Технология удаленного доступа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

При выполнении дипломного проекта необходимо разработать лабораторный стенд и комплекс лабораторных работ для изучения технологии удаленного доступа в автоматизированных системах управления технологическими процессами. Лабораторные работы должны позволять студентам всех форм обучения, обладающими навыками работы в интегрированной SCADA-системе Trace Mode:

изучить технологию удаленного доступа в системах автоматизированных управления технологическими процессами;

овладеть навыками дистанционного управления технологическим оборудованием в системах автоматизированного управления технологических процессов;

понять принцип создания и организации SMS-отчетов о состоянии технологического оборудования или системы автоматизированного управления.

А так же в рамках дипломного проекта необходимо рассчитать стоимость внедрения комплекса лабораторных работ в учебный процесс и рассмотреть безопасность объекта при аудитории Б-407б, в которой будут выполняться лабораторные работы.

Глава 1. Технология удаленного доступа в Автоматизированных

Системах Управления

1.1 Характеристика технологии удаленного доступа

Удаленный доступ -- очень широкое понятие, которое включает в себя различные типы и варианты взаимодействия технологического оборудования, компьютеров, сетей и приложений. Существует огромное количество схем взаимодействия, которые можно назвать удаленным доступом, но их объединяет использование глобальных каналов или глобальных сетей при взаимодействии. Кроме того, для удаленного доступа, как правило, характерна несимметричность взаимодействия, то есть с одной стороны имеется центральная крупная сеть или центральный компьютер, а с другой - отдельный удаленный терминал, компьютер или небольшая сеть, которые должны получить доступ к информационным ресурсам центральной сети. Для современных средств удаленного доступа очень важны хорошая масштабируемость и поддержка большого количества удаленных клиентов.

Требования к удаленной службе доступа:

оперативность и простота обращения к данным и к сетевым ресурсам;

обеспечение единой мультимедийной инфраструктуры для общего доступа к данным, их публикации и хранения;

быстрый и простой способ поиска данных любого формата и в любом месте сети;

быстрота доступа к данным и достоверность информации.

Удаленный доступ - технология взаимодействия абонентских систем с локальными сетями через территориальные коммуникационные сети. При реализации технологии удаленного доступа в автоматизированных системах управления технологическими процессами используется понятие систем телемеханики.

В автоматизированных системах управления пространственно-распределенных промышленных объектов информационная технология удаленного доступа может быть реализована в различных местах, например:

связь между автоматизированным рабочим местом оператора (диспетчером) и контролерами (вычислительными комплексами), схема приведена в прил.1;

связь между ремонтными службами и операторами;

связь между датчиками (исполнительными механизмами) расположенными на технологическом объекте и диспетчерскими пунктами.

1.2 Система телемеханики

Термин "телемеханика" был предложен в 1905 году французским учёным Э. Бранли. Первоначально с понятием телемеханики связывали представление об управлении по радио подвижными военными объектами. Известны случаи применения боевой техники, оснащенной устройствами управления на расстоянии, в 1-й мировой войне. Сейчас телемеханика отрасль техники и техническая наука о контроле и управлении на расстоянии посредством преобразования контролируемых параметров и управляяющих воздействий в сигналы, передаваемые по линиям связи. Телемеханика изучает проблемы, связанные с управлением технологическими процессами пространственно - распределенных промышленных объектов.

Современная система управления технологическим процессом является человеко-машинную системой. Она представляет собой совокупность методов и средств, обеспечивающих наиболее эффективное выполнение функций управления на основе использования методов и средств вычислительной техники. Основным звеном АСУ ТП, несущим информационные и управленческие функции является система телемеханики. Контроль и управление осуществляется из центра управления, который может находиться на значительном расстоянии от объекта. Именно поэтому термин "телемеханика" включает в себя слово "теле". Понятие "механика" однозначно предполагает механическое перемещение предметов.

На ранних стадиях развития телемеханика действительно была связана исключительно с механическим воздействием на объекты контроля (включение-выключение на расстоянии различных электромеханических реле, контакторов и т.п.). Однако с развитием электронной техники и особенно с внедрением в контур управления ЭВМ термин "телемеханика" в своем первоначальном смысле стал достаточно условным.

В мировой литературе в настоящее время широко используется обобщающий термин TELECONTROL, который удачно объединяет понятия "управление" на расстоянии и "контроль" независимо от характера воздействия на объект (механического, электрического или другого). Поэтому в отечественной литературе часто встречается словосочетание "телеконтроль и телеуправление", либо применяется традиционный термин "телемеханика", если иметь в виду его условность в упомянутом выше смысле.

Термин "телемеханика", если под ним понимать телеконтроль (информационная часть АСУ ТП) и управление, включает в себя более частные понятия, связанные с функциями телемеханических систем: телеметрия (измерение и передача данных о значениях непрерывных и сигнальных параметров о состоянии управляемого процесса) телеуправление (телерегулирование) течением технологического процесса.

Рассматривая широкий спектр разнотипных технологических установок и комплексов можно выделить некий обобщенный промышленный объект, который в дальнейшем и целесообразно рассмотреть в качестве объекта телемеханики. В качестве основных характеристик такого промышленного объекта можно определить следующие:

сложность апппаратурно-технологической схемы, многостадийность и разветвленность технологического процесса,

использование токсичных и других опасных реагентов,

необходимость постоянного мониторинга состояния сырьевых запасов, отходов и сбросов, а также окружающей среды,

требования постоянной оценки предаварийной обстановки на всем промышленном объекте,

пространственно разнесенное оборудование,

круглосуточный режим работы.

В качестве примеров подобных промышленных объектов можно указать химические комплексные производства, комплексы по переработке отходов, производству удобрений, установки для производства ароматических веществ, металлургические комплексы, производство бумаги и т.п.

Изложенные основные характеристики промышленных объектов определяют и современный подход к определению комплекса технических требований к системам телемеханики таких промышленных объектов. Функционируя совместно с промышленными объектами, системам телемеханики должна обеспечить выполнение всех своих функций с учетом сложности и специфики промышленных объектов, причем с достаточной полнотой, надежностью и воспроизводимостью.

Системам телемеханики для промышленных объектов представляет собой автоматизированную систему телеметрии (сбора, обработки, представления, архивирования информации и т.п.), совмещенную с системой управления процессом обогащения и режимами работы отдельных технологических блоков. Уровень управления и согласования обеих указанных функций системам телемеханики определяется разработчиками промышленного объекта: разработчиками технологического процесса и аппаратурно-технологической схемы его реализации. При этом сохраняется основная концепция построения информационно-аналитической системы, системы управления их объединения в единый комплекс анализа и управления технологическим процессом любой производительности. Составным элементом систем телемеханики, является система телеметрии.

В буквальном смысле «телеметрия» означает измерение на расстоянии. Содержание современной телеметрии составляет широкий круг проблем, связанных с получением, преобразованием, передачей и обработкой измерительной информации, используемой при управлении удаленными объектами, определении их состояния или при изучении физических процессов в местах, где непосредственное присутствие наблюдателя затруднено или невозможно. Телеметрия - это область науки и техники, занимающаяся вопросами разработки и эксплуатации комплекса автоматизированных средств, обеспечивающих получение, преобразование, передачу по каналу связи, прием, обработку и регистрацию измерительной информации и информации о событиях с целью контроля на расстоянии состояния и функционирования технических и биологических систем различных объектов и изучения явлений природы. Характерной чертой современных средств телеметрии, используемых при испытании и целевом применении объектов телеконтроля, является высокий уровень автоматизации всех процессов получения, передачи и обработки измерительной информации. Устройства автоматического преобразования, кодирования и обработки телеметрической информации, построенные с широким применением микропроцессоров, специализированных и универсальных цифровых вычислительных машин, гарантируют высокую точность и оперативность получения данных телеизмерений при числе параметров, измеряемых на одном объекте, доходящем до нескольких тысяч.

Средства телеметрии являются мощным инструментом познания мира. Контроль самых разнообразных явлений, процессов и объектов, определение условий их функционирования, испытания новых образцов техники и вооружения стали возможны на основе использования средств телеметрии.

Система телемеханики в составе оборудования обобщенного промышленного объекта как правило должна решать следующие основные задачи:

производить сбор и обработку параметров, характеризующих состояние отдельных блоков и узлов основного и вспомогательного оборудования, обеспечивающего функционирование групп базового оборудования;

обеспечивать своевременную сигнализацию для предупреждения о возникновении предварийных и аварийных ситуаций и локализовать место возникновения нарушения режима;

архивировать обработанные результаты телеметрии в течение заданного периода времени и представлять их по мере необходимости в принятом формате отображения;

обеспечивать формирование управляющих сигналов для изменения режимов работы отдельного оборудования и текущих значений параметров в соответствии с алгоритмом функционирования оборудования и при возникновении нештатных ситуаций.

Значимые геометрические размеры промышленного объекта и особенно многометровая высота отдельных систем определяют многоуровневую и пространственно-распределенную структуру построения системы телеметрии. При этом структура системы должна отвечать требованиям современных систем сбора данных и оперативного диспетчерского управления, представляющих собой программно-аппаратные комплексы на базе вычислительной и микропроцессорной техники (Supervisory Control and Data Acquisition System - SCADA-система). При этом все элементы SCADA-системы должны отвечать требованиям международного ОРС-стандарта, обеспечивающего совместное функционирование программных и аппаратных средств в составе SCADA-системы, независимо от фирм-поставщиков элементов. Весьма существенным следует признать в этом отношении и влияние «человеческого фактора»: как с точки зрения трудностей прямого оперативного обслуживания пространственно разнесенного (например высотного) оборудования, так и с точки зрения визуального контроля большого количества (сотни и тысячи) датчиков, обработки и осмысливания поступающей информации и принятия конкретных решений о конкретных управляющих действиях. Исходя из требований, предъявляемых к структуре телемеханики, ее элементная база должна удовлетворять следующим основным требованиям:

обеспечивать создание пространственно-распределенной системы сбора данных;

обеспечивать магистрально-модульный принцип построения системы, облегчающей ее адаптацию и модификацию в случае необходимости коррекции структуры системы;

отвечать требованиям ОРС-стандарта;

обеспечивать высокую надежность и оптимальность по критерию «эффективность-стоимость»;

обеспечивать функционирование в заданном диапазоне измеряемых и контролируемых параметров;

обеспечивать функционирование в диапазоне заданных внешних условий эксплуатации, в т.ч. в режиме внештатных ситуаций;

обладать достаточной помехозащищенностью, исключающее получение ложной информации, и исключению помех, влияющих на работу других частей объекта и на качество питающей электрической сети.

В системах информационно-технического обеспечения систем телемеханики передача данных осуществляется по направлениям и сетям связи. К каналам передачи телеметрической информации предъявляются следующие требования:

возможность осуществления многоканальной передачи большого числа различных параметров с высокой точностью;

обеспечение высокой пропускной способности и достоверности передачи данных;

удобство сопряжения линий связи между собой, с аппаратурой автоматической коммутации и аппаратурой обработки данных;

возможность использования существующих сетей связи для трансляции данных телеизмерений;

обеспечение высоких эксплуатационных и экономических, в т.ч. удельных, показателей.

Следовательно, вопросы рационального построения каналов передачи и трансляции телеметрической информации требуют единого системного подхода. Это позволяет не только исключить ряд ненужных преобразований сигналов в отдельных звеньях общей транзитной цепи, которые наблюдались в ранних телеметрических системах, но и обоснованно определить требования к каждому из них. В этой связи существенно отметить внедрение в сетях связи цифровых многоканальных систем с временным разделением сигналов и передачей всех видов информации (от телефонных сообщений до программ цветного телевидения) в единой цифровой форме. Их использование обеспечивает:

повышение показателей существующих линий связи для обеспечения многоканальной дискретной передачи информации с высокой достоверностью;

создание цифровых интегральных сетей связи, в которых передача и коммутация сигналов осуществляется в единой цифровой форме;

уплотнение низкочастотных проводных каналов, имеющих сравнительно низкое сопротивление изоляции, а также перспективных световолоконных линий;

широкое использование достижений микроэлектроники.

Передача данных в системах телеконтроля чаще всего осуществляется цифровыми методами. При организации автоматизированной системы управления проектировщик может пойти двумя путями организовать физический или беспроводной канал связи. К беспроводным каналам связи относится применение радио, блютуз, вайфай и т.п. Сейчас, наибольшее распространение при организации беспроводного канала связи получило использование цифровых стандартов сотовой связи [1].

1.3 Характеристика сотовой связи

Сотовая связь -- один из видов мобильной радиосвязи, в основе которого лежит сотовая сеть. Ключевая особенность заключается в том, что общая зона покрытия делится на ячейки (соты), определяющиеся зонами покрытия отдельных базовых станций (БС). Соты частично перекрываются и вместе образуют сеть. На идеальной (ровной и без застройки) поверхности зона покрытия одной БС представляет собой круг, поэтому составленная из них сеть имеет вид сот с шестиугольными ячейками (сотами). Сеть составляют разнесённые в пространстве приёмопередатчики, работающие в одном и том же частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование, позволяющее определять текущее местоположение подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи при перемещении абонента из зоны действия одного приёмопередатчика в зону действия другого.

Первое использование подвижной телефонной радиосвязи в США относится к 1921 г.: полиция Детройта использовала одностороннюю диспетчерскую связь в диапазоне 2 МГц для передачи информации от центрального передатчика к приёмникам, установленным на автомашинах. В 1933 г. полиция Нью-Йорка начала использовать систему двусторонней подвижной телефонной радиосвязи также в диапазоне 2 МГц. В 1934 г. Федеральная комиссия связи США выделила для телефонной радиосвязи 4 канала в диапазоне 30…40 МГц, и в 1940 г. телефонной радиосвязью пользовались уже около 10 тысяч полицейских автомашин. Во всех этих системах использовалась амплитудная модуляция. Частотная модуляция начала применяться с 1940 г. и к 1946 г. полностью вытеснила амплитудную. Первый общественный подвижный радиотелефон появился в 1946 г. (Сент-Луис, США; фирма Bell Telephone Laboratories), в нём использовался диапазон 150 МГц. В 1955 г. начала работать 11-канальная система в диапазоне 150 МГц, а в 1956 г. -- 12-канальная система в диапазоне 450 МГц. Обе эти системы были симплексными (двусторонними), и в них использовалась ручная коммутация. Автоматические дуплексные системы начали работать соответственно в 1964 г. (150 МГц) и в 1969 г. (450 МГц).

В СССР В 1957 г. московский инженер Л.И. Куприянович создал опытный образец носимого автоматического дуплексного мобильного радиотелефона ЛК-1 и базовую станцию к нему. Мобильный радиотелефон весил около трех килограммов и имел радиус действия 20-30 км. В 1958 году Куприянович создает усовершенствованные модели аппарата весом 0,5 кг и размером с папиросную коробку. В 60-х гг Христо Бочваров в Болгарии демонстрирует свой опытный образец карманного мобильного радиотелефона. На выставке «Интероргтехника-66» Болгария представляет комплект для организации местной мобильной связи из карманных мобильных телефонов РАТ-0,5 и АТРТ-0,5 и базовой станции РАТЦ-10, обеспечивающей подключение 10 абонентов. В конце 50-х гг. в СССР начинается разработка системы автомобильного радиотелефона «Алтай», введенная в опытную эксплуатацию в 1963 г. Система «Алтай» первоначально работала на частоте 150 МГц. В 1970 г. система «Алтай» работала в 30 городах СССР и для нее был выделен диапазон 330 МГц. Аналогичным образом, с естественными отличиями и в меньших масштабах, развивалась ситуация и в других странах. Так, в Норвегии общественная телефонная радиосвязь использовалась в качестве морской мобильной связи с 1931 г.; в 1955 г. в стране было 27 береговых радиостанций. В 1974 г. Федеральная комиссия связи США приняла решение о выделении для сотовой связи полосы частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц; в 1986 г. к ней было добавлено ещё 10 МГц в том же диапазоне. В 1978 г. в Чикаго начались испытания первой опытной системы сотовой связи на 2 тыс. абонентов. Поэтому 1978 год можно считать годом начала практического применения сотовой связи. Первая автоматическая коммерческая система сотовой связи была введена в эксплуатацию также в Чикаго в октябре 1983 г. компанией American Telephone and Telegraph (AT&T). В Канаде сотовая связь используется с 1978 г., в Японии -- с 1979 г., в Скандинавских странах (Дания, Норвегия, Швеция, Финляндия) -- с 1981 г., в Испании и Англии -- с 1982 г. По состоянию на июль 1997 г. сотовая связь работает более чем в 140 странах всех континентов, обслуживая более 150 млн абонентов. Первой коммерчески успешной сотовой сетью была финская сеть Autoradiopuhelin (ARP). Это название переводится на русский как «Автомобильный радиотелефон». Запущенная в 1971 г., она достигла 100%-ного покрытия территории Финляндии в 1978. Размер соты был равен около 30 км, в 1986 г. в ней было более 30 тыс. абонентов. Работала она на частоте 150 МГц.

Существует несколько стандартов сотовой связи, отличающих по место использования или принципу действия, такие как стандарт AMPS/NAMPS, стандарт DAMPS, стандарт NMT-450i, стандарт CDMA, стандарт GSM и т.д.

1.3.1 Стандарт сотовой связи NMT-450i

NMT-450 (Nordic Mobile Teleрhone), диапазон частот 453 - 468 МГц. Аналоговый стандарт, разработан в Скандинавии. В стандарте NMT-450 создана первая федеральная сеть сотовой связи "СОТЕЛ". Сети NMT-450 охватывают территории практически всех крупных городов и областей России. Достоинства NMT-450 - значительно большая по сравнению с другими стандартами площадь обслуживания одной базовой станции при гораздо меньших затратах; малое затухание сигнала на открытом пространстве. Для сетей NMT-450 характерна большая дальность - возможность пользоваться связью на расстоянии в несколько десятков километров от базовой станции (до 100 км). Сигнал фиксируется даже за пределами гарантированной зоны покрытия, если абонент может подключить высокоэффективные направленные антенны и усилители. Более естественное, чем при использовании цифровых стандартов, звучание человеческого голоса. Недостатками данного стандарта являются слабая помехоустойчивость (уровень помех в этом диапазоне выше, чем в диапазонах 800, 900 и 1800 МГц); меньшая, чем в цифровых стандартах, возможность предоставления широкого спектра сервисных услуг; незащищенность от подслушивания. Габариты, вес, потребление энергии аккумуляторов у телефонных аппаратов больше, чем в цифровых системах, а время работы, соответственно, меньше (в новых моделях эти недостатки менее выражены). Вероятность снижения качества связи внутри помещений, увеличение времени дозвона в моменты пиковой нагрузки в сети. По этой причине в крупных городах число одновременно используемых номеров в пределах одной соты стандарта NMT-450 ограничено. Вероятность подключения "двойников". Для защиты пользователей сети от "двойников" была разработана современная система защиты SIS (SIS - Subscriber Identification Security). Внедрение ее началось на сетях NMT450 c системы "Дельта Телеком" еще в 1994 году. С тех пор, как утверждает менеджмент компании, не зарегистрировано ни одного случая проникновения в сеть. Соответствующая реализация стандарта известна под названием NMT450i. Помимо функции защиты от фрода Фрод -- это метод превышения лимита количества отправляемых SMS-запросов, обусловленный техническими возможностями платформы ОСС, приводящий к получению абонентом заказываемых услуг без фактической их оплаты. , оператор получает ряд дополнительных возможностей, например, пониженный тариф для телефона с ограниченной (одной сотой) мобильностью, ограничение зоны обслуживания для конкретного абонента, SMS и ряд других. Основное преимущество - возможность организации автоматического роуминга Ромуминг (англ. roaming от англ. roam -- бродить, странствовать) -- процедура предоставления услуг абоненту вне зоны обслуживания «домашней» сети (либо базовой станции) абонента с использованием ресурсов другой (гостевой) сети. При этом абоненту не требуется заключать договор с принимающим оператором, а плата за услуги списывается с его счёта. .

В процессе модернизации разрабатываются новые версии стандарта. Для увеличения емкости сотовых сетей стандарта NMT-450 планируется использовать шаг частотной сетки 12,5 кГц вместо стандартного шага 25 кГц, что позволит увеличить количество рабочих каналов с 180 до 359. Но этой привилегией смогут воспользоваться только владельцы новых моделей телефонов. Предполагается использовать временное разделение каналов, как в цифровых системах (работа нескольких абонентов на одной частоте).

Спутниковые системы связи не смогут в ближайшее время составить серьезной конкуренции сетям NMT-450 из-за высокой стоимости предоставляемых услуг.

1.3.2 Стандарт сотовой связи CDMA

CDMA (Code Division Multiple Access) - система множественного доступа с кодовым разделением. Беспроводной абонентский доступ WLL (Wireless Local Loop), реализованный на базе новейшей цифровой технологии с кодовым разделением каналов CDMA. Для данного стандарта характерны отличное качество звука и низкий уровень фоновых шумов. Повышенная емкость системы, которая в 10 раз выше, чем у AMPS и в 3-5 раз больше чем у GSM, определяется максимально возможным количеством активных пользователей системы на территории зоны ее обслуживания. CDMA улучшает качество связи в перенаселенных районах, и местностях с холмистым рельефом, где возникают помехи от отраженных сигналов. CDMA увеличивает емкость системы, "виртуально" отсеивая занятые, перекрестные и повисшие вызовы. Это становится возможным благодаря многократному использованию одного частотного канала во всех сотах. Повышению емкости системы способствует применение механизма контроля мощности и речевой активности, что уменьшает взаимные помехи, влияющие на емкость системы и другие факторы. В результате абоненты не страдают от блокировки вызовов в часы наибольшей нагрузки на сеть.

Существенным отличием абонентских аппаратов CDMA является малая излучаемая мощность, которая составляет менее 10мВт, что на порядок меньше, чем в сетях DAMPS и GSM. Столь низкие требования к мощности позволяют использовать портативные аппараты с более длительным временем работы без подзарядки. CDMA использует более 4,4 триллиона кодов для разделения индивидуальных вызовов, обеспечивая полную защиту и предотвращая несанкционированные подключения. CDMA использует уникальный код для каждого вызова, что позволяет надежно защитить частную информацию. Провайдеры могут использовать одну из трех систем множественного доступа, и разделить абонентов так, чтобы они не мешали друг другу.

1.3.3 Стандарт сотовой связи GSM

История создания стандарта сотовой связи GSM

Хотя становление и развитие мобильной связи стандарта GSM происходило на наших глазах, история его начинается еще в XIX веке. Человек давно уже пытался придумать способ передачи информации на расстояние, и в 1895г. русский ученый А. С. Попов сделал доклад, посвящённый методу использования излученных электромагнитных волн для беспроводной передачи электрических сигналов, содержащих информацию. А в марте 1896 года он уже передал радиограмму с двумя словами «Генрих Герц» на расстояние 250 метров.

Настоящая же история сотовой связи начинается в 1946 году в городе Сант-Луис, США, где начала работать первая система радиотелефонной связи, предлагавшая услуги всем желающим. Аппаратура устанавливалась в автомобилях, была громоздкой и тяжёлой. Связь устанавливалась с единым центром, обслуживающим достаточно большую территорию. Зона действия мобильной телефонной связи в данном регионе как раз и ограничивалась этой территорией. Радиотелефоны использовали обычные фиксированные каналы, и если канал связи был занят, переключение на другой, свободный канал, осуществлялось вручную. Само телефонное общение было сложным - нельзя было и слушать и говорить одновременно.

С развитием техники улучшалась и радиотелефонная связь - совершенствовалось оборудование, осваивались новые частоты. Однако при огромном спросе на такой сервис, пользоваться им могло ограниченное количество абонентов. Главной проблемой оставалось ограниченность частотного ресурса. Во время разговора один канал мог использовать только один абонент, а число фиксированных частот в определенном частотном диапазоне ограничено, поэтому радиотелефоны с близкими по частоте рабочими каналами создавали взаимные помехи. Решением этой проблемы занимались многие ученые и инженеры.

Принципиально новую идею предложил в середине 40-х годов XX века исследовательский центр Bell Laboratories американской компании AT&T. Главной новинкой был отказ от единого центра и разбиение всей обслуживаемой территории на небольшие участки, «соты» (от англ. cell -- ячейка, сота), каждый из которых обслуживался станцией связи с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Стало возможным без всяких взаимных помех использовать один канал связи несколькими абонентами, находящимися друг от друга через несколько «сот».

Далее развитие систем сотовой связи велось в разных странах по разным направлениям. В Европе ещё в конце семидесятых годов прошлого века начались работы по созданию единого стандарта сотовой связи для 5 североевропейских стран -- Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и Норвегии. Результатом исследований появился стандарт связи NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), который предназначался для работы в диапазоне 450 МГц. Эксплуатация первых систем сотовой связи этого стандарта началась в 1981 г в Саудовской Аравии, и затем, месяцем позже, в Европе. Различные варианты NMT-450 использовались в Австрии, Швейцарии, Голландии, Бельгии, странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока. На основе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт NMT-900, использующий частоты 900 МГц диапазона и позволивший увеличить число абонентов и улучшить стабильность работы системы.

В США в 1983 году начала работу сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), который был разработан Bell Laboratories. В 1985, в Англии, был принят стандарт TACS (TotalAccess Communications System), который являлся разновидностью американского AMPS. Франция, в отличие от других стран, начала использовать собственный стандарт Radiocom-2000 с 1985 года. Все вышеперечисленные стандарты являются аналоговыми (см. табл. 1) и относятся к первому поколению систем сотовой связи (1 G).

Таблица 1.1 Аналоговые стандарты сотовой связи

Название Системы	Дата	Страна
AMPS	1983	США, другие страны
C-Netz	1981, 1988	Германия, Австрия, Португалия
Comvik	1981	Швеция
ETACS	1987	Великобритания, другие страны
NMT450 (Nordic Mobile Telephone)	1981	Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия
NMT900	1986	Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия
RadioCom	1985	Франция
RTMS (Radio Telephone Mobile System)	1985	Италия
TACS (Total Acess Communications System)	1985	Великобритания, Италия, Испания, Австрия, Ирландия

В начале 80-х годов в Западной Европе использование различных стандартов сотовой связи стало препятствовать ее широкому применению. На ее территории действовали сети на базе 9 различных стандартов, не совместимых между собой. Это сыграло огромную роль в создании сотовой системы второго поколения, основанной на цифровых методах обработки сигналов. Очевидно, что идея общеевропейского цифрового стандарта витала в воздухе.

В 1982 г. Европейская конференция администраций почт и электросвязи (СЕРТ), организация, объединяющая администрации связи 26 стран, создала специальную группу Groupe Special Mobile(GSM). Группе была поставлена задача разработать спецификации общеевропейской системы сотовой связи, функционирующей в диапазоне 862-960 МГц. Аббревиатура GSM и дала название новому стандарту. К 1984 г. было решено, что система будет цифровой, совместимой с сетями ISDN (Integrated Service Digital Network) по набору предоставляемых услуг.

В 1985 году Франция и Германия подписывают в Ницце соглашение о поддержке GSM, т.е. общеевропейского цифрового стандарта, в 1986 году к ним присоединяются Великобритания и Италия. Совет министров Европы издает директиву с указанием странам-участникам отвести полосу частот в диапазоне 900 МГц под новую систему связи. В 1987г. был подписан «Меморандум о намерениях» (Memorandum of Understanding - MoU), в котором указывалась дата ввода новой системы в эксплуатацию - 1 июля 1991 г. В 1989 году уже работало несколько тестовых сетей. В 1990 специально созданным на смену группе GSM институтом ETSI (European Telecommunications Standards Institute) был опубликован документ, содержащий спецификации стандарта GSM первой фазы, что позволило начать разработку и производство сетевого, пользовательского и тестового оборудования.

К намеченной дате, 1 июлю 1991г. развернуть сервис не удалось, в основном по причине отсутствия мобильных телефонов, функционирующих в стандарте GSM. К этому времени не была еще разработана процедура испытания (сертификации) аппаратов на соответствие стандарту, которая появилась лишь в апреле 1992 г. Уже в мае 1992 г. в Германии заработала первая коммерческая сеть GSM900, за несколько месяцев во всех странах, подписавших “Меморандум о взаимопонимании”, были развернуты сети GSM; а к концу года таких сетей было уже около четырнадцати.

В 1993 г. к «Меморандуму» (MoU) присоединился первый неевропейский участник -австралийский оператор сотовой связи Telstra. Стандарт GSM вышел за пределы Европы и стал всемирным. И в это же время аббревиатура GSM стала читаться как Global System for Mobile Communications.

Рассматривая вопросы эволюции систем мобильной связи, мы приходим к понятию «поколений».

Системы первого поколения (1G) были аналоговыми, реализованными на достаточно надежных сетях, но с ограниченной возможностью предложения услуг абонентам. Кроме того, они не позволяли осуществлять роуминг между сетями. Системы мобильной связи второго поколения (2G) являются цифровыми. Они внесли существенные преимущества с точки зрения предложения абонентам усовершенствованных услуг, повышения емкости и качества. Система GSM (Global System for Mobile communication) относится к технологии 2G.

Системы второго поколения представляют пользователю широкий объем услуг, стандартизованных для ISDN (Integrated Service Digital Network). Также предоставляют возможность обмена короткими сообщениями (SMS - Short Message Service).

Описание компонентов сети GSM

Сеть GSM делится на 2 системы. Каждая из этих систем включает в себя ряд функциональных устройств, которые, в свою очередь являются компонентами сети мобильной радиосвязи. Данными системами являются:

коммутационная система - Switching System (SS)

система базовых станций - Base Station System (BSS)

Каждая из этих систем контролируется центром управления.

На рисунке 1.1 представлена структурная схема данных систем.

Рис. 1.1 Структурная схема системы мобильной связи GSM

В Таблице 1.2 приведена расшифровка сокращений приведенных на рисунке 1.1.

Таблица 1.2 Расшифровка сокращений системы мобильной связи

Сокращение	Расшифровка	Описание
AUC	Authentication Center	Центр аутентификации (проверки подлинности абонента)
BSC	Base Station Controller	Контроллер базовых станций
BTS	Base Transceiver Station	Приёмопередающая Базовая Станция (БС)
EIR	Equipment Identity Register	База данных абонентского оборудования
HLR	Home Location Register	База данных «домашних» абонентов
MS	Mobile Station	Мобильная станция
MSC	Mobile Switching Center	Узел коммутации в сети GSM
NMC	Network Management Center	Центр управления сетью
OMC	Operation and Maintenance Center	Центр технического обслуживания
VLR	Visitor Location Register	База данных абонентов, находящихся в зоне данного MSC/VLR

Система SS выполняет функции обслуживания вызовов и установления соединений, а также отвечает за реализацию всех назначенных абоненту услуг. SS включает в себя следующие функциональные устройства:

мobile Switching Center (MSC) ;

home Location Register (HLR) ;

visitor Location Register (VLR) ;

authentication Center (AUC) ;

equipment Identity Register (EIR).

Система BSS отвечает за все функции, относящиеся к радиоинтерфейсу. Эта система включает в себя следующие функциональные блоки:

Base Station Controller (BSC)

Base Transceiver Station (BTS)

Центр технического обслуживания (OMC) выполняет все задачи по эксплуатационно-техническому обслуживанию для сети, например, из него проводится наблюдение за сетевым трафиком, за аварийными сигналами от всех сетевых элементов. Из OMC доступ осуществляется как к системе SS, так и к системе BSS. MS не принадлежит ни к одной из этих систем, но рассматривается как элемент сети.

MSC выполняет функции коммутации для мобильной связи. Данный центр контролирует все входящие и исходящие вызовы, поступающие из других телефонных сетей и сетей передачи данных. К данным сетям можно отнести PSTN Public Switched Telephone Network -- это сеть, для доступа к которой используются обычные телефонные аппараты, мини-АТС и оборудование передачи данных., ISDN, сети передачи данных общего пользования, корпоративные сети, а также сети мобильной связи других операторов. Функции проверки подлинности абонентов также выполняются в MSC. MSC обеспечивает маршрутизацию вызовов и функции управления вызовами. На MSC возлагаются функции коммутации. MSC формирует данные, необходимые для тарификации предоставленных сетью услуг связи, накапливает данные по состоявшимся разговорам и передаёт их в центр расчётов (биллинг-центр). MSC составляет также статистические данные, необходимые для контроля работы и оптимизации сети. MSC не только участвует в управлении вызовами, но также управляет процедурами регистрации местоположения и передачи управления (GMSC -это MSC который обрабатывает вызовы, приходящие из внешних сетей).

В системе GSM каждый оператор располагает базой данных, содержащей информацию обо всех абонентах принадлежащих своей PLMN. В сети одного оператора логически HLR - один, а физически их много, т.к. это распределенная база данных. Информация об абоненте заносится в HLR в момент регистрации абонента (заключения абонентом контракта на обслуживание) и хранится до тех пор, пока абонент не расторгнет контракт и не будет удалён из регистра HLR. Хранящаяся информация в HLR включает в себя:

идентификаторы (номера) абонента.

дополнительные услуги, закрепленные за абонентом.

информацию о местоположении абонента, с точностью до номера MSC/VLR.

аутентификационную информацию абонента (триплеты).

HLR может быть выполнен как встроенная функция в MSC/VLR, так и отдельно. Если емкость HLR исчерпана, то может быть добавлен дополнительный HLR. И в случае организации нескольких HLR база данных остаётся единой - распределённой. Запись данных об абоненте всегда остаётся единственной. К данным, хранящихся в HLR, могут получить доступ MSC и VLR, относящиеся к другим сетям, в рамках обеспечения межсетевого роуминга абонентов.

База данных VLR содержит информацию о всех абонентах мобильной связи, расположенных в данный момент в зоне обслуживания MSC. Таким образом, для каждого MSC на сети существует свой VLR. В VLR временно хранится информация о услугах, и благодаря этому связанный с ним MSC может обслуживать всех абонентов, находящихся в зоне обслуживания данного MSC. В HLR и VLR хранится очень похожая информация об абоненте, но есть некоторые отличия.

Когда абонент перемещается в зону обслуживания нового MSC, VLR, подключенный к данному MSC, запрашивает информацию об абоненте из того HLR, в котором хранятся данные этого абонента. HLR посылает копию информации в VLR и обновляет у себя информацию о местоположении абонента. После того как информация обновится, MS может осуществлять исходящие/входящие соединения.

Для исключения несанкционированного использования ресурсов системы связи вводятся механизмы аутентификации - удостоверения подлинности абонента. AUC - центр проверки подлинности абонента, состоит из нескольких блоков и формирует ключи аутентификации и шифрации (осуществляется генерация паролей). С его помощью MSC проверяет подлинность абонента, и при установлении соединения на радиоинтерфейсе будет включена шифрация передаваемой информации

EIR - это база данных, содержащая информацию о идентификационных номерах мобильных терминалов. Данная информация необходима для осуществления блокировки краденых телефонов. Данный регистр (EIR) предлагается операторам как опция, поэтому, многие операторы не используют данное оборудование.

BSC управляет всеми функциями, относящимися к работе радиоканалов в сети GSМ. Это коммутатор, который обеспечивает такие функции, как хэндовер Функция Handover - возможность перехода абонента из зоны действия одной базовой станции (BTS) в зону действия другой без потери разговора. MS, назначение радиоканалов и сбор данных о конфигурации сот. Каждый MSC может управлять несколькими BSC.

BTS управляет радиоинтерфейсом с MS. BTS включает в себя такое радиооборудование, как приемо-передатчики и антенны, которые необходимы для обслуживание каждой соты в сети. Контроллер BSC управляет несколькими BTS.

OMC представляет собой компьютер с программами для обслуживания компонентов сети GSM. ОМС подключен через каналы передачи данных к различным компонентам сети, таким как MSC, BSC и т.д. Персонал центра обеспечивается информацией о состоянии узлов сети, может наблюдать за различными системными параметрами и управлять ими. В одной сети может быть один или несколько центров, это зависит от размера сети.

Централизованное управление сетью выполняется в Центре управления сетью (NMC). На сегменте сети как правило только один центр, из которого может осуществляться управление подчиненными OMC. Преимуществом такого централизованного подхода является то, что персонал NMC может сосредоточиться на решении долгосрочных стратегических проблем, связанных со всей сетью в целом, а локальный персонал каждого OMC может сосредоточиться на решении краткосрочных региональных или тактических проблем. Совокупность функций OMC и NMC может быть комбинацией, реализованной в одном и том же физическом сетевом узле или в различных физических объектах.

MS используется абонентом сети мобильной связи для осуществления связи в пределах сети. Существует несколько типов MS, каждый из которых позволяет абоненту устанавливать входящие и исходящие соединения. Производители MS предлагают абонентам большое число разнообразных, отличающихся по дизайну и возможностям аппаратов, удовлетворяющих потребности различных рынков. Различные типы MS располагают разными выходными уровнями мощности и, соответственно, могут осуществлять уверенную работу в пределах зон разных размеров. Так, например, выходная мощность обычной трубки, которую абоненты носят с собой, меньше, чем мощность установленного в автомобиле аппарата с выносной антенной, следовательно, зона ее работы меньше. MS стандарта GSM состоится из следующих элементов:

мобильного терминала (трубки);

модуля идентификации абонента (SIM).

В стандарте GSM, в отличие от других стандартов, информация об абоненте отделена от информации о мобильном терминале.

Абонентская информация хранится на смарт-карте SIM. SIM может вставляться в любой аппарат, поддерживающих стандарт GSM.

Это является для абонентов преимуществом, потому что они могут легко менять аппараты по своему желанию, что никак не влияет на обслуживание абонента сетью. Кроме того, это обеспечивает повышенную безопасность для абонента.

Частотный диапазон GSM

GSM включает в себя несколько диапазонов частот, наиболее распространены: 900, 1800, 1900 МГц (см.рис. 1.2).



Рис. 1.2 Частотные диапазоны GSM

Изначально под стандарт GSM был выделен диапазон 900 МГц. В настоящее время данный диапазон остаётся всемирным. В некоторых странах используются расширенные диапазоны частот, обеспечивающие большую ёмкость сети. Расширенные диапазоны частот называются E-GSM и R-GSM, в то время как обычный диапазон носит название P-GSM (primary).

P-GSM900 890-915/935-960 MHz

E-GSM900 880-915/925-960 MHz

R-GSM900 890-925/935-970 MHz

R-GSM1800 1710-1785/1805-1880 MHz

В 1990 г. для увеличения конкуренции между операторами, в Великобритании начали развивать новую версию GSM, которая адаптирована к диапазону частот 1800. Сразу после утверждения данного диапазона несколько стран сделали заявку на использование данного диапазона частот. Введение данного диапазона увеличило рост количества операторов, приводя к увеличению конкуренции и, соответственно, улучшению качества обслуживания. Применение данного диапазона позволяет увеличивать емкость сети за счёт увеличения полосы пропускания и, соответственно, увеличение количества несущих. Диапазон частот 1800 использует следующие диапазоны частот: GSM 1710-1805/1785-1880 MHz. До 1997 года стандарт 1800 носил название Digital Cellular System (DCS) 1800 MHz, в настоящее время носит название GSM 1800.

В 1995 году в США была специфицирована концепция PCS (Personal Cellular System). Основной идеей этой концепции является возможность предоставления персональной связи, то есть связи между двумя абонентами, а не между двумя мобильными станциями. Поскольку в Северной Америке стандарт GSM 900 не может быть использован из-за того, что эта полоса частот занята другим стандартом, стандарт GSM 1900 является возможностью заполнения этого пробела. Основным различием между американским стандартом GSM 1900 и GSM 900 является то, что GSM 1900 поддерживает сигнализацию ANS ANSI: American National Standards Insti tute - Американский национальный институт стандартизации.I.

Традиционно полоса 800 МГц была занята распространенным в США стандартом TDMA (AMPS и D-AMPS). Как и в случае со стандартом GSM 1800 этот стандарт дает возможность получения дополнительных лицензий, то есть расширяет область работы стандарта на национальных сетях предоставляя операторам дополнительную емкость. Рассмотрим состояния мобильной станции в процессе её работы.

В процессе развития мобильных систем был разработан ряд понятий, описывающих различные состояния мобильной станции.

Мобильная станция может иметь несколько состояний.

Idle: MS включена и зарегестрирована в сети, но разговор не установлен;

Active (Busy): MS включена и находится в режиме установленного соединения;

Detached: MS выключена;

Implicit Detach: MS не производила периодическую регистрацию продолжительное время.

В таблице 1.3 приводятся ключевые понятия, которые помогают описать GSM режимы обслуживания трафика.

Таблица 1.3 Состояния мобильной станции

Состоя-ние	Термин	Определение
IDLE	Регистрация (Registration)	Процесс, когда MS сообщает системе о ее включении, а сеть обновляет информацию о местоположении MS.
	Роуминг (Roaming)	Передвижение мобильной станции по сети, смена сот, MSC/VLR и т.д. (наиболее характерно это понятие именно для смены MSC/VLR и PLMN Сеть связи наземных подвижных объектов общего пользования (PLMN) - это интегрированная цифровая сотовая сеть, обеспечивающая беспроводной доступ для мобильных абонентов к другим сетям и сетевым услугам, включая и другие сети PLMN.) .
	(International Roaming)	Смена мобильной станцией не только PLMN, но и страны (международный роуминг).
	Location Update	Обновление информации о местоположении MS. Инициатором всегда выступает сама MS.
	Cell selection/reselection	Процесс выбора/смены соты в режиме IDLE.
	Paging	Процесс, когда MS вызывается системой, т.е. когда на MS отправляется сообщение о вызове с идентификационным номером MS .
BUSY	Locating	Процесс выбора лучшей соты для выполнения хэндовера. Эту процедуру выполняет BSC на основе измерений, которые сделали MS и BTS.
	Handover	Процесс переключения соединения на другую соту во время разговора.

Когда MS выключается, в системе мобильная станция отмечается как Detached. Когда MS включается, она начинает сканировать весь частотный диапазон GSM, используя при этом специальные каналы управления. После того как MS находит логические каналы управления, она начинает измерять уровни сигнала на этих частотах, после чего эти данные запоминаются в MS. После того, как уровни были измерены, MS выбирает наилучшую соту по заданным критериям. После того как MS включилась, она должна зарегистрироваться в системе, после чего система помечает её как мобильную станцию в состоянии IDLE. В процессе движения по сети MS постоянно производит измерения уровней сигналов на заданных оператором частотах для определения соты с наибольшим уровнем сигнала.

Если MS находит лучшую частоту, она перестраивается на её частоту. Если новая сота принадлежит другой LA (locatiom area- место расположение обонента), то MS сразу же произведет процедуру Location Update для обновления данных об LA в обслуживающем VLR.

Идентификаторы - ряд номеров, которые сеть GSM использует для определения местоположения абонента при установлении соединения. Данные идентификаторы используются для маршрутизации вызовов к MS. Важно, чтобы каждый идентификационный номер был уникальным и был всегда корректно определён.

International Mobile Subscriber Identity (IMSI, читается как им-зии) -- международный идентификатор мобильной станции (уникальный международный идентификатор абонента), ассоциированный с каждым пользователем мобильной связи стандарта GSM или UMTS. При регистрации в сети аппарат абонента передаёт идентификатор IMSI, по которому происходит его идентификация. Во избежание перехвата, этот номер посылается через сеть настолько редко, насколько это возможно. IMSI уникально описывает мобильную станцию в глобальной мировой сети GSM. Большинство операций внутри сети GSM производятся именно по этому номеру. IMSI хранится в SIM, в HLR, в обслуживающем VLR и в AUC. IMSI состоит из трёх основных частей:

Рис 1.3 Идентификатор IMSI

MCC (Mobile Country Code) - код мобильной связи для страны

MNC (Mobile Network Code) - код оператора мобильной связи

MSIN (Mobile Station Identification Number) - идентификационный номер MS. Согласно спецификациям GSM длина IMSI составляет как правило 15 цифр.

Существуют и другие идентификаторы в сети GSM, например Mobile Station ISDN ISDN-- цифровая сеть с интеграцией обслуживания. Позволяет совместить услуги телефонной связи и обмена данными. Number (MSISDN), номер абонента (MSISDN) мы набираем, когда хотим ему позвонить.

Мобильная станция

Мобильная станция используется абонентом для доступа в систему и состоит из двух независимых частей:

SIM - модуль идентификации абонента

MT - Mobile Terminal (Мобильное оборудование)

SIM-карта - это пико-процессор с модулем памяти, в котором хранится идентифицирующая абонента информация (IMSI). Мобильное же оборудование - это телефонный терминал (так называемая «трубка»). Различные типы MS имеют различную выходную мощность, поэтому, радиус действия MS тоже различен. Носимые телефоны обычно имеют маленькую выходную мощность, поэтому имеют малый радиус зоны обслуживания. MS согласно рекомендациям GSM делятся на несколько классов. Одним из критериев разделения на классы является выходная излучаемая мощность MS. Ключевой особенностью стандарта GSM является Subscriber Identity Module - SIM-карта. SIM-карта - это, с одной стороны, ячейка памяти для хранения информации, с другой стороны - пико-процессор, вычисляющий триплеты. Без SIM-карты MS может работать только в режиме экстренных вызовов.

SIM-карта хранит в себе три вида абонентской информации:

Фиксированные данные: данные, которые постоянно хранятся в карте IMSI и т.п.

Временные данные о сети: последняя LA, последний ВА лист BA-лист - список частотных каналов эфира, слушаемый телефоном одновременно с тем, на котором он сидит в данный момент..

Данные, касающиеся услуг.

В настоящий момент разработано 2 типа SIM-карт. К этим типам относятся «ID-1 SIM» и «Plug-in SIM». Логические и электрические функции идентичны для обоих типов SIM-карт. Формат и размеры ID-1 SIM совместимы со стандартом ISO для карт типа Integrated Circuit (IC) - то есть с размером кредитных карт). Встроенная SIM-карта меньше чем SIM-карта ID-1 и получила более широкое распространение. Данная карта предполагает временную установку в мобильное устройство. Для предотвращения несанкционированного доступа к мобильному телефону, SIM-карта имеет специальный PIN-код. PIN содержит от 4 до 8 цифр. Начальный код PIN прошивается самим оператором при продаже услуг мобильной связи. После этого, по желанию абонента, длина PIN-кода может быть изменена. Абонент также может активировать или деактивировать использование PIN-кода. При неправильном введении PIN-кода абонент информируется об этом. После трёх неправильно введённых значений PIN-кода SIM блокируется. В случае, если между неправильно введёнными значениями PIN-кода SIM-карта вытаскивалась из аппарата, SIM-карта все равно заблокируется после третьего ввода неправильного PIN-кода, т.к. в SIM существует счетчик неправильно введенных PIN [2].