Zorkiestrowany Taniec: Jak Sieć GSM Obsługuje Połączenia

Z perspektywy użytkownika wykonanie połączenia z telefonu komórkowego wydaje się niezwykle proste. Wybierasz numer, naciskasz przycisk połączenia i po chwili jesteś połączony. Jednak za tym bezproblemowym doświadczeniem kryje się bardzo złożona i szybka seria procedur, zorkiestrowanych przez sieć GSM. To zaawansowany taniec komunikatów sygnalizacyjnych, zapytań do baz danych i alokacji zasobów, który odbywa się w ciągu zaledwie kilku sekund.

Sieć komórkowa nie jest statyczna. Użytkownicy ciągle się przemieszczają, włączają i wyłączają telefony oraz inicjują lub odbierają połączenia. Aby zarządzać tym dynamicznym środowiskiem, sieć GSM stosuje kilka kluczowych procedur. Procedury te zapewniają, że sieć zawsze wie, kim jesteś, gdzie jesteś i jak Cię połączyć w sposób bezpieczny i wydajny. Zbadamy cztery najważniejsze procedury, które stanowią fundament działania GSM:

1. Rejestracja i Aktualizacja Położenia: Proces, który telefon przechodzi, aby zgłosić swoją obecność w sieci.
2. Uwierzytelnianie i Szyfrowanie: Bezpieczne uzgadnianie, które weryfikuje Twoją tożsamość i chroni Twoją rozmowę.
3. Zestawianie Połączenia (Wychodzące i Przychodzące): Szczegółowy proces wykonywania i odbierania połączeń.
4. Przełączanie (Handover): Kluczowa procedura, która utrzymuje Twoje połączenie, gdy przemieszczasz się między różnymi obszarami zasięgu komórek.

Procedura 1: Dołączanie do Sieci - Rejestracja i Aktualizacja Położenia

W momencie włączenia telefonu komórkowego natychmiast rozpoczyna on rozmowę z siecią. Ten początkowy dialog jest znany jako rejestracja lub dołączenie do sieci. Jego cel jest dwojaki: poinformować sieć, że jesteś aktywny i dostępny, oraz poinformować sieć, gdzie się znajdujesz, aby mogła kierować do Ciebie połączenia przychodzące. Cały ten proces często nazywany jest Aktualizacją Położenia.

Przyjrzyjmy się tej podstawowej procedurze w szczegółowej, krok po kroku sekwencji:

1. Krok 1: Wybór Komórki (Oczekiwanie)

   Gdy tylko telefon się włączy, Twoja Stacja Ruchoma (MS) zaczyna skanować fale radiowe w poszukiwaniu sygnałów rozgłoszeniowych pobliskich Stacji Nadawczo-Odbiorczych (BTS). Mierzy siłę sygnału kilku kanałów BCCH i zatrzymuje się na tym z najsilniejszym sygnałem. Proces ten jest znany jako "oczekiwanie na komórkę" (camping on a cell). Słuchając BCCH, telefon dowiaduje się o tożsamości sieci (PLMN) i konkretnej komórki, w której się znajduje.

2. Krok 2: Żądanie Kanału Sygnalizacyjnego

   Telefon porównuje Identyfikator Obszaru Położenia (LAI) rozgłaszany przez komórkę z ostatnim zapisanym na karcie SIM. Jeśli są różne lub jeśli telefon został właśnie włączony, wie, że musi przeprowadzić aktualizację położenia. Aby to zrobić, potrzebuje prywatnej linii komunikacyjnej z siecią. Wysyła komunikat "Żądanie Kanału" za pomocą krótkiej Serii Dostępowej na współdzielonym Kanale Dostępu Losowego (RACH).

3. Krok 3: Przydział Kanału

   Sieć odbiera żądanie i przydziela tymczasowy, dedykowany kanał do sygnalizacji. Odpowiada telefonowi komunikatem "Natychmiastowy Przydział" na Kanale Przydziału Dostępu (AGCH). Ten komunikat informuje telefon, jakiej dokładnie częstotliwości i szczeliny czasowej ma używać dla swojego dedykowanego kanału sygnalizacyjnego, Niezależnego Dedykowanego Kanału Sterującego (SDCCH). Od tego momentu rozmowa między telefonem a siecią staje się prywatna.

4. Krok 4: Żądanie Aktualizacji Położenia

   Będąc na swoim prywatnym kanale SDCCH, MS wysyła do sieci formalny komunikat "Żądanie Aktualizacji Położenia". Komunikat ten zawiera tymczasową tożsamość telefonu, TMSI, oraz tożsamość poprzedniego obszaru położenia. Używanie TMSI zamiast stałego IMSI jest kluczową funkcją prywatności w GSM.

5. Krok 5: Weryfikacja Tożsamości i Procedury Bezpieczeństwa

   Jest to krytyczna faza bezpieczeństwa. Lokalna Centrala Komutacyjna (MSC) i powiązany z nią Rejestr Abonentów Gości (VLR) odbierają żądanie.

   • Uwierzytelnianie: VLR i HLR, we współpracy z Centrum Uwierzytelniania (AUC), przeprowadzają kryptograficzną wymianę w celu weryfikacji autentyczności karty SIM. Proces ten potwierdza, że jesteś legalnym abonentem, a nie klonem.
   • Szyfrowanie: Jeśli uwierzytelnianie powiedzie się, sieć i telefon negocjują i aktywują szyfrowanie dla całej późniejszej komunikacji w łączu radiowym, chroniąc prywatność użytkownika.
6. Krok 6: Aktualizacja Baz Danych Lokalizacji

   Po ustanowieniu bezpieczeństwa przeprowadzana jest aktualizacja położenia. Nowy VLR, w którym użytkownik się teraz znajduje, wysyła komunikat "Aktualizacja Położenia" do stałej bazy danych abonenta, czyli Rejestru Abonentów Macierzystych (HLR). HLR potwierdza tę aktualizację, zapisuje nową lokalizację użytkownika (notując adres nowego VLR), a następnie wysyła komunikat "Anuluj Lokalizację" do starego VLR, z którego użytkownik się przemieścił, nakazując mu usunięcie tymczasowego rekordu użytkownika. Gwarantuje to, że główna baza danych sieci zawsze wie, gdzie znaleźć użytkownika.

7. Krok 7: Potwierdzenie i Przydział Nowej Tożsamości

   Nowy VLR potwierdza MS, że aktualizacja położenia zakończyła się sukcesem, wysyłając komunikat "Akceptacja Aktualizacji Położenia". Co kluczowe, komunikat ten często zawiera nowy, świeżo przydzielony TMSI. Regularna zmiana TMSI jeszcze bardziej utrudnia śledzenie aktywności użytkownika w eterze. Telefon potwierdza odbiór nowego TMSI.

8. Krok 8: Zwolnienie Kanału

   Po zakończeniu rejestracji prywatny kanał sygnalizacyjny (SDCCH) nie jest już potrzebny. Sieć wysyła polecenie "Zwolnienie Kanału", a telefon wraca do trybu bezczynności ("oczekiwania"), okresowo nasłuchując kanałów BCCH i PCH, oszczędzając jednocześnie baterię.

Procedura 2: Handover - Sztuka Płynnego Przełączania

Handover (przełączenie) to prawdopodobnie najbardziej imponujące osiągnięcie sieci komórkowej. Jest to procedura, która pozwala, aby aktywne połączenie było kontynuowane bez przerw, gdy przemieszczasz się z obszaru zasięgu jednej komórki do drugiej. Bez handoveru za każdym razem, gdy przekroczyłbyś niewidzialną granicę komórki, Twoja rozmowa zostałaby zerwana.

Procedura 3: Zestawianie Połączenia (Przychodzące)

Odbieranie połączenia to kolejny zaawansowany proces, tym razem inicjowany spoza sieci komórkowej. Kluczowym wyzwaniem jest dla sieci znalezienie telefonu komórkowego, który może być w dowolnym miejscu na świecie.