1G → 5G mobil rabitə nəsilləri: nə dəyişirdi

Telekom trekinin əvvəlki səkkiz kursunda biz naqilli və paket rabitəsinin bütün yolunu keçdik — mis abunəçi xəttindən, E1 (2048 kbit/s) rəqəmsal traktlarından və SS7 siqnalizasiyasından tutmuş RTP media axınlarına, SIP protokoluna və NGN (Softswitch + MGW + SGW) operator nüvəsinə qədər. Bu kursdan etibarən abunəçimiz naqili kəsir və avtomobil və ya təyyarə sürəti ilə şəhər, ölkə və bütün dünya üzrə sərbəst hərəkət etməyə başlayır. Bu dərsdə biz mobil rabitənin beş nəslinin (1G → 5G) tam mühəndis xəritəsini quracağıq: niyə hər ~10 ildən bir operatorların radiointerfeysi tamamilə dəyişməli olduğunu, şəbəkə nüvəsinin xalis kanal kommutasiyasından (CS) ikidomenli arxitekturaya (2G/3G-də CS + PS) və xalis paket nüvəsinə (4G/5G-də All-IP PS) necə təkamül etdiyini, həmçinin 2G GSM və 3G UMTS şəbəkələrinin niyə bu günə qədər qlobal rouminqin, səsli rabitənin, SMS-in və maşınlararası qurğuların (M2M/IoT) təməli olaraq qaldığını araşdıracağıq.

Məqsəd və nəyi bilmək lazımdır

Dərsin məqsədi: mobil rabitənin beş nəslini (1G–5G) dörd fundamental mühəndis oxu üzrə — çoxlu radiogiriş üsulu, nüvənin kommutasiya domenləri arxitekturası (CS / PS), abunəçinin identifikasiyası və təhlükəsizlik mexanizmi və səs ilə verilənlərin ötürülməsi üsulu üzrə sistemli şəkildə fərqləndirməyi öyrənmək, həmçinin müasir çoxstandartlı operator şəbəkəsində 2G GSM və 3G UMTS texnologiyalarının yerini anlamaq.

Başlamazdan əvvəl nəyi bilmək lazımdır:

• «Telekommunikasiyanın əsasları» kursundan (telbasics 1–8, 27) tezlik, buraxma zolağı, analoq və rəqəmsal modulyasiya, TDM zaman bölgüsü və 64 kbit/s əsas rəqəmsal kanalı anlayışlarını;
• «SS7 siqnalizasiyası» kursundan (ss7 1, 4, 56, 70) danışıq traktı ilə SS7 (MTP, SCCP, TCAP, ISUP) siqnalizasiya şəbəkəsinin ayrılması prinsipini;
• «NGN şəbəkələri və Softswitch» kursundan (ngn 1–4) zəngin idarə edilməsi ilə media axınının ayrılması (Softswitch / MGC + MGW) ideyasını.

Həyatdan tapşırıq

Siz milli mobil operatorun nüvə şəbəkəsi üzrə aparıcı arxitektorusunuz. Şirkət radiotezlik spektrinin refarminqi (900 və 2100 MHs tezliklərinin 4G LTE və 5G NR altına keçirilməsi) və kommutasiya nüvəsinin modernləşdirilməsi üzrə beşillik strategiya hazırlayır. İclasda maliyyə direktoru birbaşa sual verir:

1. «Bizdə artıq 4G LTE və 5G şəbəkələri qurulub. Niyə biz hələ də 2G/3G qovşaqlarını — BSC/RNC kontrollerlərini, MSC/VLR kommutatorlarını, HLR registrlərini, STP siqnal marşrutlayıcılarını və MAP/CAP protokollarını saxlayırıq? Niyə sabah səhər 2G və 3G-ni sadəcə söndürə bilmərik?»
2. Məlum olur ki, şəbəkədə yalnız 2G/3G dəstəkləyən 450 000 sənaye modemi (ağıllı elektrik sayğacları, POS-terminallar, avtomobil eCall blokları) işləyir; bundan əlavə, smartfonların təxminən 35%-i (xüsusən VoLTE Roaming sazişi olmayan beynəlxalq rouminqdə) hər gələn və ya çıxan zəng zamanı CSFB (Circuit Switched Fallback) proseduru ilə avtomatik olaraq 4G LTE-dən 2G/3G radioşəbəkəsinə düşür!

Şəbəkə arxitekturasını əsaslandırılmış şəkildə müdafiə etmək və miqrasiyanı planlaşdırmaq üçün 1G → 5G nəsillərinin təkamülünü və hər nəsildə hansı mexanizmlərin yarandığını dəqiq başa düşmək lazımdır.

1G-dən 5G-yə təkamülün dörd mühəndis oxu

Mobil rabitədə nəsil nömrəsinin («G» — Generation) dəyişməsi təxminən hər on ildən bir baş verir və heç vaxt sadəcə «İnternet sürətinin artması» ilə məhdudlaşmır. Yeni nəsil o zaman elan edilir ki, şəbəkənin dörd baza komponenti eyni vaxtda dəyişsin:

1. Radiointerfeys və çoxlu giriş üsulu (Air Interface & Multiple Access): bir baza stansiyası sektorundakı onlarla və yüzlərlə telefonun bir-birini batırmadan ümumi radiomühiti necə bölməsi (FDMA tezlik bölgüsü, TDMA zaman bölgüsü, CDMA/WCDMA kod bölgüsü və ya OFDMA ortoqonal tezlik bölgüsü).
2. Nüvənin kommutasiya domenləri arxitekturası (Core Network Switching Domains): trafikin operator şəbəkəsi daxilində necə daşınması — kanal kommutasiyalı ayrılmış telefon kanalları ilə (CS — Circuit Switched), paralel səs və paket domenləri ilə (CS + PS) və ya vahid paket nüvəsi ilə (All-IP PS — Packet Switched).
3. İdentifikasiya və kriptoqrafik təhlükəsizlik (Identity & Security): abunəçinin kimliyinin harada saxlanılması (telefonun korpusuna lehimlənməsi və ya çıxarıla bilən SIM / USIM / eSIM kriptoprosessoruna çıxarılması), radioefirin şifrlənib-şifrlənməməsi və telefonun baza stansiyasının həqiqiliyini yoxlayıb-yoxlamaması.
4. Xidmətlər dəsti və ötürmə sürəti (Services & Data Rates): xalis analoq səsdən SMS qısa mesajlarına, mobil İnternetə, IP üzərindən səsə (VoLTE / VoNR) və sənaye avtomatikası üçün şəbəkə dilimləməsinə (Network Slicing) qədər.

Gəlin bu mühəndis pilləkəninin bütün beş pilləsini ardıcıllıqla nəzərdən keçirək.

1G (1980-ci illər): analoq hüceyrəvi rabitə (NMT, AMPS, TACS)

Mobil rabitənin birinci nəsli hərəkətdə olarkən avtomatik hüceyrəvi telefoniyanın mümkünlüyünü sübut etdi: şəhər ərazisi ilk dəfə tezliklərin təkrar istifadəsi ilə hüceyrələrə (cells) bölündü, kommutator isə hərəkət edən avtomobildəki danışığı bir baza stansiyasından digərinə kəsilmədən keçirməyi (hendover — Handover) öyrəndi.

Lakin daxildən 1G xalis analoq radiosistem olaraq qalırdı:

• Çoxlu giriş: xalis FDMA (Frequency Division Multiple Access). Hər telefon danışığına eni $25\text{ kHs}$ (Skandinaviya NMT-450 / NMT-900 standartında) və ya $30\text{ kHs}$ (Amerika AMPS standartında) olan ayrıca dar radiodaşıyıcı ayrılırdı və səs adi analoq tezlik modulyasiyası (FM) ilə ötürülürdü — eynilə FM radiostansiyasında olduğu kimi.
• 1G-nin üç ölümcül çatışmazlığı:
  1. Spektrin son dərəcə aşağı tutumu: baza stansiyasının bir qəbuledici-ötürücüsü yalnız bir danışıq apara bilərdi. Böyük şəhərdə boş tezliklər dərhal tükənirdi.
  2. Təhlükəsizliyin və SIM kartların tam olmaması: telefonda SIM kart yox idi — cihazın zavod seriya nömrəsi (ESN) efirə açıq mətnlə ötürülürdü, danışıq isə şifrlənmirdi. Skineri olan istənilən radiohəvəskar başqasının danışığını dinləyə bilirdi, dələduzlar isə efirdə ESN-i ələ keçirib «klonlaşdırılmış» telefonlara yazır və qurbanın hesabına zəng edirdilər.
  3. Standartların uyğunsuzluğu (beynəlxalq rouminqin olmaması): Skandinaviyada və SSRİ/MDB-də NMT, Böyük Britaniyada TACS, Almaniyada C-Netz, Fransada Radiocom 2000, ABŞ-da isə AMPS işləyirdi. Bir ölkənin telefonu qonşu ölkədə yararsız kərpicə çevrilirdi.

2G (1991-ci il): rəqəmsal GSM inqilabı, SIM kart, SMS və paket domeninin (GPRS/EDGE) yaranması

Bir-biri ilə uyğunlaşmayan analoq şəbəkələr xaosuna son qoymaq üçün 1982-ci ildə Avropa Poçt və Telekommunikasiya Administrasiyaları Konfransı (CEPT) Groupe Spécial Mobile (GSM) işçi qrupunu yaratdı (sonradan Global System for Mobile Communications kimi açıldı və ETSI institutuna, daha sonra isə 3GPP konsorsiumuna təhvil verildi). 2G GSM şəbəkəsində ilk kommersiya zəngi 1 iyul 1991-ci ildə Finlandiyada (Radiolinja operatoru) baş tutdu.

1G-dən 2G-yə keçid mobil rabitə tarixində ən fundamental sıçrayış oldu:

• Rəqəmsal səs və FDMA + TDMA hibridi: tezlik zolağı (əvvəlcə 900 MHs, sonra 1800 MHs və 1900 MHs) hər biri $200\text{ kHs}$ enində olan radiodaşıyıcılara bölünür, hər daşıyıcı isə zaman üzrə hər biri $576{,}92\text{ mks}$ davam edən 8 TDMA taymslotuna (kadr $4{,}615\text{ ms}$) bölünür. Səs rəqəmsallaşdırılır və vokoderlə sıxılır (FR $13\text{ kbit/s}$, EFR $12{,}2\text{ kbit/s}$, AMR $4{,}75\text{–}12{,}2\text{ kbit/s}$), bunun sayəsində baza stansiyasının bir qəbuledici-ötürücüsü eyni vaxtda 8 (yarım-sürətli HR rejimində isə 16-ya qədər) danışığa maneələrdən və dinləmədən mühafizə ilə xidmət edir!
• Abunəçinin telefon aparatından ayrılması — SIM kartın ixtirası: abunəçinin kimliyi (ITU-T E.212 standartı üzrə IMSI) və məxfi 128-bitlik Ki açarı telefondan çıxarılaraq qorunan mikroprosessorlu smart-karta — SIM (Subscriber Identity Module) kartına köçürüldü. Bu, telefonu saniyələr içində dəyişməyə, abunəçinin həqiqiliyini A3/A8 alqoritmləri ilə yoxlamağa və radioefiri A5 axın şifri ilə şifrləməyə imkan verdi, SS7 şəbəkəsi üzərindən işləyən MAP (Mobile Application Part) protokolu sayəsində isə qlobal beynəlxalq rouminq işə düşdü.
• SMS qısa mesaj xidməti: əvvəlcə radioşəbəkənin siqnal kanalları vasitəsilə 160 latın simvoluna (140 bayt) qədər mətn bildirişlərinin çatdırılması üçün köməkçi mexanizm kimi düşünülən SMS planetin ən kütləvi rəqəmsal xidmətinə çevrildi.
• 2.5G (GPRS) və 2.75G (EDGE) mərhələlərinə təkamül: GSM-in ilk versiyalarında verilənlər yalnız kanal kommutasiyası rejimində (CSD $9{,}6\text{ kbit/s}$) tam bir səs taymslotunu tutmaqla ötürülürdü. 1990-cı illərin ikinci yarısında GPRS (General Packet Radio Service) üstqurumu şəbəkəyə $80\text{–}171\text{ kbit/s}$-ə qədər sürətlə ikinci, paralel paket nüvə domenini (PS Core: SGSN və GGSN qovşaqları, GTP tunelləmə protokolu) əlavə etdi, EDGE (EGPRS) texnologiyası isə 8PSK faza modulyasiyası (GMSK-dakı 1 bit əvəzinə simvol başına 3 bit) hesabına həmin $200\text{ kHs}$ kanalında sürəti $236\text{–}384\text{ kbit/s}$-ə (8 taymslotda pik olaraq $473\text{ kbit/s}$-ə) qaldırdı.

# Radiotezlik spektrinin tutumu hesabatı (1 MHs zolaq): analoq 1G qarşı rəqəmsal 2G GSM
spectrum_capacity_comparison_1mhz:
  1G_amps_analog:
    carrier_bandwidth_khz: 30
    channels_per_carrier: 1
    total_voice_channels_in_1mhz: 33 # 1000 kHs / 30 kHs = 33 analoq danışıq
  2G_gsm_digital:
    carrier_bandwidth_khz: 200
    carriers_in_1mhz: 5              # 1000 kHs / 200 kHs = 5 ARFCN daşıyıcısı
    tdma_timeslots_per_carrier: 8
    total_channels_full_rate: 40     # 5 * 8 = 40 tam sürətli kanal (FR/EFR/AMR)
    total_channels_half_rate: 80     # 5 * 16 = 80 yarım sürətli kanal (HR/AMR-HR)

3G (2001-ci il): genişzolaqlı UMTS/HSPA girişi, qarşılıqlı autentifikasiya və R4 arxitekturası

2000-ci illərin əvvəlinə doğru GSM kanalının dar zolağı ($200\text{ kHs}$) mobil veb, elektron poçt və multimedia üçün fiziki olaraq kifayət etmirdi. 3GPP konsorsiumu Release 99 spesifikasiyalarında üçüncü nəsil UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) standartını yaratdı:

• WCDMA (Wideband CDMA) genişzolaqlı kod girişi: spektri $200\text{ kHs}$-lik dar zolaqlara və taymslotlara doğramaq əvəzinə, 3G sektorunun bütün abunəçiləri eyni vaxtda ümumi geniş $5\text{ MHs}$ zolağında (çip sürəti $3{,}84\text{ Mçip/s}$) ötürmə aparır, onların kanalları isə riyazi olaraq — OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor) ortoqonal kodları ilə ayrılır. Qonşu baza stansiyaları (NodeB) eyni $5\text{ MHs}$ tezliyində işlədiyindən, hüceyrələrin sərhədindəki telefon eyni vaxtda 2–3 qüllə ilə radiorabitə saxlaya bilir (yumşaq hendover — Soft Handover, Make-before-Break prinsipi).
• USIM AKA qarşılıqlı autentifikasiyası: 2G GSM-də yalnız şəbəkə telefonu yoxlayırdı, lakin telefon baza stansiyasının həqiqiliyini yoxlaya bilmirdi (IMSI-catcher saxta baza stansiyalarına qarşı zəiflik). 3G-də USIM tətbiqi 5-elementli vektorlarla (kvintetlərlə) işləyən UMTS AKA protokoluna keçdi: burada AUTN tokeni telefonun özünə qarşısında doğma operatorun həqiqi şəbəkəsinin olduğunu kriptoqrafik olaraq yoxlamağa imkan verir, siqnal mesajlarının bütövlüyü isə ayrıca 128-bitlik IK açarı ilə qorunur.
• İkidomenli nüvənin (CS + PS) saxlanılması və 3GPP Release 4-də NGN-ə keçid: yeni UTRAN (NodeB + RNC kontrolleri) radioşəbəkəsi mövcud nüvənin hər iki domeninə eyni vaxtda qoşuldu — Iu-CS interfeysi ilə səs kommutatoru MSC-yə və Iu-PS interfeysi ilə paket qovşağı SGSN-ə. Artıq 3GPP Release 4 (R4) buraxılışında isə monolit MSC kommutatoru NGN prinsipləri üzrə idarəedici MSC Server (MSS) serverinə və MGW media şlüzünə (BICC / SIP-I və H.248 protokolları) bölündü.
• 3.5G HSPA və 3.75G HSPA+ sürətlənməsi: Release 5–7-də HSDPA / HSUPA / HSPA+ texnologiyaları paket planlaşdırıcısını və sürətli HARQ təkrarlarını RNC kontrollerindən birbaşa NodeB baza stansiyasına köçürdü, ötürmə intervalını (TTI) $2\text{ ms}$-yə endirdi və 16QAM / 64QAM modulyasiyası ilə MIMO-nu tətbiq edərək mobil İnterneti $384\text{ kbit/s}$-dən $14{,}4 \rightarrow 21 \rightarrow 42\text{ Mbit/s}$-ə (iki daşıyıcılı Dual-Carrier rejimində $84\text{ Mbit/s}$-ə) çatdırdı.

4G (2009-cu il): yastı LTE / EPC arxitekturası və kanal kommutasiyası domenindən imtina (All-IP)

3GPP Release 8-də (LTE — Long Term Evolution standartı və EPC — Evolved Packet Core paket nüvəsi) GSM-in yaranmasından bəri ən radikal arxitektura islahatı baş verdi:

• OFDMA radiointerfeysi və 20 MHs-ə qədər geniş zolaqlar: WCDMA kod bölgüsünü aşağı kanalda OFDMA (yuxarı kanalda SC-FDMA) ortoqonal tezlik girişi əvəz etdi; $1{,}4$-dən $20\text{ MHs}$-ə qədər çevik kanal eni (LTE-Advanced-də Carrier Aggregation daşıyıcıların birləşdirilməsi ilə $100\text{ MHs}$-ə qədər) $150\text{ Mbit/s}$-dən $1\text{ Gbit/s}$-ə qədər sürət və radioşəbəkədə $10\text{ ms}$-dən az gecikmə təmin etdi.
• Yastı E-UTRAN radioşəbəkəsi (BSC/RNC kontrollerləri olmadan): 4G-də aralıq baza stansiyaları kontrolleri qovşağı tamamilə ləğv edildi — radioresursların idarə edilməsi məntiqi birbaşa eNodeB baza stansiyasına köçdü və o, S1 interfeysi ilə birbaşa EPC nüvəsinə qoşuldu.
• Kanal kommutasiyası domeninin (CS Domain) tam ləğvi: 4G EPC nüvəsində (MME, SGW, PGW qovşaqları və Diameter protokolu üzərində HSS bazası) yalnız paket domeni (All-IP PS Only) qaldı! LTE-də fiziki olaraq nə MSC kommutatorları, nə də ayrılmış $64\text{ kbit/s}$ səs kanalları var. Buna görə də 4G şəbəkəsində adi telefon zəngini və SMS-i ötürmək üçün iki yoldan istifadə olunur:
  1. VoLTE (Voice over LTE): səs SIP protokolu üzərində IMS (IP Multimedia Subsystem) multimedia altsisteminin idarəetməsi altında prioritetli RTP IP axını kimi ötürülür.
  2. CSFB (Circuit Switched Fallback): əgər smartfon, rouminq tərəfdaşı və ya şəbəkə sahəsi VoLTE dəstəkləmirsə, hər gələn və ya çıxan zəng zamanı MME (4G) qovşağı xüsusi SGs interfeysi vasitəsilə klassik MSC/VLR (2G/3G) ilə razılaşır və telefona danışıq müddətində 4G LTE-dən 2G GSM və ya 3G UMTS radioşəbəkəsinə «tullanmağı» əmr edir!

5G (2019-cu il): 5G NR, bulud əsaslı xidmət nüvəsi 5GC (SBA) və efirdə kimliyin şifrlənməsi

Beşinci nəsil (3GPP Release 15+: 5G NR — New Radio radiointerfeysi və 5GC — 5G Core nüvəsi) artıq təkcə smartfonlar üçün deyil, ITU-nun (IMT-2020) üç tapşırıq sinfi üçün layihələndirilib: ultra-genişzolaqlı mobil rabitə (eMBB — $10\text{–}20\text{ Gbit/s}$-ə qədər), sənaye və nəqliyyat üçün ~$1\text{ ms}$ aşağı gecikməli ultra-etibarlı rabitə (URLLC) və kütləvi əşyaların interneti (mMTC — hər $\text{km}^2$-ə $1\text{ mln}$ qurğuya qədər).

• Çevik 5G NR radiointerfeysi: miqyaslana bilən altdaşıyıcı addımlı ($\text{SCS} = 15, 30, 60, 120\text{ kHs}$) OFDMA, həm klassik FR1 (Sub-6 GHs, $100\text{ MHs}$-ə qədər zolaqlar), həm də millimetrlik FR2 (mmWave $24\text{–}40\text{ GHs}$, $400\text{ MHs}$-ə qədər zolaqlar) diapazonlarında iş, dar şüaların formalaşdırılması (Beamforming) ilə çoxelementli Massive MIMO antena qəfəsləri.
• Nüvənin xidmət-yönümlü arxitekturası (SBA — Service-Based Architecture): 5GC-də ənənəvi telekom qovşaqları bulud şəbəkə funksiyaları (AMF, SMF, UPF, UDM, AUSF, NRF) ilə əvəz olunub; onlar öz aralarında veb-mikroxidmətlər kimi HTTP/2 və JSON (REST API) protokolu ilə ünsiyyət qurur, UPF istifadəçi müstəvisi isə idarəetmədən tamamilə ayrılıb (CUPS), bu da fiziki şəbəkəni təcrid olunmuş virtual qatlara (Network Slicing) bölməyə imkan verir.
• Sonuncu identifikasiya boşluğunun bağlanması (SUPI → SUCI): 2G, 3G və hətta 4G LTE şəbəkələrində ən birinci qeydiyyat zamanı (telefonun hələ müvəqqəti TMSI/GUTI təxəllüsü olmayanda) telefon öz həqiqi daimi IMSI kodunu bir dəfə radioefirdə açıq mətnlə ötürməyə məcbur idi. 5G-də daimi SUPI identifikatoru heç vaxt efirdə açıq ötürülmür — USIM kartı onu ev operatorunun açıq açarı ilə (ECIES sxemi) müvəqqəti şifrlənmiş SUCI (Subscription Concealed Identifier) zərfinə şifrləyir.

# Mobil nəsillərin təkamülünün mühəndis xülasəsi (1G -> 5G)
mobile_generations_audit:
  1G_analog:
    era: "1980-ci illər (NMT-450/900, AMPS, TACS)"
    air_interface: "FDMA (analoq FM, 25/30 kHs kanal)"
    core_domain: "Yalnız CS (analoq kanal kommutasiyası)"
    security: "Yoxdur (SIM yoxdur, açıq radioefir)"
  2G_gsm:
    era: "1991+ (3GPP TS 45/23/24/29 seriyaları: GSM, GPRS, EDGE)"
    air_interface: "FDMA + TDMA (200 kHs daşıyıcı = 8 taymslot), GMSK / 8PSK"
    core_domain: "CS (MSC/VLR, GMSC, HLR, MAP/BSSAP) + 2.5G PS (SGSN, GGSN, GTP)"
    security: "SIM kart (IMSI, Ki), birtərəfli A3/A8 autentifikasiyası (tripletlər), A5 şifri"
  3G_umts:
    era: "2001+ (3GPP Rel-99..Rel-10: UMTS, HSDPA, HSUPA, HSPA+)"
    air_interface: "WCDMA (5 MHs zolaq, 3.84 Mçip/s, OVSF kodları, Soft Handover)"
    core_domain: "İkidomenli nüvə: CS (R4 MSC Server + MGW, RANAP) + PS (SGSN + GGSN)"
    security: "USIM, qarşılıqlı UMTS AKA autentifikasiyası (kvintetlər: RAND, XRES, CK, IK, AUTN)"
  4G_lte:
    era: "2009+ (3GPP Rel-8+: LTE, LTE-Advanced)"
    air_interface: "OFDMA (DL) / SC-FDMA (UL), 1.4..20 MHs zolaq (+CA), yastı eNodeB şəbəkəsi"
    core_domain: "Yalnız All-IP PS (EPC: MME, SGW, PGW, HSS/Diameter); səs = VoLTE (IMS) və ya 2G/3G-yə CSFB"
    security: "USIM/ISIM, EPS-AKA, Kasme açarlar iyerarxiyası"
  5G_nr:
    era: "2019+ (3GPP Rel-15+: 5G NR, 5GC)"
    air_interface: "Çevik SCS addımlı OFDMA (Sub-6 GHs 100 MHs-dək, mmWave 400 MHs-dək), Massive MIMO"
    core_domain: "Bulud 5GC nüvəsi (HTTP/2 + JSON üzərində SBA: AMF, SMF, UPF, UDM), Network Slicing, səs = VoNR"
    security: "5G-AKA, daimi identifikatorun efirdə şifrlənməsi (SUPI -> SUCI)"

1G → 5G nəsillərinin müqayisəli matrisi

Bütün beş nəslin əsas texniki parametrlərini vahid mühəndis cədvəlində birləşdirək:

Nüvənin təkamülü: CS və PS domenləri necə dəyişirdi

gsm kursunun arxitekturasını başa düşmək üçün nəsillər boyu dayaq şəbəkəsinin (Core Network) quruluşunun necə dəyişdiyinə baxaq. Mobil nüvənin bütün tarixi üç mərhələyə sığır:

1. Mərhələ 1 — Xalis kanal kommutasiyası domeni (CS Only: 1G və 1990-cı illərin əvvəlindəki erkən 2G GSM):
   * Bütün şəbəkə PSTN/ISDN telefon şəbəkəsi və SS7 siqnalizasiyası nümunəsində qurulub.
   * BSS (BTS + BSC) radioaltsistemi A interfeysi ilə MSC/VLR mobil kommutatoruna qoşulur; o, MAP protokolu ilə HLR/AuC ev registrindən abunəçi profilini sorğulayır və $64\text{ kbit/s}$ səs kanallarını ISUP protokolu ilə xarici şəbəkəyə kommutasiya edir.
   * Əgər abunəçiyə verilənləri ötürmək lazımdırsa (faks və ya CSD $9{,}6\text{ kbit/s}$ modem birləşməsi), bütün sessiya müddətində onun üçün tam bir səs kanalı rezerv edilir!
2. Mərhələ 2 — İkidomenli nüvə (Dual-Domain CS + PS: 2.5G GPRS/EDGE və 3G UMTS/HSPA — kursumuzun predmeti!):
   * GPRS-in tətbiqindən başlayaraq və bütün 3G UMTS şəbəkələrində operatorun nüvəsi ümumi HLR / AuC abunəçi bazasına söykənən iki paralel domenə bölünür:
   * Kanal kommutasiyası domeni (CS Domain — Circuit Switched): MSC/VLR və GMSC qovşaqları (3GPP Release 4 arxitekturasında isə ayrılmış MSC Server + MGW media şlüzü cütü). CS domeni üzərindən bütün səsli zənglər, USSD sorğuları (*100#), klassik SMS-lər və CAMEL (CAP protokolu) onlayn tarifikasiyası keçir.
   * Paket kommutasiyası domeni (PS Domain — Packet Switched): GTP (GPRS Tunnelling Protocol) IP tunelləri ilə əlaqələndirilmiş xidmətedici SGSN qovşağı və şlüz GGSN qovşağı. PS domeni üzərindən bütün mobil İnternet trafiki (dəqiqəlik deyil, ötürülən meqabaytların həcminə görə tarifikasiya olunan!) keçir.
   * Eyni zamanda hər iki radioşəbəkə — həm 2G GERAN (BTS + BSC), həm də 3G UTRAN (NodeB + RNC) — eyni vaxtda həm CS domeninə (A və Iu-CS interfeysləri), həm də PS domeninə (Gb və Iu-PS interfeysləri) qoşulub.
3. Mərhələ 3 — Xalis paket nüvəsi (All-IP PS Only: 4G LTE EPC və 5G Core):
   * 4G və 5G-də CS kanal kommutasiyası domeni nüvədən tamamilə çıxarılıb — yalnız paket şlüzləri (4G-də SGW/PGW, 5G-də UPF) və mobilliyi idarəetmə qovşaqları (4G-də MME, 5G-də AMF/SMF) qalıb.
   * Səs IMS (VoLTE / VoNR) kompleksi üzərində IP tətbiqlərindən birinə çevrilib, klassik dünya ilə əlaqə və düyməli telefonlara, roumerlərə və M2M qurğularına xidmət üçün isə 4G nüvəsi SGs interfeysi vasitəsilə məhz 2G/3G şəbəkələrinin həmin CS (MSC/VLR) domeni ilə birləşir!

💡 Arxitektura verdikti (dərsin tapşırığındakı maliyyə direktoruna cavab): Yalnız 4G/5G-dəki İnternet trafikinin payına baxaraq 2G/3G nüvəsini (MSC/VLR, HLR/HSS, STP, SMSC, MAP/CAP protokollarını) düşüncəsiz şəkildə söndürmək olmaz. Şəbəkədə yüz minlərlə sənaye 2G/3G M2M terminalı işlədikcə, smartfonların səsli zənglərinin bir hissəsi (xüsusən beynəlxalq rouminqdə) SGs interfeysi vasitəsilə MSC/VLR-ə CSFB geridönüşünə söykəndikcə, qlobal SMS çatdırılması, USSD və rouminq siqnalizasiyası isə SIGTRAN üzərindən MAP stekindən istifadə etdikcə, 2G/3G arxitekturası operator şəbəkəsinin daşıyıcı təməli olaraq qalır. Üstəlik, 4G və 5G-nin öz prinsipləri (IMSI/TMSI/LAI identifikatorları, qarşılıqlı AKA autentifikasiyası, GTP-U tunelləri və idarəetmə ilə media müstəvilərinin ayrılması) birbaşa 2G GSM və 3G UMTS-dən miras alınıb!

# 2G/3G spektrinin refarminqindən əvvəl asılılıqların auditi (maliyyə direktoruna cavab)
refarming_dependency_check:
  m2m_iot_fleet:
    active_devices: 450000
    supported_rat: "Yalnız 2G GSM / GPRS (ağıllı sayğaclar, POS, eCall)"
    impact_if_2g_shutdown: "450 000 sənaye obyekti ilə rabitənin tam itirilməsi"
  smartphone_voice_fallback:
    csfb_share_percent: 35
    interface_to_legacy_core: "SGs (4G MME ilə 2G/3G MSC/VLR arasında)"
    roaming_voice_dependency: "VoLTE Roaming olmadan roumerlərin bütün zəngləri CSFB ilə 2G/3G-yə keçir"
  signaling_and_messaging:
    global_roaming_and_sms: "SIGTRAN (M3UA/SCTP) üzərindən MAP və CAP, HLR/HSS, SMSC, USSD"
    recommended_strategy: "2G GSM-900 mühafizə qatını və CS/MAP nüvəsini saxlamaqla 3G 2100 MHs-in 4G/5G-yə mərhələli refarminqi"

Özünü-yoxlama sualları

1. Verilənlərin ötürülmə sürətindən başqa, 1G-dən 5G-yə qədər mobil rabitə nəsilləri hansı dörd əsas mühəndis oxu üzrə fərqlənir?
2. Niyə 1G analoq şəbəkələrində (NMT, AMPS) dinləmədən mühafizəni və kütləvi beynəlxalq rouminqi təmin etmək mümkün deyildi və 2G GSM-dəki hansı iki yenilik hər iki məsələni həll etdi?
3. 2G GSM-də ($200\text{ kHs}$ zolağında FDMA + TDMA) və 3G UMTS-də ($5\text{ MHs}$ zolağında WCDMA) radiokanalın bölünməsi üsulu arasında prinsipial fərq nədədir?
4. Niyə 2.5G GPRS və 3G UMTS şəbəkələrində operatorun nüvəsi iki paralel domenə (CS və PS) bölündü, onların hər birinə hansı qovşaqlar daxildir və hansı qovşaq onlar üçün ümumi qalır?
5. Niyə 4G LTE şəbəkəsinə qoşulmuş smartfon VoLTE dəstəyi olmadıqda (məsələn, rouminqdə) EPC nüvəsinin öz vasitələri ilə adi səsli zəng edə bilmir və CSFB proseduru ilə 2G/3G radioşəbəkəsinə keçməyə məcbur olur?

Qısa nəticələr

• 1G (1980-ci illər, NMT/AMPS): FDMA tezlik bölgüsü ($25\text{–}30\text{ kHs}$) ilə analoq FM səs, SIM kartsız, radioefirin şifrlənməsi və verilənlərin ötürülməsi olmadan, lakin tarixdə ilk hüceyrələr və avtomatik hendover ilə.
• 2G (1991+, GSM / GPRS / EDGE): rəqəmsal səsə və FDMA + TDMA hibridinə ($200\text{ kHs}$ kanalda $8\text{ taymslot}$) keçid, SIM kartın (IMSI, Ki açarı), A3/A8 autentifikasiyasının, A5 şifrləməsinin, SMS xidmətinin, MAP qlobal rouminq protokolunun yaranması və 2.5G GPRS / 2.75G EDGE-də paralel PS Core (SGSN + GGSN, GTP protokolu) paket domeninin doğulması.
• 3G (2001+, UMTS / HSPA+): yumşaq hendover (Soft Handover) ilə $5\text{ MHs}$ zolağında genişzolaqlı WCDMA kod radiointerfeysi, UTRAN (NodeB + RNC) radioşəbəkəsi, telefon və şəbəkənin qarşılıqlı USIM AKA (AUTN tokenli kvintetlər) autentifikasiyası və Release 4-də kommutatorun MSC Server + MGW qovşaqlarına bölünməsi.
• 4G (2009+, LTE / EPC) və 5G (2019+, 5G NR / 5GC): OFDMA radiointerfeysinə, BSC/RNC kontrollersiz yastı radioşəbəkəyə və CS kanal kommutasiyası domeni olmayan xalis paket All-IP nüvəsinə (EPC və bulud xidmət nüvəsi 5GC SBA) keçid (səs IMS VoLTE / VoNR vasitəsilə ötürülür və ya CSFB ilə 2G/3G-yə qaytarılır).