Wykład 6: System GSM

Systemy mobilneSystemy mobilne

dr inż. Marek MikaPaństwowa Wyższa Szkoła Zawodowaim. Jana Amosa Komeńskiego w Lesznie

Wykład 6:System GSM

Plan

• Historia

• Struktura systemu GSM

• Stacje ruchome

• Segment stacji bazowych

• Segment komutacyjno-sieciowy

• Segment eksploracji i utrzymania

© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 2

Historia• Analogowa telefonia komórkowa – początek lat

80-tych XX w.• 1982 – utworzenie zespołu Groupe Spéciale

Mobile• 1986 - wybór pasma 900 MHz• 1991 – system pilotażowy• 1992 – pierwszy SMS; pierwsza umowa roamingu

międzynarodowego• 1993 – uzupełnienie o pasmo 1800 MHz• 1995 – pasmo 1900 MHz (USA); powołanie GSM

Association; 10 mln abonentów• 1996 – oferta pre-paid• 1998 – 100 mln użytkowników• 2000 – usługa GPRS


Historia cd.

• 2001 – UMTS; 500 mln abonentów• 2002 – MMS; pasmo 800 MHz; pasmo 2100 MHz• 2003 – EDGE• 2004 – 1 mld abonentów• 2005 – HSDPA; 1,5 mld abonentów• 2007 – HSUPA• 2008 – 3 mld abonentów• 2009 – LTE• 2010 – 5 mld abonentów w 212 krajach

• W Polsce w połowie lat 90-tych XX w.


Bloki funkcjonalne systemu GSM

• MS (Mobile Stations) – stacje ruchome• BSS (Base Station Subsystem) – zespół stacji bazowych (BTS-y i ich kontrolery)• NSS (Network and Switching Subsystem) – cześć komutacyjno-sieciowa (centrle i

rejestry)• OMS (Operation and Meintenance Subsystem) – zespół eksploatacji i utrzymania

© 2014 5dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

MS BSS NSS OMS

Struktura przestrzenna

• Obszar centralowy obsługiwany przez centrale MSC (Mobile services Switching Center)

• Obszary przywołań oznaczone unikalnymi identyfikatorami LAI• Komórki (kilkadziesiąt do kilkuset w jednym obszarze przywołań)


LA-1LA-1 LA-7LA-7LA-6LA-6

LA-10LA-10 LA-13LA-13 LA-8LA-8

MSCMSCVLR

Identyfikatory w systemie GSM (1)


Identyfikatory w systemie GSM (2)


Stacje ruchome

• Typy stacji ruchomych:– modele przewoźne – w pojazdach z

zewnętrzną anteną– modele przenośne – duże– modele kieszonkowe– bezprzewodowe automaty telefoniczne– centrale PBX– moduły GSM


Funkcje stacji ruchomej

• Systemowe:– pomiar i regulacja mocy w zależności od odległości od BTS-u i

warunków propagacji– frequency hopping – „skakanie po częstotliwościach”

umożliwiające współpracę terminala z BTS-em na odpowiednim kanale częstotliwości

• Transmisja mowy• Transmisja danych• Interfejs użytkownika:

– standardowe (wyświetlanie numeru, wybór operatora itp.)– niestandardowe


Nowoczesne aparaty

• Nowe aparaty• Nowe systemy operacyjne• Nowe i co raz bardziej funkcjonalne aplikacje• Mnogość zastosowań• Graficzny i dotykowy interfejs• Obsługa wielu wbudowanych urządzeń• Obsługa kart pamięci• IrDA, Bluetooth, Wi-Fi, 3G/4G• Obsługa urządzeń zewnętrznych• Ciągły rozwój możliwości


Karta SIM

• SIM – Subscriber Identity Module• Karta SIM to karta inteligentna

– jednoukładowy komputer wyposażony w:• procesor

• koprocesor

• ROM

• EEPROM

• RAM

• porty I/O

• inne układy

• Kody PIN i PUK chroniące przed niepowołanym dostępem


Zespół stacji bazowych

• Dwa podstawowe bloki:– część transmisyjna

• stacje bazowe (BTS) służące do komunikacji z użytkownikami mobilnymi i połączone ze sterownikami stacji bazowych

• funkcje – obróbka sygnału, frequency hopping, szyfrowanie i deszyfrowanie komunikatów przychodzących i wychodzących

– część sterująca• sterowniki stacji bazowych (BSC) położone między stacjami

bazowymi a częścią komutacyjno-sieciową• funkcje – sterowanie podległymi stacjami bazowymi oraz

znajdującymi się w ich zasięgu terminalami (np. sterowanie mocą), zarządzanie kanałami rozmownymi i sygnalizacyjnymi, kontrola błędów, zarządzanie frequency hopping w terminalach i stacjach bazowych, komutacja łącz, przywoływanie stacji ruchomych w momencie połączenia


Typy połączeń pomiędzy BTS• Radiowe (bezprzewodowe) –

za pomocą łącz kierunkowych wysokiej częstotliwości

• Przewodowe– topologia gwiazdy (BSC w

centrum)– szeregowe – typowa

magistrala– szeregowe z pętlą –

redundantność połączeń


Centrala MSC• MSC (Mobile Switching Centre) – centrala systemu ruchomego

– podstawowy element części komutacyjno-sieciowej

– połączona ze sterownikami stacji bazowych BSC i innymi centralami MSC

• Funkcje centrali MSC– zestawianie połączeń pomiędzy abonentami systemu GSM

– taryfikacja prowadzonych przez nią połączeń

• Budowa centrali– pole komutacyjne

– inne moduły

• Centrala tranzytowa GMSC– albo samodzielne urządzenie

– albo moduły IWF w centrali MSC

– łączy z abonentami innego

systemu telekomunikacyjnego


Rejestr macierzysty HLR• Miejsce w systemie• HLR (Home Location Register)

– przechowuje informacje o abonentach przydatne podczas zestawiania i obsługi połączeń

– od kilkuset tysięcy do miliona rekordów

– redundantny rejestr zapasowy

• Przechowywane dane– informacje o abonencie

– lokalizacja użytkownika

– usługi

• Funkcja– baza danych klientów sieci macierzystej– komutacja łączy i pakietów


Rejestr stacji obcych - VLR• Rejestr VLR związany jest z centralą

MSC

• Zawiera dane o wszystkich stacjach ruchomych, aktualnie znajdujących się w obszarze centralowym skojarzonym z daną MSC

• Każdy aparat w obszarze centralowym ma w VLR własny rekord

• Przechowywane dane– stan terminala (włączony, wyłączony,

rozmowa)– dane lokalizacyjne (identyfikator LAI i adres

rejestru HLR)– dodatkowe dane np. parametry szyfrowania i

identyfikacji abonenta


Stany terminala

• Wyłączony – nie pracuje w systemie GSM• W stanie czuwania – stacja ruchoma włączona, ale nie

bierze udziału w połączeniu, informuje o położeniu i czeka na ewentualne wywołanie

• terminal w stanie aktywnym – włączony i bierze w danej chwili udział w połączeniu


Od wyłączonego do włączonego

• Rozpoznanie sygnałów w kanałach sygnalizacyjnych• Wybór najsilniejszej stacji bazowej i rozpoznanie numeru LAI • Możliwe sytuacje:

– ta sama komórka – jeśli LAI=OldLAI (zapamiętany w stacji przed wyłączeniem) to w VLR zmieniany jest znacznik stanu terminala (OFFON)

– inna komórka ten sam obszar przywołań

– inny obszar przywołań a ten sam obszar centralowy - Jeśli LAI<>OldLAI to w VLR zmieniany jest znacznik stanu terminala (OFFON) i OldLAILAI

– inny obszar centralowy - Jeśli LAI<>OldLAI i MSCA<>OldMSCA to w nowym MSCA zakładany jest rekord VLR, zmieniany jest znacznik stanu terminala (OFFON) i OldLAILAI, a w starym MSC rekord abonenta jest z usuwany VLR


Wyłączanie telefonu

• Przejście ze stanu włączonego do wyłączonego– automatyczne wysłanie wiadomości z prośbą o odłączenie od

systemu.– w VLR zmieniany jest znacznik z ON na OFF.– od tej pory żadne sygnały nie są przesyłane do stacji

• Problemy z zachowaniem spójności– miejsce wyłączenia poza zasięgiem – sygnał może być

nieodebrany– szybki rozpad aparatu na części

• Rozwiązanie – okresowe potwierdzanie stanu czuwania


Okresowe potwierdzanie stanu czuwania

• System może nie odebrać informacji o chęci odłączenia od systemu

• Stacja ruchoma ma co pewien czas zgłaszać gotowość do przyjmowania rozmów

• Jeśli system nie otrzyma w przewidywanych odstępach czasu komunikatu od stacji ruchomej, uznaje ją za wyłączoną


Transmisja sygnału mowy

• Połączenie technik FDMA i TDMA• Każdy BTS dysponuje wiązką kilku kanałów częstotliwościowych, a

każdy kanał podzielony jest na 8 szczelin czasowych• Wybrana szczelina (lub ½ szczeliny) czasowa na określonym

kanale czasowym stanowi kanał rozmowny• W czasie rozmowy wysyłane są do sieci raporty pomiarowe o mocy

sygnału z pobliskich stacji bazowych– utrata sygnału przy oddalaniu się od stacji

– pogorszenie warunków propagacji w ramach jednej stacji

• Na podstawie analizy pomiarów BSC może:– przełączyć na inną stację bazową – roaming

– przyznać inną częstotliwość


Budowa ramki

• 148 bitów– 3 bity dopełnienia– 57 bitów danych– 1 bit znacznika– 26 bitów uczących– 1 bit znacznika– 57 bitów danych– 3 bity dopełnienia


Wywołanie rozmowy

• A dzwoni do B – telefon (A) zgłasza do stacji BTS(A) zadanie polaczenia z telefonem (B)– dociera ono do sterownika BSC(A) i centrali MSC(A)– MSC(A) wysyła zapytanie do HLR o lokalizację użytkownika B– HLR zwraca identyfikator MSC(B), gdzie przesyłane jest zadanie zestawienia

polaczenia– MSC(B) sprawdza w VLR, identyfikator LAI telefonu (B)– wszystkie stacje w tym obszarze przywołań otrzymują od BSC B) polecenie

wysyłania komunikatów wyszukujących telefon (B)– komórka BTS(B), w której zgłosi się telefon (B) informuje MSC(B) i zestawione

zostaje połączenie między abonentami

• Rozmowa:– telefon(A) – BTS(A) – BSC(A) – MSC(A) – MSC(B) – BSC(B) – BTS(B) –

telefon(B)

• Po zakończeniu rozmowy zostanie wysłany komunikat Call Data Record, niosący informacje taryfikacyjną


Wiadomości

• SMS – krótka wiadomość tekstowa (do 160 znaków)– mnogość usług

• EMS – możliwości multimedialne (grafika w formacie WBMP,

predefiniowane animacje i dźwięki)– możliwe podstawowe formatowanie dźwięku– zgodność z SMS

• MMS– wiadomość multimedialna– wysyłana w oparciu o GPRS do centrum wiadomości

multimedialnych, a potem do telefonu odbiorcy


Wysyłanie SMS-a

• A wysyła SMS do B• Wyszukiwanie:

– podobnie jak w przypadku nawiązywania rozmowy – Telefon(A)

BTS(A)BSC(A)MSC(A)HLR(B)MSC-VLR(B)BSC(B)BTS(B)telefon(B)

• SMS:– Telefon(A)BTS(A)BSC(A)MSC(A)SMSCM

SC(B)BSC(B)BTS(B)Telefon(B)


Uwierzytelnianie użytkowników• Uwierzytelnianie karty SIM

– centrum uwierzytelniania (AuC) jest modułem związanym z rejestrem macierzystym HLR

– przy próbie zalogowania się użytkownika do sieci w AuC generowana jest liczba losowa R

– na jej podstawie oraz na podstawie klucza Ki algorytmy szyfrujące A3 i A8 generują odpowiednio podpis elektroniczny SRES i klucz szyfrujący Kc, które razem z liczbą R przesyłane są do centrali MSC, a liczba R dalej do telefonu komórkowego

– algorytmy A3 i A8 zapisane na karcie SIM na podstawie zapisanego tam klucza Ki i nadesłanej liczby losowej R generują również podpis elektroniczny SRES i klucz szyfrujący Kc

– podpis SRES jest przesyłany do centrali MSC i porównywany z tym wygenerowanym przez system

– w przypadku zgodności kluczy telefon jest dopuszczony do systemu, a klucze Kc służą do szyfrowania transmisji bezprzewodowej


Uwierzytelnianie użytkowników (2)• Sprawdzanie aparatu

– rejestr identyfikacji wyposażenia EIR zawiera dane wszystkich aparatów (stacji ruchomych) pracujących w systemie

– numer IMEI telefonów są pamiętane na trzech listach, czarnej, białej i szarej

– tylko telefony z białej listy sa dopuszczane do systemu i jego zasobów

– rejestr EIR znakomicie nadaje się do blokowania skradzionych aparatów, niestety możliwość zmiany numeru IMEI w telefonie omija to zabezpieczenie


Zespół eksploatacji i utrzymania

• Funkcje centrum OMS– baza danych o abonentach– generowanie statystyk– taryfikacja usług w sieci– lokalizacja uszkodzeń i ewentualne

rozwiązywanie problemów– analiza ruchu w sieci i jego obciążenia


Dziękuję za uwagę


Wykład 6: System GSM

Documents

Transcript of Wykład 6: System GSM