Telekomunikacja w skali femto

Femtocell to małe urządzenia, które mogą przyczynić się do zatarcia różnic między telefonią stacjonarną, internetową, komórkową i technologią dostępu do Internetu z urządzeń mobilnych.

Femtocell to małe urządzenia, które mogą przyczynić się do zatarcia różnic między telefonią stacjonarną, internetową, komórkową i technologią dostępu do Internetu z urządzeń mobilnych.

Istnieje już technologia łącząca zalety usług 3G w sieciach komórkowych z plusami posiadania własnej stacji bazowej obsługującej strefę domową. Stacja taka nie musi wykorzystywać dzierżawionej linii do kontrolera BSC, za to zadowoli się zwykłym łączem do Internetu. Ze względu na mniejszy zasięg niż pikokomórka nazwano ją femtocell (femtokomórka, przedrostek femto- oznacza wielkość tysiąc razy mniejszą niż piko-). W założeniach ma to być urządzenie tanie, przeznaczone do powszechnego użytku, łatwo skalowalne i umożliwiające odciążenie pasma radiowego operatorów przez wypełnienie wnętrz sygnałem nadawanym z bardzo małą mocą. Koszt obsługi takich domowych stacji bazowych jest znacznie mniejszy, gdyż to użytkownik zapewnia lokalizację, podstawowy serwis i łącze, a infrastruktura jest prosta. Aby zachęcić użytkowników, operatorzy będą stosować preferencyjne stawki połączeń kierowanych do centrali MSC za pomocą domowych urządzeń klasy femtocell przez łącze internetowe użytkownika.

Domowe stacje bazowe mają przed sobą przyszłość, bowiem korzystają z istniejącej infrastruktury połączeń internetowych, łączą zalety mobilnych sieci 3G z dobrym pokryciem w pomieszczeniach oraz potencjalnie niską ceną usług. Gdy najpoważniejsze problemy zostaną rozwiązane, można będzie wróżyć tej technologii szybki rozwój. Impulsem dla rozwoju będą głównie niskie ceny i dostępność. Jak każde rozwiązanie, femtocell posiada także swoje wady wynikające z koncepcji i ograniczeń technologii.

1 Tania domowa stacja bazowa z założenia pracuje w pasmie wymagającym licencji, bo inaczej standardowy terminal 3G z niej nie skorzysta. Zatem mają tu zastosowanie przepisy wielu krajów nakładające obowiązek zapewnienia odpowiedniej jakości emisji. Przykładowo długoterminowa stałość częstotliwości taniego urządzenia, spełniająca wymagania stawiane przez przepisy, jest wyzwaniem technologicznym. Specjalnie kalibrowane, wysoko stabilne generatory kwarcowe, zapewniające żądaną stałość rzędu 50 ppb, są na to zbyt drogie. Oczywiście można użyć tańszych i wymusić wymianę urządzenia co pewien czas, ale to też podwyższy koszty. Alternatywą jest skorzystanie z zewnętrznego źródła sygnału albo kalibrowanie generatorów przy użyciu sygnału zegara pochodzącego z systemu Navstar-GPS. Niestety słaby sygnał często trudno jest odbierać w pomieszczeniach. Dodatkowo należy wspomnieć o obowiązku rejestracji położenia każdej stacji nadawczej pracującej w licencjonowanym pasmie obowiązującym w wielu krajach.

2 Użytkownicy urządzeń mobilnych powinni korzystać z femtocell zawsze, gdy jest to możliwe. Dlatego potrzebne są metody zapewnienia wymuszenia na telefonie korzystania z femtocell nawet jeśli sygnał od sieci operatora jest w danym miejscu silniejszy. Jednocześnie, w momencie wyjścia poza zasięg domowej stacji bazowej, system musi zapewnić przełączenie do sieci operatora bez przerwania połączenia. Operacja przełączenia jest dość skomplikowana, ze względu na konstrukcję sieci, nie może być mowy o prostej operacji przełączenia tak jak przy zmianie obszaru przywołań (Location Area). Takie przełączenia będą odbywały się bardzo często w skali operatora.

3 Urządzenia mają być z zasady bardzo popularne, zatem mogą pojawić się interferencje między sąsiednimi urządzeniami uruchomionymi w pomieszczeniach blisko siebie. Tradycyjny algorytm wyboru stacji bazowej oferującej najlepszą jakość połączenia nie ma tutaj zastosowania. To samo dotyczy kontroli mocy nadajnika stacji bazowej. Jedynym rozsądnym rozwiązaniem jest kontrola stacji femtocell przez operatora oraz wprowadzenie rozsądnego limitu mocy nadawania.

4 Fale radiowe nie mają barier w postaci płotów czy granic administracyjnych. Zatem należy zapewnić łączenie się terminali tylko do domowych stacji bazowych właściciela i zabezpieczyć właściciela przed obcymi telefonami, które mogą chcieć logować się do jego stacji femtocell.

5 Konieczne jest zapewnienie prywatności i poufności korespondencji. Szyfrowane połączenia odbywające się w torze radiowym obejmują obszar między stacją ruchomą (telefonem) a stacją bazową, gdzie są szyfrowane i deszyfrowane. Urządzenia klasy femtocell muszą posiadać mechanizmy zapewniające poufność transmisji przez niepewne medium, jakim może być łącze internetowe właściciela.

Poza ochroną przed podsłuchem należy zapewnić prywatność. Sieć komórkowa powinna uniemożliwiać lokalizację użytkownika przez jego rozmówcę. Tymczasem przy domowych stacjach bazowych korzystających z technologii VoIP nie zawsze udaje się to zachować. Charakterystyczne zakłócenia wynikające z niedostatecznej przepustowości pakietów dają się odróżnić od zaników wynikających z problemów w torze radiowym. Nie wszystkie łącza obsługują QoS, ponadto z tego samego łącza będą zapewne korzystały inne urządzenia. Stacja bazowa femtocell musi zadowolić się jak najmniejszym pasmem.

Zapewnić poufność i bezpieczeństwo

Użytkownicy telefonów mobilnych słusznie żądają zapewnienia poufności rozmów oraz lokalizacji. Samo szyfrowanie transmisji przesyłanej przez łącze internetowe właściciela do operatora nie jest problemem, można do tego celu użyć gotowych technologii takich jak IPSec. Kłopoty może sprawiać dość poważna wada sieci GSM - brak uwierzytelnienia sieci. Sieć sprawdza uwierzytelnienie terminala za pomocą techniki pytanie-odpowiedź. Losowe pytanie - RAND - przesłane przez sieć, podlega podpisaniu w telefonie za pomocą klucza zapisanego w karcie SIM, zaś odpowiedź telefonu - SRES - upewnia operatora, że telefon jest rzeczywiście tym urządzeniem, za które się podaje. Tymczasem telefon nie sprawdza za każdym razem, czy sieć, która jest dostępna dla telefonu, jest prawdziwa. Łatwo można sobie wyobrazić fałszywą stację bazową, która akceptuje każde uwierzytelnienie po to, by przechwycić połączenia telefonu, który nieopatrznie do niej się zalogował. Można w tym celu wymusić tryb bez szyfrowania (zero cipher mode). Fakt wyłączenia szyfrowania jest sygnalizowany przez wiele telefonów, ale nie każdy zwróci na to uwagę. Niestety nawet szyfrowanie połączenia w sieciach ruchomych jest słabe, bowiem stosowane powszechnie algorytmy A5/1 i A5/2 zostały ostatecznie złamane w 1998 r.

Bardzo dobry materiał na temat bezpieczeństwa sieci komórkowych można znaleźć pod adresem www.academypublisher.com/jnw/vol01/no06/jnw01061827.pdf .