика, выбирая длинный код общий для всех каналов данной базовой станции. После чего посылает сообщение о назначении прямого канала.
  4. Мобильная станция выполняет процедуру назначения конкретного канала и высылает базовой станции преамбулу, которая содержит наряду со стандартными данными (код отправителя, код назначения) еще данные для настройки на конкретно выбранный канал, для того чтобы базовая станция могла настроиться и выбрать канал обратного трафика.
  5. Базовая станция выбирает канал обратного трафика и передает для MS по прямому каналу запрос на аутентификацию.
  6. Мобильная станция проводит процедуру аутентификации абонента (рассматривается здесь далее) и передает ответ на аутентификацию.
  7. Базовая станция передает на исходную станцию сигнал о включение зуммера посылки вызова и передает мобильной станции сигнал готовности к обмену, содержащий информацию о номер вызывающего абонента (CIN - Calling Identification Number).
  8. Мобильная станция передает сигнал на посылку вызов входящему абоненту и выводит на табло информацию CIN. Далее мобильная станция ждет сигнала ответа абонента. После получения этого сигнала, он передает сигнал на снятие сигнала посылка вызова. И передает сигнал на базовую станцию сигнал подтверждения готовности к обмену (окончание соединения)
  9. Базовая станция включает приборы разговорного тракта в положение "обмен" и передает подтверждение соединения на базовую станцию.
  10. Далее проходит обмен речевой информацией или данными.
Порядок обмена сигналами от BTS к MS
  1. Мобильная станция при поступлении вызова абонента передает сигнал запроса о назначении канала. Это сигнал, как и в предыдущем случае (п.2) , содержит идентификационный номер (MIN- Mobile Identification, IMSI), электронный номер оборудования (ESN - Electronic Serial Number).
  2. После принятия этого сигнала соединение обмен сигналами повторяет предыдущий алгоритм.

Аутентификация и шифрование

Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. Принцип выполнения этих процедур показан на рис.7.14 (для мобильной станции). В CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVECellular Authentication Voice Encryption) [ 40 ] , [ 92 ] , для генерации ключа на 128 битов называемый " общие секретные данные" (SSD - Shared Secret Date). Эти данные генерируются на основе A- ключа, который хранится в мобильной станции и полученного от сети псевдослучайного числа. Алгоритм CAVE генерирует общие секретные данные (SSD). Они разделяются на две части: SSD-A (64 бита), для того, чтобы создавать цифровую подпись (authentication signature) и SSD-B (64 бита), для генерации ключей, для шифрования речи и передавая сигнал сообщения. SSD может быть использован при роуминге поставщиками услуг, для местной аутентификации. Н овые общие секретные данные (SSD) могут быть сгенерированы, когда мобильная станция перемещается к чужой сети или возвращается к домашней сети.

Цифровая подпись генерируется длиной 18 бит и посылается базовой станции, чтобы проверить принадлежность абонента к данной системе, установить его права и полномочия. При этом используется один из двух алгоритмов:

  • глобальное квитирование (Global Challenge), когда всем мобильным станциям передается в данный момент одно и то же псевдослучайное число;
  • уникальное квитирование (Unique Challenge) , когда псевдослучайное число назначается при каждом запросе соединения.

Мобильная станция и сеть ведут учет истории вызовов. Это обеспечивает возможность обнаружить незаконное производство мобильных телефонов или SIM –карт.

A-ключ может быть перепрограммируем, для этого должны быть изменены данные на мобильной станции и сетевом центре аутентификации

A-ключи могут быть перепрограммированы одним из следующего:

  • на фирме - производителе;
  • на месте продажи
  • абонентом по телефону
  • с помощью процедуры перепрограммирования по эфиру с использованием сервиса беспроводных услуг –OTASP (over the air reprogramming), путем передачи информации по радиоканалу в зашифрованном виде.

Замена A-ключа на мобильной станции через OTASP, обеспечивает простой способ быстро отключать обслуживание нелегальному пользователю мобильной станицей или инициировать ввод новых услуг легальному абоненту.

Мобильные станции используют общие секретные данные типа B (SSD-B) и алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVE), чтобы генерировать маску частного длинного кода (Private Long Code Mask). Эта маска позволяет создать режим частного характера связи

Он содержит Сотовый ключ алгоритма шифрования сообщения -64 бита (CMEA - Cellular Message Encryption Algorithm), и ключ данных -32 бита (Data Key). Маска частного длинного кода используется и в мобильной станции и сеть, для изменения характеристик длинного кода. Измененный длинный код используется для скремблирования речи, которое добавляет дополнительный уровень секретности по радио интерфейсу CDMA. Маска частного длинного кода не используется для шифрования информации. Она просто заменяет известное значение, используемое при кодировании CDMA сигнала частным значением, известным только в мобильной станции и сети. Поэтому при таком кодировании чрезвычайно трудно подслушивать сеансы связи, не зная маску частного длинного кода.

Принцип аутентификации и шифрования информации в системе CDMA  на мобильной станции

увеличить изображение
Рис. 7.14. Принцип аутентификации и шифрования информации в системе CDMA на мобильной станции

Дополнительно, мобильная станция и сеть используют ключ CMEA вместе с усовершенствованным алгоритмом CMEA (ECMEA Enhanced CMEA) для того, чтобы зашифровать сообщения передачи служебных сигналов, передаваемых по радиоканалу. Отдельный ключ данных, и алгоритм шифрования используются мобильной станцией и сетью, чтобы зашифровать и расшифровывать данные на каналах CDMA.

Краткие итоги к лекции 7

  • Многостанционный доступ с кодовым разделением (CDMA - Code Division Multiple Access), технология, отличающаяся, тем, что использует для разделения каналов псевдослучайную последовательность. Передача единого объединенного потока осуществляется в одной полосе частот, с помощью одного из видов фазовой манипуляции. Поэтому системы, основанные на CDMA, не требуют разделения полосы частот на отдельные каналы
  • При кодовом разделении полоса частот, используемая в радиоканале гораздо шире, чем полоса исходного сигнала. Этот процесс получил название расширение спектра (Spreading Specter).
  • Есть два способа разделить пользователей при множественном доступе с кодовым разделением каналов (CDMA): ортогональный многостанционный доступ, ? не ортогональный многостанционный доступ или Асинхронный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA)
  • Для первого типа разделения применяются ортогональные функции Уолша и функции, получаемые на их базе. Это набор ортогональных последовательностей длиной 2^n, в которых используются только два значения +1 и –1. Функции являются цифровыми "аналогами" синусоид при кодировании обычно символ +1 заменяется 0, а –1 на 1.
  • Для объединения нескольких каналов при кодовом разделении каналов необходимо, чтобы псевдослучайные коды были, разделимы с помощью корреляционного фильтра.
  • Различаются взаимная корреляция - сравнение двух функций, ортогональная корреляция - при полной независимости двух функций и автокорреляция - сравнение функции с собой при сдвиге во времени.
  • Ортогональные функции Уолша могут быть сгенерированы, с использованием итерационного процесса построения матрицы Адамара.
  • Не ортогональные (асинхронные) псевдослучайные функции могут быть сгенерированы, используя сдвиговые регистры, сумматоры (сложение по модулю 2) и контуры обратной связи.
  • Последовательности для каждого из каналов получаются путем умножения всех разрядов расширяющей последовательности на значение информационного бита
  • Для восстановления исходного сигнала каждый разряд суммарного сигнала умножается на соответствующий разряд расширяющей последовательности данного канала. После чего полученные результаты суммируются в пределах одного периода последовательности. Каждый интегральный сигнал имеет максимальное значение равное. В зависимости от этого вычисляется значение исходного символа.
  • Основные элементы этой сети (BTS, BSC, MSC, ОМС) по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов
  • В состав сети CDMA IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU – Selector Unit). Кроме того, для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными контроллерами (BSC), вводятся линии передачи между SU и BSC (Inter BSC Soft handover).
  • В CDMA каналы для передачи информации в направлении от мобильной к базовой станции называются прямыми (Forward), для приема базовой станцией от мобильной - обратными (Reverse). Для обратного канала IS-95 определяет полосу частот от 824 до849 МГц. Для прямого канала — 869–894 МГц. Прямой и обратный каналы разделены интервалом в 45 МГц. Пользовательские данные упакованы и передаются в канале с пропускной способностью 1,2288 Мбит/с.
  • В состав прямых каналов входят: (PICH) пилотный канал, канал синхронизации, канал (SCH), широковещательного вызова, (PCH), прямой канал трафика (FTCH). В состав обратных каналов входят: канал доступа (ACH), канал обратного трафика (RTCH).
  • Для передачи речи по каналам системы CDMA используются вокодеры с линейным предсказанием и кодовым возбуждением (CELP –Code Excited Linear Prediction).
  • Базовая скорость передачи данных в канале составляет 9,6 Кбит/с, в прямом канале используется (convolution encoding) сверточное кодирование длина кодового ограничения K=9, скорость кодирования r=1/2 (обратном канале применяется сверточное кодирование со скоростью 1/3).
  • Процесс перемежения бит осуществляется в пределах каждого блока длительностью 20 мс, содержащего при скорости передачи 19,2 кбит/c 384 бита с помощью матрицы.
  • Для шифрования - на информацию накладывается маска (псевдопоследовательность) длиной 42 бита.
  • После включения MS настраивается на рабочую частоту сети и ищет сигнал базовой станции (в сети используется общий для всех базовых и подвижных станций короткий код). Подвижная станция выбирает сигнал с большим уровнем и, таким образом, получает когерентную опору для осуществления последующей демодуляции сигнала синхронизации.
  • Безопасность связи обеспечивается также применением процедур аутентификации и шифрования сообщений. В CDMA используется стандартный алгоритм аутентификации и шифрования речи в сотовой связи (CAVECellular Authentication Voice Encryption)

Всеволод Машинсон
Всеволод Машинсон
Россия
Владимир Савинов
Владимир Савинов
Украина, Киев, Киевский Политехнический Институт, 1996