Разработка абонентской сети для фрагмента LTE Центрального района г. Кирова

· Проверка целостности устройства;

· Взаимная аутентификация базовой;

· станции оператора (выдача сертификатов);

· Безопасные обновления;

· Механизм контроля доступа;

· Синхронизация времени;

· Фильтрация трафика.

Даже с предпринятыми мерами безопасности, следует учитывать, атаки на базовые станции. Если атака успешна, то злоумышленник может получить полный контроль, включая доступ ко всем передаваемым данным, как от пользовательского устройства, так и информации передаваемой к другим базовым станциям. Чтобы противодействовать результату такого рода нападений на базовую станцию, злоумышленник не должен быть в состоянии изменять как пользовательские данные, так и управляющие данные контрольного канала, предназначаемый другим базовым станциям.

Модель безопасности (trust model) сети LTE очень похожа на модель, предложенную в рамках сетей UMTS. Её можно грубо описать как сеть, состоящую из надежной опорной сети (core network), а также совокупности интерфейсов между базовыми станциями, пользовательскими устройствами и опорной сетью, которые уязвимы для атак.

Взаимодействие базовых станций и опорной сети основывается на протоколах IPsec и IKE. Сильные криптографические методы обеспечивают защиту типа точка-точка для соединения между опорной сетью и пользовательским устройством.

В архитектуре сети LTE для создания плоской структуры сети было принято решение отказаться от контроллеров радиосети - RNC. Тем не менее, так как в технологии LTE некоторый функционал контроллеров интегрирован в базовые станции, то решения, применимые в рамках сетей третьего поколения, не могут быть прямо переложены на сети LTE. К примеру, базовые станции осуществляют хранение ключа шифрования только на период сеанса связи с мобильным терминалом. То есть, в отличие от сетей третьего поколения, ключ шифрования для закрытия управляющих сообщений не хранится в памяти, если связь с мобильным терминалом не установлена. Кроме того, базовые станции сети LTE могут быть установлены в незащищенной местности для обеспечения покрытия внутренних помещений (например, офисов), что, ожидаемо, приведет к возрастанию риска несанкционированного доступа к ним. Таким образом, основное место в котором пользовательские данные находится под угрозой это непосредственно базовая станция.

В сетях LTE алгоритмы шифрования и обеспечения комплексной безопасности основаны на технологии Snow 3G и стандарте AES. Помимо этих двух алгоритмов, в новых релизах планируется использоваться два дополнительных алгоритма таким образом, что даже если один из алгоритмов будет взломан, оставшиеся должны обеспечить безопасность сети LTE. В настоящее время для проверки целостности данных и шифрования алгоритмы, используемые в LTE, имеют 128-битные ключи. Тем не менее, в спецификациях имеется возможность использовать 256-битные ключи. В качестве алгоритмов шифрования используются следующие:

· 128-EEA1 основанный на алгоритме Snow 3G. В точности повторяет алгоритм UEA2, специфицированный для сетей UMTS,

· 128-EEA2 основанный на алгоритме AES.

Для проверки целостности данных, спецификации предлагают следующие алгоритмы:

· 128-EIA1 основанный на алгоритме Snow 3G. В точности повторяет алгоритм UIA2, специфицированный для сетей UMTS,

· 128-EIA2 основанный на алгоритме AES.

3 

4. Выбор структуры абонентской сети

В данном курсовом проекте разрабатывается абонентская сеть для оператора сотовой связи «Билайн» (ОАО «ВымпелКом»), поэтому, выбирая структуру абонентской сети, необходимо учитывать уже имеющуюся структуру сети данного оператора.

В городе Кирове «Билайн» осуществил переход к сетям третьего поколения (3G), при этом, как и у других операторов «большой тройки», не произошел отказ от более старых технологий, особенно это касается GSM, которая как минимум ещё лет 10 будет основной технологией передачи речи.

Исходя из выше сказанного, можно привести структуру существующей сети на основе стандарта UMTS (рисунок 4.1):

Рисунок 4.1 - Структуру сети на основе стандарта UMTS.

Для выбора новой структуры с внедрением LTE обратимся к опыту других операторов, которые уже внедрении и даже используют в коммерческих целях сети «четвертого» поколения. Здесь передовиком является оператор сотовой связи «Мегафон». На рисунке 4.2 приведена структура сети 4G «Мегафон», интегрированная в 2G и 3G. Далее более подробно представлена структура сети стандарта LTE (рисунок 4.3).

Рисунок 4.2 - Структура абонентской сети оператора «Мегафон».

Рисунок 4.3 - Структура сети стандарта LTE.

Как видно из рисунков 4.2 и 4.3 сеть оператора «Мегафон» содержит не все структурные узлы стандарта LTE. Отчасти поэтому внедренная сеть LTE пусть и отвечает многих требованиям для сетей четвертого поколения, но не может в полной мере таковой называться. Оператор «Билайн» пойдет по тому же пути. Связано это с тем, что полное внедрение 4G требует значительных материальных затрат как со стороны оператора, так и абонента, т.к. на рынке ещё достаточно мало мобильных терминалов, поддерживающих стандарт LTE, и при этом они достаточно дороги [7].

Из рисунка 4.3 видно, что структура сети сильно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные изменения претерпела и подсистема базовых станций, и подсистема коммутации. Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией. Также подверглись изменению и протоколы передачи данных между сетевыми элементами. Вся информация (голос, данные) передается в виде пакетов. Таким образом, уже нет разделения на части обрабатывающие либо только голосовую информацию, либо только пакетные данные. Именно в этом главное обстоятельство, которое не дает строящимся сетям LTE называться сетями четвертого поколения: в них присутствует разделение на голос и данные. Рассматриваемые сети LTE относятся к версии 8 стандарта 3GPP LTE.

Можно выделить следующие основные элементы сети стандарта LTE:

· Serving SAE Gateway или просто Serving Gateway (SGW) - обслуживающий шлюз сети LTE. Предназначен для обработки и маршрутизации пакетных данных поступающих из/в подсистему базовых станций. SGW имеет прямое соединение с сетями второго и третьего поколений того же оператора, что упрощает передачу соединения в /из них по причинам ухудшения зоны покрытия, перегрузок и т.п. В SGW нет функции коммутации каналов для голосовых соединений, т.к. в LTE вся информация, включая голос коммутируется и передается с помощью пакетов.

· Public Data Network SAE Gateway или просто PDN Gateway (PGW) - шлюз к сетям передачи данных других операторов для сети LTE. Основная задача PGW заключается в маршрутизации трафика сети LTE к другим сетям передачи данных, таких как Интернет, а также сетям GSM, UMTS.

· Mobility Management Entity (MME) - узел управления мобильностью сети сотовой связи стандарта LTE. Предназначен для обработки сигнализации, преимущественно связанной с управлением мобильностью абонентов в сети.

· Home Subscriber Server (HSS) - сервер абонентских данных сети сотовой связи стандарта LTE. Представляет собой большую базу данных и предназначен для хранения данных об абонентах. Кроме того, HSS генерирует данные, необходимые для осуществления процедур шифрования, аутентификации и т.п. Сеть LTE может включать один или несколько HSS. Количество HSS зависит от географической структуры сети и числа абонентов.

· Policy and Charging Rules Function (PCRF) - элемент сети сотовой связи стандарта LTE, отвечающий за управление начислением платы за оказанные услуги связи, а также за качество соединений в соответствии с заданными конкретному абоненту характеристиками.

Итак, в качестве структуры будущей абонентской сети выберем структуру, представленную на рисунке 4.2. Абонентская сеть будет построена на основе имеющихся базовых станций и архитектуры транспортной сети.

5. Анализ городского района разработки абонентской сети

В качестве района разработки абонентской сети для фрагмента LTE выбран Центральный район г. Кирова. На рисунке 5.1 представлен план данного района.

Рисунок 5.1 - План территории Центрального района г. Кирова.

Площадь территории: .

Численность населения:

Примерно 25% из них пользуются услугами сотовой связи от «Билайн», т.е. количество абонентов

Определим количество необходимых базовых станций. Для необходимо знать радиус соты БС, который зависит от

· Частоты передачи;

· Мощности передатчика;

· Высоты подвеса антенн;

· Механического и электрического угла наклона антенн;

· Плотности городской застройки и др.

На рисунке 5.2 представлена зависимость площади соты от частоты передачи в условиях городской застройки:

Рисунок 5.2 - Зависимость площади соты от частоты передачи.

Государственным комитетом по радиочастотам оператору сотовой связи «Билайн» были выделены следующие диапазоны частот:

· LTE 700 FDD, Band is unspecified by 3GPP (735--742,5 МГц / 776--783,5 МГц)

· LTE 800 FDD, Band 20 (854,5-862 МГц / 813,5-821 МГц)

· LTE 2600 FDD, Band 7 (2550--2560 МГц / 2670--2680 МГц)

Т.к. в данный момент нет определенности, какой диапазон будет использоваться в городе Кирове, то в качестве примера рассмотрим диапазон 2600 МГц. Радиус соты в этом диапазоне В качестве подстраховки для центрального района г. Кирова примем радиус соты Тогда можно составить план расположения БС на карте района (рисунок 5.3).

Рисунок 5.3 - План расположения БС на карте района.

Таким образом, количество необходимых БС равно 9-ти. Однако такое расположение базовых станций и даже их количество это лишь примерный план, который требует более тщательного анализа и расчета зон покрытия каждой БС. И в первую очередь должно быть учтено наличие уже имеющихся БС.

6. Выбор оборудования

На данный момент основными производителями операторского оборудования LTE являются [7]:

· Ericsson;

· Alcatel-Lucent;

· Nokia Siemens Networks;

· Fujitsu;

· Huawei Technologies;

· Motorola;

· Panasonic;

· Starent;

· ZTE.

Основными критериями по выбору высокотехнологичного оборудования для сети LTE выступают:

1. Цена,

2. Качество,

3. Диапазон рабочих частот,

4. Возможность «бесшовной» интеграции в существующие сети,

5. Необходимая функциональность, определяемая непосредственно бизнес-планом оператора,

6. Отношение заявленных возможностей к действительным,

7. Информационная поддержка,

8. Гарантийные обязательства,

9. Возможность увеличения количества интерфейсов и производительности,

10. Возможность внедрения новых функциональных возможностей,

11. Возможность резервирования и др.

Все эти критерии являются довольно важными, однако всё оборудование является взаимозаменяемым, поэтому на первое место при выборе оборудования часто выходит отношение цена/качество. Стоимость одной базовой станции для сети LTE находится в пределах от 30000$ до 50000$. [5] Если цена у нескольких производителей различается незначительно, то может быть устроен тендер.

Но даже цена может отойти на второй план, если у оператора имеется положительный опыт сотрудничества с каким-либо производителем оборудования.

Оператор сотовой связи «Билайн», руководствуясь критерием цена/качество, а также последним обстоятельством, выбрал в качестве поставщика оборудования решение от Huawei Technologies. Решения других операторов представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Выбор поставщика другими оператороми.

В качестве примера БС от Huawei можно привести модель DBS3900 FDD (рисунок 5.1).

Рисунок 5.1 - Базовая станция стандарта LTE фирмы Huawei.

Данная БС состоит из блока BBU3900 (цена 1000-5000$) и RRU. BBU3900 - блок обработки базовых частот для установки внутри помещений, который обеспечивает централизованное управление эксплуатацией и обслуживанием, а также обработку сигнализации всей системы базовой станции и обеспечивает опорный сигнал синхронизации. Также блок имеет физические интерфейсы для соединения с BSC и RRU3004 (оптическим кабелем). RRU - выносной радиочастотный блок. Обеспечивает обработку сигналов основных частот и радиочастотных сигналов. Один RRU выполняет функцию двух приёмопередатчиков. Гибкие возможности установки DBS3900 упрощают приобретение сайта и обеспечивают быстрое развертывание сети с низкой совокупной стоимостью владения (ССВ). С целью уменьшения затрат BBU3900 можно установить на стене внутри помещения или в стандартный статив. Для снижения потребляемой мощности и затрат на фидеры RRU можно установить на столбе, мачте, бетонной стене или рядом с антенной системой.

Заключение

Цель и задачи, поставленные в курсовом проекте, были выполнены. Проанализированы основные технологии предоставления мобильного ШПД, а именно 3G/ UMTS, HSDPA, HSPA, HSPA, LTE и WiMAX. В результате анализа, было выявлено, что наиболее перспективной является технология LTE, которая имеет возможность интеграции с существующими сотовыми сетями. Наиболее проработанной версией LTE является её 10-ый релиз, поддерживающий VoIP и работу в более широком диапазоне частот. Однако из-за своих ценовых характеристик, она не подходит оператору сотовой связи «Билайн», поэтому в качестве сетей передачи данных следующего поколения оператор выбрал LTE версии 8.

Рассмотрены принципы построения и функционирования сетей LTE, а именно их архитектура, стеки протоколов и каналы, реализованные на различных уровнях, представлены возможные услуги в данных сетях, приведена концепция качества обслуживания, показана физическая структура кадров сети, описаны технологии мультиплексирования, а также поддержка многоантенных систем MIMO.

При выборе структуры абонентской сети учитывалась структура аналогичной сети у других сотовых операторов, а также структура самого стандарта LTE. В результате выбрана аналог абонентской сети оператора «Мегафон».

При выборе производителя оборудования для оператора «Билайн» главными оказались факторы цены и положительный опыт прошлого сотрудничества с компанией Huawei Technologies. В качестве примера недорогой БС от Huawei приведена DBS3900 FDD.

Рассмотрены основные критерии и методы защиты информации в сетях LTE.

Библиографический список

1. Гельгор, А.Л. Технология LTE мобильной передачи данных [Текст]: учеб. пособие / А.Л. Гельгор, Е.А. Попов. -- СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2011.--204 с.

2. Тихвинский, В.О. Сети мобильной связи LTE: технология и архитектура [Текст] / В. О. Тихвинский, С.В. Терентьев, А. Б. Юрчук. - М.: Эко-Трендз, 2010. - 284 с.

3. История развития сотовой связи [Электронный ресурс] - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://www.corporacia.ru/ pages/page/show/237.htm. - Загл. с экрана.

4. 3GPP Long Term Evolution [Электронный ресурс] - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/3GPP_Long_Term _Evolution. - Загл. с экрана.

5. LTE (Long-Term Evolution, 4G) [Электронный ресурс] - Электрон. текстовые дан. - 2013. - Режим доступа: http://www.tadviser.ru /index.php/Статья:LTE. - Загл. с экрана.

6. LTE и WiMAX: борьба стандартов [Электронный ресурс] - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://www.tssonline.ru/ articles2/fix-op/lte-i-wimax-borba-standartov. - Загл. с экрана.

7. LTE: взгляд изнутри [Электронный ресурс] - Электрон. текстовые дан. - Режим доступа: http://habrahabr.ru/post/136317/. - Загл. с экрана.

Размещено на Allbest.ru