Все о DECT

Часть 2. Аутентификация и кодирование речи. Сетевые аспекты*

Стандарт DECT имеет неоспоримые преимущества в области качества связи и обеспечивает (по сравнению с другими стандартами) наиболее низкий уровень излучения радиотелефонов. Что же касается его коммерческого успеха, этим он во многом обязан высокой степени защищенности DECT-связи от несанкционированного доступа.

Обеспечение безопасности

Вопросы защиты крайне важны для сетей радиосвязи, где информация передается по эфиру и теоретически не существует проблем ее перехвата и дальнейшего использования. И здесь высокий потенциал стандарта DECT определяется тем комплексом мер, которые прописаны как дополнительные требования в разных профилях доступа.

Виды угроз

Для систем беспроводного доступа существуют три основных вида угроз: нелегальное использование средств связи, несанкционированный перехват информации и преднамеренное воздействие на нее с целью нарушения нормального функционирования системы. В зависимости от профиля доступа сценарии воздействия и способы защиты от угроз могут быть разными, как и степень чувствительности самой системы DECT к этим воздействиям.

Большинство видов угроз и методов воздействия на систему связано с попытками тем или иным способом уклониться от оплаты эфирного времени. Чаще всего для данных целей используются станции-двойники или похищенные станции (табл. 3). Степень защищенности сети определяется эффективностью применяемой системы паролей, способом аутентификации мобильных станций и абонентов, а также организационно-административными мерами, например созданием «черного списка» сети.

Другой вероятный вид угроз связан с перехватом информации. В DECT предусмотрена защита от активного и пассивного перехвата. В первом случае создается ложная базовая станция (БС) для перехвата информации или перенаправления ее другому адресату, во втором осуществляется пиратское подключение к радиоканалам.

Заметим, что в коммерческих сетях ущерб от такого вида угроз может быть весьма значительным, и он отнюдь не сводится к оплате счетов несанкционированных пользователей. Для защиты от этого вида угроз в DECT применяются шифрование информации и взаимная аутентификация работающих станций. Существуют и другие, более изощренные, методы воздействия, которые «не вписываются» в рамки данной статьи.

Аутентификация оборудования

Для того чтобы исключить появление двойников, способных посылать и принимать вызовы с использованием идентификатора законного абонента, в стандарте DECT введена процедура установления подлинности. Проверка основана на аутентификационном ключе, который хранится как в контроллере базовой станции (RFP), так и на абонентском терминале (PP).

Операция аутентификации абонентской станции (АС) выполняется по инициативе БС при каждой новой попытке установления соединения — независимо от того, является ли вызов входящим или исходящим. Применяется также аутентификация в процессе сеанса связи.

Процесс начинается, когда БС формирует и передает запрос. Этот запрос содержит некоторый постоянный или редко меняющийся параметр RS (64 бита) и случайное число RAND F (64 бита), генерируемое для данного сеанса. В ПЗУ абонентской станции «зашит» алгоритм аутентификации A12 (рис.7), с помощью которого по ключу UAK и случайному числу RAND F формируется ответ на запрос RES1 (так называемая цифровая подпись). На базовой станции ожидаемый ответ сравнивается с принятым значением RES1, и при их совпадении аутентификация считается успешной.

Основное требование к алгоритму аутентификации — его необратимость, т.е. невозможность однозначного восстановления абонентского ключа и ответа RES в случае их перехвата по радиоканалу даже при известности алгоритма шифрования.

Схема аутентификации, принята в DECT, во многом схожа с той, которая используется в GSM. Однако разработчики стандарта DECT пошли еще дальше, предусмотрев аутентификацию не только абонентского оборудования, но и базовой станции по запросу абонентской.

Аутентификация БС проводится, чтобы исключить возможность ее неправомочного использования; в частности, блокируется угроза перенаправления вызовов абонентов с целью их перехвата. В целом алгоритм аутентификации БС аналогичен применяемому для AC , только роли базовой и абонентской станций меняются: АС вычисляет обратный аутентификационный код со значением FP, принятым от базовой станции, а случайный код RAND P передается на БС, где с помощью алгоритма аутентификации A22 вычисляется ответный сигнал RES2, который и отправляется на АС в качестве квитанции.

Взаимная аутентификация БС и АС может осуществляться тремя способами — прямым и двумя косвенными. Прямой способ состоит в последовательном выполнении процедур аутентификации АС и БС (порядок — любой).

Первый из косвенных способов подразумевает проведение двух процедур аутентификации АС с шифрованием данных. При этом АС по полученным данным вычисляет ключ шифра и использует его для шифрования всей информации. Если БС не владеет точным ключом аутентификации K, то вычисленный ею ключ CK будет неверным и не позволит ей правильно принять данные, переданные АС, что и станет причиной разрыва соединения. Аутентификация завершится успешно только тогда, когда БС правильно расшифрует данные и ответит на запрос.

Второй косвенный способ основан на использовании статического ключа SCK. В этом случае процедура аутентификации осуществляется за один цикл обмена сигналами, поскольку ключ SCK известен обеим станциям.

Аутентификация абонентов

Каждая мобильная станция должна пройти процедуру аутентификации в сети DECT, во время которой выявляется, знает ли абонент свой персональный идентификатор и не является ли станция украденной. Такая процедура проводится каждый раз перед началом работы и предусматривает введение абонентом своего персонального номера. Функции контроля номера в системе DECT выполняет встроенный в абонентскую станцию аутентификационный модуль DAM (DECT Authentication Module), в котором записаны международный код опознания абонента (IPUI — International Portable User Identity) и ключ аутентификации K.

Если станция уже активизирована, то процедура аутентификации абонента может быть проведена в любой момент (во время сеанса связи) и по запросу БС. После набора персонального идентификатора UPI базовая станция вычисляет по нему ключ К и инициирует процедуру аутентификации АС (см. рис.7).

В стандарте DECT определены четыре категории прав доступа (PARK-Portable Access Right Key), зависящие от размера систем:

* А — с малым числом сот;

* В - офисные со сложной коммутацией и наличием связи с локальными сетями;

* С — сопряженные с сетями общего пользования;

* D — сопряженные с сетями GSM.

Каждый международный индивидуальный код IPUI, который может быть использован с разными PARK, состоит из двух частей: типа абонента (PUT — Portable User Type) и его номера (PUN — Portable User Number). Для указания типа используется поле фиксированного размера (4 бита), а длина номера зависит от его типа. В стандарте DECT определены семь типов номеров PUN для различных профилей доступа (табл. 4).

Наряду с идентификационным международным кодом IPUI в DECT используется временный телефонный идентификатор (TPUI—Temporary Portable User Identity), который позволяет защитить код IPUI от перехвата. Он состоит из 20 бит или имеет ту же структуру, что и IPUI N типа (см. табл. 4); в нем первые 16 бит повторяют последнюю часть кода IPUI, а оставшиеся 20 являются собственно кодом TPUI.

Шифрование

Криптографическая защита в стандарте DECT обеспечивается с помощью общего ключа шифрования CK (Cipher Key), который позволяет формировать сегментированную шифрующую последовательность KSS — Key Stream Segments. Такая последовательность «накладывается» на поток данных на передающей стороне и «снимается» на приемной. Строится KSS в соответствии со стандартными алгоритмами шифрования, разрабатываемыми и поставляемыми ETSI.

В зависимости от условий применения системы DECT в ней используются ключи разных типов: производные (DCK — Derived Chipher Key) и статические (SCK — Static Cipher Key). Криптографический ключ первого типа получается путем логического преобразования общего ключа, например путем сложения его с серийным номером абонентского терминала. Такой ключ обновляется в начале каждого сеанса связи. Статический ключ вводится абонентом вручную и обычно используется в домашних системах связи, где он является уникальным для каждой пары АС-БС. Этот ключ хранится в ЗУ мобильной станции, и менять его рекомендуется не реже одного раза в месяц, иначе возрастает риск нарушения защиты информации.

Очевидно, что степень безопасности системы, в которой используется процедура аутентификации, определяется способом реализации процедур генерации, распределения и хранения ключей аутентификации.

Стандарт DECT допускает несколько способов загрузки ключей: по радиоканалу, с помощью DAM-карточки или вручную (UPI-код). Первый из них наиболее удобен с точки зрения оперативной смены ключей, однако связан с риском для безопасности системы. Достаточно эффективным средством хранения ключей является карточка DAM, используемая в терминалах DECT/GSM.

Транскодер DECT

Транскодером называется устройство, преобразующее цифровые потоки речевых сигналов из одного цифрового формата в другой. Транскодер системы DECT создан на основе методов адаптивной дифференциальной импульсно-кодовой модуляции — АДИКМ (Adaptive Differential Pulse Code Modulation, ADPCM) - и относится к классу речепреобразующих устройств, принцип действия которых основан на компактном преобразовании аналоговых сигналов с восстановлением их формы во временной области. В этих транскодерах используются алгоритмы сжатия речи, которые обеспечивают практически такое же качество воспроизведения речи, как в сети ISDN.

Наибольшее распространение в системах радиосвязи получили транскодеры PCM/ACELP (64/4,5 кбит/с), PCМ/VSELP (64/8 кбит/с). В стандарте DECT используется транскодер PCM/ADPCM или ИКМ/АДИКМ (64/32 кбит/с).

Принцип действия транскодера АДИКМ следующий (рис. 8). Входной ИКМ-сигнал преобразуется с использованием A- или a-законов сжатия динамического диапазона в ИКМ-сигнал с линейной характеристикой квантования. Из этого сигнала вычитается восстановленная цифровая версия квантованного сигнала, а разностный сигнал поступает на адаптивный квантователь, шаг квантования которого является переменным и зависит от динамического диапазона квантованного сигнала. Изменение уровня сигнала кодируется четырехбитным кодом (в ИКМ-64 для этого требуется 8 бит): в трех битах записан уровень разностного сигнала, а в одном — его знак. Таким образом, при использовании АДИКМ по каналу связи передается не абсолютное значение сигнала, а разность между текущим и предыдущим отсчетами. При шаге дискретизации 125 мкс выходная скорость кодера составляет 32 кбит/с.

Главное преимущество адаптивного предсказания заключено в использовании переменного шага квантования, определяемого значением абсолютного уровня сигнала, который восстанавливается в инверсном адаптивном квантователе. Благодаря тому, что необходимая для адаптации информация выделяется из выходного кодированного сигнала, а не из входного аналогового, операции кодирования/декодирования идентичны.

Адаптивный предсказатель кодера АДИКМ формирует квантованный сигнал, который обеспечивает отслеживание как быстрых, так и медленных флуктуаций разностного сигнала, поэтому кодер способен эффективно обрабатывать аудиосигналы различных видов, даже с резкими скачками амплитуды, например сигналы, генерируемые модемом, факсимильным аппаратом и т.п. Декодер АДИКМ (рис. 8, б) фактически представляет собой часть кодера (рис.8, а), в котором квантовый разностный сигнал восстанавливается с помощью инверсного адаптивного квантователя. Практически те же функции выполняет и адаптивный предсказатель, который формирует оценки сигнала, основываясь на разностном сигнале и предыдущих отсчетах восстановленного сигнала. Для устранения возможных ошибок, накапливающихся при последовательном соединении нескольких транскодеров АДИКМ, используется синхронизация.

Кроме DECT-систем транскодер АДИКМ используется и в ряде других сетей беспроводного доступа: CT2, PHS, PACS. Требования к нему детально определены в спецификациях G.721 и G.726. Для АДИКМ-кодеров со скоростью 32 кбит/с качество воспроизведения речи оценивается по экспертной шкале MOS в 4,1 балла (сравните: для ИКМ-кодеров со скоростью 64 кбит/с (G.711) аналогичная оценка качества составляет 4,5 балла, а для кодеров сотовых систем (4,8...13 кбит/с) — 3,5...3,8 балла).

Сетевые аспекты и интеграция с другими сетями

Беспроводная связь, в противоположность сотовой, ориентирована в первую очередь на предоставление доступа, а не на создание полносвязных сетей. Поэтому в стандарте DECT нет необходимой детализации всех сетевых процедур и описания возможных архитектур для реализации конкретных профилей услуг.

Выбор рабочих каналов

По определению, системы DECT предназначены для передачи высококачественной речи и трафика данных в условиях значительной плотности абонентов. В такой сети нагрузка априори распределена неравномерно, и ее пиковые значения изменяются во времени и в пространстве. Поэтому для обеспечения надежной связи необходимо организовать динамический поиск каналов.

Используемый в сетях сотовой связи алгоритм частотного планирования, основанный на фиксированном распределении каналов FCA (Fixed Channel Allocation), непригоден для DECT-систем вследствие чрезвычайно малых размеров сот последних. Кроме того, когда частоты уже назначены, отследить какие-либо изменения в конкретных сотах практически невозможно.

И здесь важным преимуществом систем DECT (по сравнению с сотовыми) является возможность работы в безлицензионном диапазоне без предварительного планирования частот. Фактически, сама сеть DECT с адаптивными динамическими алгоритмами выбора каналов DCA (Dynamic Channel Allocation) выполняет функции частотного планирования.

Теоретически, общее число дуплексных каналов одной системы DECT равно 120 (12 интервалов, 10 несущих частот), однако это — идеальный случай, возможный лишь при отсутствии помех от работающих передатчиков и других DECT-систем (две различные сети DECT, работающие на одной территории, необходимо синхронизировать для уменьшения потерь емкости из-за взаимного влияния).

Связь в DECT-системах организована следующим образом. Абонентская станция постоянно сканирует 120 рабочих каналов, определяя тот, у которого уровень помех минимален. Когда абонент поднимает телефонную трубку, начинается процесс установления соединения. При этом АС выбирает свободные от помех интервалы (с 12 по 23) и несущую частоту (из набора 0 — 9) для посылки вызова на базовую станцию, с которой она синхронизирована. Для ответа БС использует соответственно интервалы 0 — 11 и ту же самую частоту, которая выбрана АС.

Распределение частот и «слепые» интервалы

Когда станция занимает канал, остальные интервалы на этой частоте помечаются как «слепые» (blind slot) и не могут быть заняты другими станциями. Такой эффект иллюстрирует рис. 9, где черным цветом помечены частоты 5 и 1, выбранные в интервалах 2 и 8. Все остальные частоты в данном временном интервале помечены зеленым цветом и являются запрещенными. Чтобы информировать о занятых интервалах другие станции соты, БС периодически передает эту информацию как контрольную в А-поле кадра (см. «Сети», 2000, 12, с. 32, рис. 5).

Абонентская станция осуществляет поиск возможных частотных интервалов в каждом кадре, чтобы определить пригодность канала, но после захвата этого канала для передачи она не может контролировать другие частоты в занятом временном интервале. Более того, она не может использовать для приема и два соседних интервала, расположенных слева и справа от рабочего (рис. 10).

Запрещенные соседние интервалы

Прежде чем выбрать канал связи, АС выполняет измерение уровней сигналов (RSSI, Radio Signal Strengh Indicator) от базовых станций и выбирает наибольший. Уровень радиосигнала — главный критерий, определяющий пригодность радиоканала для связи. Динамический диапазон приемника определен стандартом DECT как 60 дБ: минимальный уровень составляет -93, а максимальный -33 дБм (относительно 1 мВт). Результаты этих измерений, фактически оценка помеховой обстановки, заносятся в базу данных и постоянно обновляются.

Переключение с одной базовой станции на другую осуществляется в том случае, когда качество канала становится ниже, чем допустимое. Из-за малых размеров ячеек в такой сети можно реализовать множество хэндоверов, но для повышения эффективности организации связи используется децентрализованная процедура переключения MCHO (Mobile-Controlled Handover), минимизирующая их число. Процедура выполняется на абонентской станции: АС измеряет уровень принимаемого от БС сигнала и принимает решение, какой и где хэндовер необходим.

Интеграция = применение

Современные системы стандарта DECT чаще всего используются не сами по себе — они связаны с другими сетями (ТфОП, ISDN, X.25, локальными сетями передачи данных и GSM).

DECT и ТФОП. В тех случаях, когда прокладка кабельных линий для подключения стационарных абонентов к ТФОП по какой-либо причине невозможна, применяются системы абонентского радиодоступа. Такая сеть обычно состоит из контроллера, связанного с местной АТС, сети базовых станций и абонентских терминалов. В системе часто используются направленные антенны, а радиус зоны покрытия одной базовой станции может составлять до 5 км.

Беспроводная УАТС обеспечивает персонал предприятия связью в тех случаях, когда на его территории нельзя создать проводную стационарную сеть или когда служащие должны перемещаться по этой территории. Такая сеть обычно состоит из учрежденческой АТС (УАТС), сети базовых станций, носимых абонентских станций либо стационарных абонентских радиоблоков, к которым подключены стандартные абонентские устройства — телефон, факс, модем и т.д. Одно абонентское устройство может работать в разных сетях (домашних, офисных, абонентского доступа).

Сети абонентского доступа предназначены для обслуживания районов с небольшим числом абонентов, и их базовое оборудование может быть как стационарного, так и мобильного исполнения. Например, с помощью стационарных БС можно обеспечить экономичную телефонизацию отдельных поселков в сельской местности.

DECT и ISDN. Организация взаимодействия с ISDN реализуется с помощью блока межсетевого обмена IWU, в функции которого входит конвертирование протоколов двух систем. Принципы взаимодействия поясняются на рис. 11, где приведен стек протоколов, используемый на стороне абонента (U-plane), для следующей элементарной конфигурации DECT-системы: стационарная часть — DFS, абонентская - DPS. Устройство DPS в данной схеме выполняет функции ISDN-терминала.

Принципы взаимодействия ISDN и DECT при передаче речи (а) и данных (б) Обозначения: DFS (DECT Fixed System) — стационарная часть DECT- системы; DLC (Data Link Control) — управление каналом передачи данных; DPS (DECT Portable System) — портативная часть DECT-системы; IWU (Internetworking Unit) — устройство межсетевого обмена; MAC (Media Access Control) — управление доступом к среде; NWL — сетевой уровень; PHL — физический уровень

Чтобы обеспечить передачу потока ISDN со скоростью 64 кбит/с, необходимо в каждом кадре передать 640 бит, поскольку в стандарте DECT длина кадра составляет 10 мс. В связи с тем что в одном временном интервале можно передать лишь 480 бит, для достижения нужной пропускной способности требуются дополнительные операции, например агрегирования двух слотов (пакет P80 на рис. 4 в первой части статьи).

DECT и GSM 900/1800. Сопряжение GSM и DECT можно обеспечить разными способами, однако наиболее простой из них — использование двухмодового терминала, работающего на частотах обеих систем (рис. 12). Данный терминал отличается от GSM-трубки только наличием дополнительного радиоблока, который функционирует на частотах системы DECT (1900 МГц).

Структурная схема двухмодового терминала

Двухрежимный терминал может работать как в сети GSM, так и в системе DECT, причем выбор того или иного стандарта определяется встроенным алгоритмом работы этого терминала. Первая попытка вхождения в связь обычно выполняется для DECT-системы. Такое предпочтение обусловлено назначением DECT-связи (ближняя связь), а также ее более высоким качеством и низкими тарифами. При неудачной попытке двухмодовый терминал регистрируется в сети GSM стандартным для абонента GSM образом.

В дежурном режиме терминал периодически сканирует частоты в диапазонах 900/1800 МГц (GSM) и 1900 МГц (DECT), принимая сигналы из обеих сетей. Проблема корректного использования каждого сигнала решается с помощью устройства межсетевого обмена, которое обеспечивает конвертирование протоколов управления вызовами (СС) и мобильностью (MM).

Функционально двухмодовый терминал состоит из трех компонентов: двух радиоблоков, общего блока управления и телефонной трубки. Каждый из радиоблоков поддерживает один из стандартов (GSM и DECT), осуществляя прием и передачу радиосигналов в заданном диапазоне. Блок управления осуществляет обработку речевых сигналов, канальное кодирование и другие традиционные для обеих систем функции (для каждой системы имеется свой сигнальный процессор).

Микротелефонная трубка, используемая в двухмодовом терминале, является стандартной, т.е. такой же, как в обычных GSM-терминалах. И хотя никаких модификаций не требуется, программное обеспечение необходимо настроить на двухрежимную работу. Кроме того, считыватель SIM-карты должен быть способен взаимодействовать с модулем аутентификации DECT (DAM).

Основная сложность интеграции GSM и DECT заключается в необходимости перекодирования речевого сигнала путем цифрового преобразования. Задача облегчается тем, что в GSM уже предусмотрен блок перекодирования и адаптации по скорости передачи TRAU (Transcoding Rate Adaptation Unit), который преобразует поток со скоростью 13 кбит/c (RPE-LTP) в стандартные ИКМ-сигналы, передаваемые со скоростью 64 кбит/c. Далее - с помощью алгоритмов, заложенных в DECT-системе — эти сигналы легко преобразуются в поток со скоростью 32 кбит/c (AДИКМ).

***

В настоящее время усилия разработчиков технологии DECT направлены на расширение услуг передачи данных и увеличение пропускной способности каналов до 2,304 и 3,456 Мбит/с. Как следствие, наиболее востребованными оказались профили доступа, связанные с пакетной передачей (DPRS), мультимедиа (DMAP) и доступом в сеть Internet. Особенности систем на базе этих профилей пока активно исследуются, но в ближайшее время их аппаратные реализации должны появиться на телекоммуникационном рынке.

Вернуться

Беспроводный доступ: краткий терминологический словарь

I

Вернуться