BTS połączenie

Sieci urządzeń mobilnych
Część 3 wykładu
SKO2
SKO2
Mobilne-1
Mapa wykładu
❒ Wprowadzenie
❍ Dlaczego mobilność?
❍ Rynek dla mobilnych urządzeń
❍ Dziedziny badań
❒ Transmisja radiowa
❒ Protokoły wielodostępowe
❒ Systemy GSM
❒ Systemy satelitarne
❒ Bezprzewodowe sieci lokalne
SKO2
Mobilne-2
Telefonia mobilna na świecie
1200
Abonenci [miliony]
1000
GSM
TDMA
CDMA
PDC
Analogue
Bezprzewodowe
Prognoza (1998)
800
600
400
200
0
1996
1997
1998
1999
2000
SKO2
2001
2002
rok
Mobilne-3
CT0/1
AMPS
NMT
CT2
IMT-FT
DECT
IS-136
TDMA
D-AMPS
TDMA
FDMA
Rozwój mobilnych systemów telekomunikacyjnych
GSM
PDC
EDGE
GPRS
IMT-SC
IS-136HS
UWC-136
IMT-DS
UTRA FDD / W-CDMA
CDMA
IMT-TC
UTRA TDD / TD-CDMA
IMT-TC
TD-SCDMA
1G
IS-95
cdmaOne
cdma2000 1X
2G
2.5G
SKO2
IMT-MC
cdma2000 1X EV-DO
1X EV-DV
(3X)
3G
Mobilne-4
Historia GSM
• We wczesnych latach 1980tych, szybki wzrost
analogowej telefonii komórkowej w Europie
• Różne kraje mają niekompatybilne urządzenia i
działanie
• Groupe Spécial Mobile (GSM) (1982)
•
•
•
•
•
•
•
•
Dobra jakość mowy
Mały koszt terminali i usług
Obsługa międzynarodowego roamingu
Obsługa naręcznych terminali
Obsługa wielu nowych usług
Wydajność spektralna
Kompatybline z ISDN
Global System for Mobile Communication
• Usługi komercyjne rozpoczęte w połowie 1991 roku
• w 1993 było 36 sieci GSM w 22 krajach
• Ameryka Północna weszła z opóźnieniem w dziedzinę
GSM z wariantem GSM zwanym
PCS1900
SKO2
Mobilne-5
Historia: c.d.
Dziś:
swobodny roaming w całej Europie
❍ wielu dostawców na całym świecie używa GSM
(ponad 184 krajów w Azji, Afryce, Europie,
Australii, Ameryce)
❍ ponad 747 milionów abonentów
❍ ponad 70% wszystkich cyfrowych telefonów używa
GSM
❍ ponad 10 miliardów SMSów miesięcznie w
Niemczech, > 360 miliardów/rocznie na świecie
❍
SKO2
GSM a telefonia tradycyjna (PSTN)
❒ Komunikacja
❍ mobilna, bezprzewodowa (tradycyjna telefonia w
ograniczonym zakresie)
❍ obsługuje komunikację głosu i danych – ale tradycyjna
telefonia też
❒ Globalna mobiliność
❍ międzynarodowy numer telefoniczny
❍ karta SIM daje niezależność od aparatu, operatora
❍ sieć zajmuje się prezentacją dostosowaną do warunków
lokalnych
SKO2
Mobilne-7
GSM a telefonia analogowa (mobilna)
❒ Większa ilość użytkowników
❍ wydajniejsze wykorzystanie częstotliwości, mniejsze
komórkie, więcej użytkowników w komórce
❒ Wysoka jakość trasnmisji
❍ wysoka jakość i odporność dźwięku dla bezprzewodowych,
nieprzerwanych rozmó, także przy wysokiej prędkości
ruchu (n.p., z samochodów, pociągów)
❒ Usługi ochrony informacji
❍ kontrola dostępu, uwierzytelnienie za pomocą karty SIM i
numerów PIN/PUK
SKO2
Mobilne-8
Wady GSM
❒ Nie ma doskonałych systemów!!
❒ brak szyfrowania od końca do końca
❒ brak pełnej przepustowości ISDN (64 kb/s) do
❒
❒
❒
❒
❒
❒
użytkownika
zmniejszanie koncentracji przy prowadzeniu pojazdów
promieniowanie elektromagnetyczne
utrata prywatności
dostępność informacji o lokalizacji
duża złożoność systemu
braki kompatybilności w standardach GSM
SKO2
Mobilne-9
Usługi udostępniane przez GSM
• usługi nośne: usługi komunikacji danych pomiędzy
punktami dostępowymi
•
komunikacja danych do 9,6 Kb/s
• usługi telekomunikacyjne:
• telefonia
• numery awaryjne
• SMS: Short Messages Service (do 160 bajtów)
• poczta głosowa
• faks Group 3
• poczta elektroniczna
• usługi uzupełniające
• Identyfikacja
• blokowanie połączeń
• przekazywanie połączeń
SKO2
Mobilne-10
Architektura systemu GSM
❒ GSM jest siecią PLMN (Public
Land Mobile Network)
❍ wielu dostawców może tworzyć sieci w standardzie
GSM w jednym kraju
❍ składniki:
• MS (stacja mobilna): noszona przez abonenta,
zawiera
• urządzenie mobilne (terminal)
• kartę smart card zwaną Subscriber Identity Module
(SIM)
• użytkownik może mieć dostęp do usług objętych
abonamentem niezależnie od terminala
SKO2
Mobilne-11
Architektura systemu GSM
• BS (stacja bazowa, base station): steruje
łączem radiowym do stacji mobilinej MS
• MSC (mobile switching center): przełącza
połączenia mobilnych użytkowników, także
pomiędzy użytkownikami mobilnymi i PSTN
• LR (location register)
❍ podsystemy
• RSS (radiowy): obejmuje wszystkie aspekty
radiowe
• NSS (sieci): przełączanie, przekazywanie
połączeń, przekazywanie między komórkami
• OSS (operacyjny): zarządzanie siecią
SKO2
Mobilne-12
Architektura systemu GSM
Mobile
Switching
Center
Location
Register
(baza danych)
MSC
Sieć
radiowa
Base Station
Controller
Szkieletowa
sieć (przewodowa)
Interfejs
Abis
Interfejs
A
Interfejs
Um
Stacja
mobilna (MS)
Stacja bazowa
(BS)
Komórka
SKO2
Mobilne-13
Architektura systemu GSM
Home Location Register
(HLR)
SZKIELETOWA SIEĆ TELEFONICZNA
Visitor Location Register
(VLR)
Mobile Switching Center
(MSC)
Mobile Terminal
(MT)
Sygnalizacja lokalna
SKO2
MSC
VLR
EIR
AuC
Sygnalizacja „zamiejscowa”
Mobilne-14
Architektura systemu GSM
SKO2
Mobilne-15
Podsystem radiowy
❒ Podsystem radiowy obejmuje sieć komórkową aż do
przełączników
❒ Składniki
❍
❍
podsystem stacji bazowej (Base Station Subsystem, BSS):
• Base Transceiver Station (BTS): składniki radiowe, w tym
nadajnik, odbiornik, antena
• Base Station Controller (BSC): przełączanie pomiędzy
BTS, sterowanie BTS, zarządzanie zasobami radiowymi
• BSS = BSC + suma(BTS) + połączenia
Stacje mobilne (MS)
SKO2
Mobilne-16
GSM: sieć komórkowa
podział obszaru na komóki
zasięg radiowy komórki
obszar zakłóceń komórki
uproszczony kształt komórki
cell
❍
❍
❍
❍
❍
używa wielu częstotliwości nośnych
różne częstotliwości w sąsiednich komórkach
rozmiary komórek wahają się od 100 m do 35 km zależnie od
gęstości użytkowników, geografii, mocy nadajnika itd.
sześciokątny rozmiar komórek to uproszczenie (komórki
nakładają się, rozmiary zależą od geografii)
jeśli mobilny użytkownik zmienia komórkę:
➪przekazanie (handover) połączenia do sąsiedniej komórki
SKO2
Przykładowy zasięg sieci GSM
T-Mobile (GSM-900/1800) Berlin
Vodafone (GSM-900/1800)
e-plus (GSM-1800)
O2 (GSM-1800)
(www.gsmworld.com)
SKO2
Mobilne-18
BTS a BSC
Funkcja
BTS
Zarządzanie kanałami radia
BSC
X
Skakanie po częstotliwościach
X
X
Zarządzanie kanałami naziemnymi
X
Odwzorowanie kanałów naziemnych na radiowe
X
Kodowanie i dekodowanie kanału
X
Adaptacja przepustowości
X
Szyfrowanie
X
X
Paging
X
X
Pomiar sygnału uplink
X
Pomiary ruchu
X
Uwierzytelnienie
X
Rejestrowanie i aktualizacja położenia
X
Przekazywanie (Handover)
X
SKO2
Mobilne-19
Stacja mobilna
❒ Terminal do usług GSM
❒ Stacja mobilna (MS) składa się z:
❍ MT (Mobile Termination):
• oferuje funkcje wykorzystywane przez wszystkie usługi
MS
• odpowiada punktowi zakończenia sieci (Network
Termination, NT) w sieci dostępowej ISDN
• punkt końcowy interfejsu radiowego (Um)
• Wykonuje wszystkie czynności multipleksacji (TDMA,
FDMA)
SKO2
Mobilne-20
Stacja mobilna
❍
❍
❍
❍
TA (Terminal Adapter):
• adaptacja terminala,
TE (Terminal Equipment):
• urządzenie peryferyjne MS, oferuje usługi użytkownikowi
• nie zawiera funkcji GSM
• przykład: aparat fotograficzny
SIM (Subscriber Identity Module):
• personalizuje stację mobilną, zapisuje parametry użytkownika
• Zawiera: PIN, PUK, Klucz uwierzytelnienia Ki, międzynarodowy
identyfikator użytkownika IMSI
Dynamiczne informacje przechowywane przez MS
• Klucz szyfrowania Kc, tymczasowy identyfikator TMSI,
identyfikator obszaru LAI
SKO2
Mobilne-21
Podsystem sieci
❒
Network Switching Subsystem NSS jest głównym
składnikiem sieci GSM
❍
przełączenie, zarządzanie mobilnością, połączenia z innymi
sieciami, sterowanie systemem
❒ Składniki
❍ Mobile Services Switching Center (MSC)
steruje wszystkimi połączeniami do/z mobilnego terminala w
domenie MSC przez oddzielną sieć
❍ wiele BSC może być zarządzanych przez jednego MSC
SKO2
Mobilne-22
Podsystem sieci
❍
❍
❍
Bazy danych
• ważne: skalowalność, duży rozmiar, małe opóźnienie
Home Location Register (HLR)
centralna baza danych z danymi użytkownika, stałe i pół-stałe
dane użytkownika są przypisywane do HLR (jeden operator
może mieć wiele HLR)
• Dane o użytkowniku: numer ISDN (MSISDN), zamówione
usługi (przekazywanie połączeń, roaming, GPRS),
międzynarodowy identyfikator (IMSI), aktualny obszar
(LA), numer roamingu (MSRN), aktualny VLR i MSC.
Visitor Location Register (VLR)
lokalna baza dla podzbioru danych użytkownika, w której są
dane wszystkich użytkowników znajdujących się aktualnie w
domenie VLR
• Trochę jak cache dla danych z HLR
SKO2
Mobilne-23
Mobile Services Switching Center
❒ MSC (mobile
GSM
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
❍
switching center) ma centralną rolę w
funkcje przełączania
zarządzanie zasobami sieci
funkcje intersieci przez Gateway MSC (GMSC)
integracja wielu baz danych
funkcje pagera i przekazywania połączeń
rejestracja położenia i przekazywanie informacji o położeniu
nowe usługi (faks, komunikacja danych)
usługa SMS
tworzenie i przekazywanie informacji księgowej i bilingowej
SKO2
Mobilne-24
Podsystem operacyjny
❒ OSS (Operation
Subsystem) pozwala na centralne
zarządzanie wszystkimi podsystemami GSM
❍
Używa koncepcji TMN!
❒ Składniki
❍ Centrum uwierzytelnienia (AUC)
• generuje parametry uwierzytelnienia na żądanie VLR
• parametry uwierzytelnienia są używane do
uwierzytelnienia terminala mobilnego i szyfrowania
informacji przez interfejs radiowy systemu GSM
❍ Rejestr identyfikacji urządzeń (EIR)
• rejestruje terminale mobilne GSM i uprawnienia
użytkowników
• skradzione lub uszkodzone terminale mogą być
zablokowane i niekiedy zlokalizowane
❍ Centrum operacyjne i utrzymaniowe (OMC)
• różne możliwości sterowania podystemem radiowym i sieci
SKO2
Mobilne-25
GSM-900 - TDMA/FDMA
cz
ęs
t
ot
liw
oś
ć
935-960 MHz
124 kanałów (200 kHz) downlink
890-915 MHz
124 kanałów (200 kHz) uplink
czas
ramka TDMA GSM
1
2
3
4
5
6
7
8
4.615 ms
szczelina czasowa GSM (normal burst)
ogon
przestrzeń3 bity
ochronna
dane
57 bitów
S trening S
1 26 bitów1
SKO2
dane
57 bitów
ogon
3
przestrzeń
ochronna
546.5 µs
577 µs
Protokoły sygnalizacyjne GSM
Um
A
Abis
MS
BTS
BSC
MSC
CM
CM
MM
MM
RR
BTSM
RR’
BTSM
LAPDm
RR’
LAPDm
LAPD
LAPD
radio
radio
PCM
PCM
16/64 kb/s
SKO2
BSSAP
BSSAP
SS7
SS7
PCM
PCM
64 kb/s /
2.048 Mb/s
Mobilne-27
Rozmowa ze stacją mobilną
❒ 1: połączenie z abonentem GSM
❒ 2: przekazywanie połączenie do
GMSC
❒ 3: sygnalizacja o połączeniu do
HLR
calling
station 1
HLR
3 6
PSTN
2
GMSC
❒ 4, 5: żądanie MSRN od VLR
❒ 6: przekazanie adresu MSC do
❒
❒
❒
❒
❒
❒
GMSC
7: przekazanie połączenia do
odpowiedniego MSC
8, 9: pobranie statusu MS
10, 11: paging MS
12, 13: MS odpowiada
14, 15: kontrola bezpieczeństwa
16, 17: tworzenie połączenia SKO2
4
5
10
7
VLR
8 9
14 15
MSC
10 13
16
10
BSS
BSS
BSS
11
11
11
11 12
17
MS
Mobilne-28
Przekazywanie połączeń
 Stacja mobilna wychodzi poza zasięg BTS
 Równoważenie obciążenia
 przekazywanie wewnątrz komórki:
zakłócenia na jednej częstotliwości mogą
spowodować, że BSC zmieni częstotliwość
nośną
SKO2
Mobilne-29
Decyzja o przekazywaniu
moc odbieranego
sygnału
BTSnowe
moc odbieranego
sygnału
BTSstare
HO_MARGIN
MS
MS
BTSstare
BTSnowe
SKO2
Mobilne-30
Uwierzytelnienie
 dwie jednostki funkcjonalne,
o karta SIM w stacji mobilnej,
o centrum uwierzytelnienia (AuC)
 abonent otrzymuje tajny klucz
 AuC generuje losowy numer i wysyła do terminala
 Oba używają losowego numeru, razem z tajnym
kluczem abonenta oraz algorytmem szyfrującym
zwanym A3, żeby wygenerować podpisaną odpowiedź
(SRES), która jest wysyłana spowrotem do AuC
 Stacja zostaje uwierzytelniona, jeśli obie wartości się
zgadzają
SKO2
Mobilne-31
Ochrona informacji w GSM
❒ Usługi
❍ poufność
• głos i informacje sygnalizujące są szyfrowane na łączu
radiowym (po pomyślnym uwierzytelnieniu)
❍ anonimowość
• tymczasowy identyfikator TMSI
(Temporary Mobile Subscriber Identity)
• przydzielany na nowo po każdej zmianie położenia
• szyfrowana transmisja
❒ 3 algorytmy określone dla GSM
❍ A3 dla uwierzytelnienia (“sekret”, otwarty interfejs)
❍ A5 dla szyfrowania (standardyzowane)
❍ A8 dla generacji klucza (“sekret”, otwarty interfejs)
SKO2
Mobilne-32
Komunikacja danych w GSM - 1
❒ W standardzie, możliwość transmisji tylko 9.6 kb/s
❍ zaawansowane kodowanie pozwala na 14,4 kb/s
❍ nie wystarcza dla aplikacji Internetu i multimedialnych
❒ HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data)
❍ jest to głównie aktualizacja oprogramowania
❍ łączy szereg szczelin czasowych w celu zwiększenia
przepustowości
❍ zaleta: łatwe w użyciu, stała jakość, proste
❍ wada: blokowane są kanały do transmisji głosu
SKO2
Mobilne-33
Komunikacja danych w GSM - 1
❒ GPRS (General Packet Radio Service)
❍ komutacja pakietów
❍ używa wolnych ramek tylko, gdy musi wysłać pakiet
(n.p., 50 kb/s używając chwilowo 4 szczelin)
❍ standard gotów w 1998, wchodzi w użycie w 2001
❍ zaleta: bardziej elastyczne
❍ wada: potrzebna większa inwestycja (nowy sprzęt)
SKO2
Mobilne-34