Организация систем безопасности на основе gsm- каналов

Душин Владимир Константинович,

Ильин Сергей Анатольевич,

Теодорович Наталья Николаевна

(РГУТиС),

 

Завязкина Любовь Семеновна

НОУ ВПО ИГУПИТ

E-mail: info@igupit.ru

 

Организация систем безопасности на основе gsm- каналов

 

Аннотация: В статье рассмотрены вопросы организации систем безопасности на основе GSM- каналов, показано функциональное сопряжение элементов системы, рассмотрены достоинства и недостатки таких систем.

Ключевые слова: Системы безопасности, GSM- каналы.

The Abstract: The article deals with problems related to organization of safety systems on the basis of GSM- channels. A functional coupling of the systems elements, as well as some advantages and disadvantages of such systems are investigated.

The Keywords: Security system, GSM- channels.

 

Существующие охранные комплексы в недавнем прошлом проектировались либо, как автономные, в этом случае если и предусматривался контроль охраняемых объектов, то с использованием сложного и дорогостоящего оборудования, либо связанный с использованием услуг оператора по контролю состояния.

Подобные комплексы проектировались и затем внедрялись отдельно для каждого помещения и затем объединялись для произвольной части здания, в один довольно сложный и громоздкий комплекс. В зданиях устанавливались системы только с теми возможностями и с той степенью сложности, которые были необходимы на текущий момент функционирования здания. Дальнейшее расширение и модернизация таких охранных комплексов было малоэффективным из-за таких факторов как:

-                   Высокая стоимость внедрения подобного рода систем;

-                   Высокая стоимость эксплуатации из-за необходимости держать штат по сопровождению подобных систем;

-                   Отдельная поддержка всех автономных систем;

-                   Высокая стоимость обучения персонала, поскольку операторы должны быть ознакомлены с каждой автономной системой.

Любой объект имеет свои специфические свойства, которые определяют конечный вид интегрированной системы безопасности. Поэтому проектирование системы безопасности всегда жестко привязано к конечному объекту, учитывая все его особенности: характеристики помещений, инженерно-технических систем, ограждающих конструкций, их соответствия нормативно-технической документации (СНИП, ГОСТ и прочие), концептуальные требования обеспечения безопасности, оперативную обстановку в районе нахождения помещения. Все это позволяет достичь высокого уровня безопасности.

Организация систем безопасности на основе GSM- каналов и передачи GPS координат как раз и является решением данной проблемы. В проектируемый охранный комплекс уже заложены средства современных информационных технологий. В такой системе безопасности предусмотрена возможность получения информации в любом месте и влюбе время, как при наличии объединенной диспетчерской, так и в случае, когда диспетчерская отсутствует вовсе, то есть система функционирует абсолютно автономно и независимо. Помимо получения оптимальных решений с точки зрения качества и экономичности системы безопасности реализация подобной системы позволяет значительно упростить как проектирование, так и монтаж интегрированной системы. Для уже существующих объектов, особенно там, где нет возможности прокладки кабельных линий.

К основным преимуществам такой охранной системы можно отнести:

·                    Доступность и относительно простую схему установки;

·                    Простоту управления и программирования;

·                    Контроль за системами жизнеобеспечения здания

·                    Дистанционное управление выходами исполнительных устройств;

·                    Возможность прослушивания помещения в течение определенного времени при срабатывании датчика (удалённо).

·                    Возможность функционирования при перебоях в электроснабжении;

·                    Отсутствие жёсткой связки между управлением исполнительными устройствами и возникновением события;

·                    Возможность установки кнопки экстренного вызова службы охраны или милиции. С помощью такой кнопки можно подать сигнал, находясь в любом месте дома или неподалеку от дома.

Стандарт GSM разработанный Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI) является одним из самых надежных и массовых по использованию в средствах телекоммуникации и связи. Функциональное построение и интерфейсы, принятые в стандарте GSM показаны на структурной схеме, где MSC (Mobile Switching Centre) - центр коммутации подвижной связи; BSS (Base Station System) - оборудование базовой станции (БС); ОМС (Operations and Maintenance Centre) - центр управления и обслуживания; MS (Mobile Stations) - подвижные станции (МС).

 

Рис.1. Функциональное построение и интерфейсы стандарта GSM

 

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется рядом интерфейсов и показано на рисунке 1. Центр коммутации подвижной связи обслуживает группу сот и обеспечивает все виды соединений, в которых нуждается в процессе работы МС. Он обеспечивает как маршрутизацию вызовов, так и функции управления вызовами. Кроме выполнения функций обычной коммутационной станции ISDN MSC выполняет и функции коммутации радиоканалов. Каждый MSC обеспечивает обслуживание подвижных абонентов, которые находятся в пределах определенной географической зоны, а также поддерживает процедуры безопасности, применяемые для управления доступами к радиоканалам.

HLR - справочная база данных о постоянно прописанных в сети абонентах. В ней содержатся опознавательные номера и адреса, а также параметры подлинности абонентов, состав услуг связи, специальная информация о маршрутизации.

VLR содержит такие же данные, как и HLR, однако эти данные содержатся в VLR только до тех пор, пока абонент находится в зоне, контролируемой VLR. В сети подвижной связи GSM соты группируются в географические зоны (LA), которым присваивается свой идентификационный номер (LAC). Каждый VLR содержит данные об абонентах нескольких LA. В случае подвижный абонент перемещается из одной LA в другую, данные о его местоположении автоматически обновляются в VLR.

EIR - регистр идентификации оборудования, содержит централизованную базу данных для подтверждения подлинности международного идентификационного номера оборудования подвижной станции (IМЕI).

ОМС - центр эксплуатации и технического обслуживания, является центральным элементом сети GSM, который обеспечивает контроль и управление другими компонентами сети и контроль качества ее работы. ОМС соединяется с другими компонентами сети GSM по каналам пакетной передачи протокола Х.25.

NMC - центр управления сетью, позволяющий обеспечивать рациональное иерархическое управление сетью GSM. Он обеспечивает эксплуатацию и техническое обслуживание на уровне всей сети, поддерживаемой центрами ОМС, которые отвечают за управление региональными сетями.

BSS - оборудование базовой станции, состоит из контроллера базовой станции (BSC) и приемопередающих базовых станций (BTS). Контроллер базовой станции может управлять несколькими приемо-передающими блоками.

Использование персонального идентификационного цифрового кода - один из простых методов аутентификации. Он дает очень низкий уровень защиты в условиях использования радиосвязи, поэтому кроме него GSM использует более сложный метод, состоящий в использовании случайного числа, на которое может ответить только соответствующее абонентское оборудование.

Шифрование для защиты конфиденциальности является достаточно эффективным, но для защиты каждого отдельно взятого обмена информацией по радиоканалу не применяется.

Достаточно широкое распространение на рынке систем безопасности в нашей стране получил тип сигнализаций, использующий функцию SMS сообщений, что обуславливается низкой стоимостью и простотой использования данных GSM-сигнализаций. Данный тип передачи извещений используется в основном как сервисный канал (в профессиональных охранных системах). Оповещение о тревожной ситуации или о проникновении на объект является обязательным атрибутом систем охраны и с точки зрения технической реализации может быть исполнено в такой форме как предупреждение голосом (звонком на телефон), DTMF - кодом[1], в любом цифровом виде, а также передачей SMS сообщения собственнику.

Текст может состоять из алфавитно-цифровых символов, максимальный размер сообщения в стандарте GSM - 140 байт. Таким образом, при использовании 7-битной кодировки (латинский алфавит и цифры) можно отправлять сообщения длиной до 160 символов. При использовании 8-битной кодировки (немецкий, французский язык) можно отправлять сообщения длиной до 140 символов. Для поддержки других национальных алфавитов (китайского, арабского, русского и др.) используется 2-байтная кодировка UTF-16 (Unicode). Таким образом, SMS-сообщение, написанное кириллицей, не может превышать 70 знаков. Что весьма ограничивает использование данного сервиса в охранном оборудовании.

Технология SMS поддерживается основными сотовыми сетями: GSM, NMT, D-AMPS, CDMA, также SMS-сообщения на телефоны можно отправлять из интернета и других сетей, для этого можно использовать специальные программы, а также непосредственно шлюзы мобильных операторов.

Во всех подобных сигнализациях используются GSM-модемы. На охраняемом объекте устанавливается контрольная панель с GSM-модулем. В зависимости от типа связи с датчиками подключаются охранно-пожарные датчики. В случае срабатывания одного из датчиков, на панель поступает сигнал, в случае замыкания одной из зон, контроллер дает команду GSM-модему отправить SMS сообщение по одному или нескольким номерам, хранящимся в памяти.

Широкое распространение в нашей стране получили и так называемые дачные охранные сигнализации. Такие GSM-сигнализации чаще всего сочетают в себе охранные функции и функции дистанционного управления исполнительными устройствами. В профессиональной охране данный тип связи применяется ограниченно, в основном как сервисный канал, например для подтверждения взятия объекта под охрану или контроль напряжения сети на объекте, а также как последний резервный канал.

Обычно в GSM-сигнализациях для пультов централизованного наблюдения (ПЦН) используются стандартные форматы, например протокол Contact ID. Сегодня DTMF - самый распространенный канал передачи данных, т.к. форматы данных, принцип передачи и приемное оборудование полностью заимствовано у проводного мониторинга. Использование DTMF форматов предъявляет дополнительные требования к проработке звукового тракта GSM-модема из-за того, что аналого-цифровые преобразования влекут за собой искажения при передаче сигнала и поэтому могут происходить сбои при приеме отчетов от объектового оборудования. К сожалению, данная проблема довольно часто встречается у оборудования, произведенного в нашей стране. Большинство систем контролируют передачу данных, запрашивая подтверждение приема и сигнал не теряется в сети, но значительно увеличивается время прохождения сигнала.

CLIP (Calling Line Identification Presentation).

Этот метод основан на сервисе оператора мобильной связи по предоставлению информации о номере абонента, совершающего звонок. Приемное устройство считывает номер вызывающего абонента и отклоняет вызов, при этом сам факт звонка от известного в системе абонента и является основанием для регистрации тревожного события. К достоинствам такого метода следует отнести отсутствие платы за исходящий вызов, но информативность такого сообщения очень мала.

Для повышения информативности можно установить на ПЦН несколько GSM-модемов. Передающее устройство программируют таким образом, чтобы по одной группе событий модем делал вызов на первый модем (тревоги), по другой группе - на второй и т.д.

GSM DATA/CSD (Circuit Switch Data).

Цифровой канал передачи данных на скорости 9,6 кбит/с. Этот метод характеризуется практически 100% -ной вероятностью доставки сообщения. Время установления соединения составляет около 20 с. В отличие от передачи сообщения в стандартном формате Contact ID в голосовом канале, протокол передачи в CSD не стандартизирован (хотя может быть максимально приближен к CID), что не позволяет использовать передатчики одного производителя в системе другого производителя.

TCP/IP GPRS (General Packet Radio Service).

Технология пакетной передачи GPRS использует в качестве механизма доставки пакетов данных протоколы TCP/IP. В этом случае каждому из устройств сети присваивается уникальный IP-адрес. Существует два вида IP-адресов: статические (которые могут предоставляться Интернет-провайдерами или операторами сотовых сетей) и динамические, которые выдает оператор при подсоединении к сети GPRS на время сеанса связи.

На практике такой способ организации канала передачи данных почти не встречается из-за сложности получения статических IP-адресов у сотовых операторов для всех удаленных устройств системы.

Помехоустойчивость и помехозащищённость GSM канала

Помехи в радиоканале могут создаваться как за счет искажений сигнала при его распространении, так и при воздействии внешних источников. Первый тип искажений достаточно легко устраняется. Помехи же от внешних источников уменьшаются при помощи расширения спектра передаваемого сигнала.

Основная сложность при построении GSM канала связана с невозможностью обеспечить непрерывность GSM/GPRS-связи, что может приводить не только к прерыванию передачи данных, но и к зависанию модема.

Дополнительно к перечисленным методам, для повышения помехоустойчивости применяют многократное дублирование фрагментов передаваемых сообщений в частотной или временной области. Помехоустойчивость, в области радиоканальных пожарных и охранных систем можно определить следующим образом:

·                    количеством частотных диапазонов, в которых может работать радиосистема;

·                    количеством частотных каналов в каждом диапазоне;

·                    возможностью автоматического выбора резервных каналов;

·                    наличием автоматической регулировки мощности излучения.

В соответствии с европейской классификацией (в России данная классификация осуществляется по РД 78.36.003-2002: имеются две категории объектов, в каждой из которых две подкатегории) существует три класса пожарных и охранных проводных и радиоканальных систем:

-                    класс А: низкая степень риска - объекты частного пользования (загородные дома, квартиры);

-                    класс В: средняя степень риска - объекты общественного пользования (магазины, учебные заведения);

-                    класс С: высокая степень риска - объекты государственной важности (музеи, исторические памятники).

Еще одна важная характеристика - способность радиолинии работать в условиях воздействия организованных помех называется помехозащищенностью.

Помехозащита разделяется на два класса:

1) пространственная помехозащита (за счет низкого уровня боковых лепестков приемной антенны, по которым действует помеха, формирование "нулей" диаграммы направленности приемной антенны в направлении на источник помех);

2) сигнальная помехозащита за счет широкополосных методов модуляции.

Принцип подавления основан на постановке узкополосной помехи приемному каналу GSM-устройства. На сегодняшний день подавителей GSM-устройств достаточно много и основное их назначение заглушать мобильные телефоны на совещаниях, конференциях, библиотеках, театрах и т.п. Однако злоумышленники вполне могут применять их и для негативных целей.

Для снижения глушения сигнала нужно:

1.                   иметь дублирующий канал для обмена важной информацией;

2.                   использовать периодический тест с объекта;

3.                   применение выносных антенн.

Анализ модели GSM канала по обеспечению требуемой зоны покрытия

На дальность радиосвязи влияют следующие факторы:

1. Местоположение BS и MS и рельеф местности.

2. Мощность и чувствительность MS.

3. Мощность и чувствительность BS.

4. Используемые на MS и BS антенны.

Обычно базовые станции имеют мощность 20 - 30 Вт. Антенны применяются либо штыревые, либо направленные. Чувствительность базовых станций составляет - 100 дБ - 115 дБ.

Железобетонные строения способны ослаблять сигналы, проходящие через них (при внутреннем покрытии), в 100-1000 раз (то есть на 20-30 дБ). К числу препятствий можно также отнести кузова автомобилей, кроны деревьев и т.д. Влияние могут оказать и атмосферные осадки.

При расчете зоны покрытия применяется модель Хата, так как она рекомендована Международным Консультативным Комитетом по Радиосвязи (МККР) и довольно проста в применении. Эта модель позволяет вычислить потери на радиотрассе для конкретной местности и параметров базовой станции.

Средний уровень потерь на радиотрассе, следуя эмпирической модели Хата, определяется следующим образом:

 

Где  частота, (МГц); высота базовой станции, (м);  расстояние между базовой станцией и абонентской станцией, (км); высота абонентской станции, (м);

коэффициент, учитывающий высоту антенны абонентской станции (для небольшого или среднего города, для большого города),

 

коэффициент, учитывающий характер местности (для сельской местности,  для пригорода, для города),

 

 

 - коэффициент, отражающий влияние плотности застройки,  (%) - плотность застройки;

 

 

коэффициент, учитывающий сферичность Земли (вводится, если 0,2R0 < r ≤ 0,8R0, где R0 - расстояние прямой видимости).

Таким образом, использование вышеописанных систем безопасности для обеспечения сохранности материальных ценностей различных форм собственности являются достаточно эффективными. В свою очередь эффективная охрана сегодня немыслима без использования различных технических средств, которые позволяют осуществлять круглосуточную охрану объектов, максимально исключив человеческий фактор, снизить затраты на ее содержание и существенно повысить ее надежность.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.                  Крухмалёв В.В., Гордиенко Н.В., Моченов А.Д. и др. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: учебник для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 510 с.

2.                  Громаков Ю.А. Стандарты и системы подвижной радиосвязи. - М.: Эко-Трендз, 2008. – 144с.

3.                  Берлин А.Н. Сотовые системы связи / Издательство: «Интернет-университет информационных технологий - ИНТУИТу », БИНОМ. Лаборатория знаний , 2009. - 362 с.

4.                  Федеральный закон Российской Федерации от 7.07.2003 г. "О связи".

5.                  Теодорович Н.Н. Системы безопасности в комплексном интеллектуальном здании // Промышленные АСУ и контроллеры. 2010. № 6. С. 54-55.

6.                  Теодорович Н.Н. Расчет передачи сигналов через материалы различной природы // «Башкирский химический журнал – БХЖ». 2009. №4, Т.16. С. 175-177.

 



[1] Dual Tone Multi-Frequency - термин для обозначения тонального набора

Мир науки - научный журнал
Транспортные сооружения - научный журнал