INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK MENEDZSMENTJE MOBIL KOMMUNIKÁCIÓ Dr. Babarczi Péter egyetemi adjunktus BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék MTA-BME Lendület Jövő Internet Kutatócsoport
2
MOBIL TELEFON HÁLÓZATOK ÉS SZOLGÁLTATÁSOK
3
A szolgáltatások egyre inkább mobillá válnak
4
Mobil szolgáltatások Alapszolgáltatások • Alapszolgáltatások • A mobil hálózatok alapszolgáltatása a beszéd és az sms, a rövid üzenet szolgáltatás (short message service). • További szolgáltatás az mms, a multimédiás üzenet szolgáltatás (multimedia message service). • Mobil Internet • Szélessávú hozzáférés • e-mail-ek fogadása és küldése • Web-használat • Mobil fizetés • Szolgáltatások igénybevétele, pl. mobil parkolás, autópálya matrica megvásárlása. • Emeltdíjas hívószámok segítségével adományok eljuttatása árvíz- és viharkárosultaknak. • Internetes fizetések jóváhagyása céljából a bank SMS-ben kódot küld a felhasználóknak.
5
Mobil szolgáltatások Üzleti megoldások • Vállalati megoldások • Flottakedvezmények, havi adott összegű költség fejében egymás között ingyen beszélgethetnek. • „Mobil iroda”: egy vállalat vagy intézmény munkatársai mobil Interneten keresztül bárhonnan hozzáférhessenek a cég központi szerverén tárolt információkhoz, adatbázisokhoz. • Hely-alapú szolgáltatások • Egyre több mobil eszközbe, tabletbe, mobil telefonokba épül be GPS a navigációs szolgáltatásokhoz • A mobil hálózatok is adott – több 10 vagy 100 m-es – pontossággal meg tudják határozni a mobil készülék helyét • A hely, a település, városrész neve alapján tájékoztatást kaphatunk az adott hely történetéről, nevezetességeiről. • Megtudhatjuk, hol van legközelebb benzinkút, orvosi rendelő, étterem, szálláshely, kocsma.
6
Mobil szolgáltatások Társadalmi hasznosulás • Oktatás • Kérhetünk mobil Interneten keresztüli nyelvi segítséget, pl. szótárakat mobil hálózati kapcsolat alapján, fordító alkalmazások. • A távoktatási anyagok laptopon használhatók hatékonyan. A mobilitás biztosítja azt, hogy bárhol, bármikor foglalkozzon a „tanuló” a mobil Interneten keresztül elérhető tananyaggal. • Egészségügy • Az egészségügyi alkalmazásoknál igen fontos kritérium a betegek személyes információinak, kifejezetten az egészségügyi információknak a szigorú védelme. • Az Interneten, védett átvitel alkalmazásával, az adatok átkerülhetnek az egészségügyi intézményekhez, amelyek éppen a beteg kivizsgálásával, kezelésével foglalkoznak • Számos beteg, ill. idős ember esetében rendszeres pulzus, vérnyomás, ill. cukorszint stb. mérési adatok automatikusan elküldésre kerülhetnek az illetékes orvoshoz.
7
Mobil/vezetéknélküli jövőkép • Az Internet fontos része lesz az „Internet of Things”. • Környezetünk tele lesz IP által elérhető eszközökkel,
érzékelőkkel, beavatkozó szervekkel. • 2020-ra kb. 50 milliárd kapcsolat lesz a hálózaton.
8
Mobil hálózatok fejlődése • 1. generációs analóg mobil rendszerek • pl. NMT 450 MHz, Skandináviában, ill. további 30 országban terjedt el, Magyarországon 1990-től 2005-ig működött • 2. generációs digitális mobil rendszerek • pl. GSM a 900 MHz-es (890-960 MHz) és a 1800 MHz-es sávot (17101880 MHz) használja, Európában teljes körűen, de a világ más részein is elterjedt, Magyarországon 1994-ben indult el a GSM szolgáltatás • 3. generációs digitális mobil rendszerek • pl. UMTS, az 1900 MHz-es (1900-1980 MHz), a 2000 MHz-es (20102025 MHz) és a 2100 MHz-es (2110-2170 MHz) sávokban működik. • Magyarországon 2006-ban indult el a 3G szolgáltatás. • 4. generációs digitális mobil rendszerek • pl. LTE (Long Term Evolution) szabványosítása, bevezetése megtörtént, Magyarországon is. • 5. generációs digitális mobil rendszerek • Átfogó hálózati koncepció (nem csak a rádiós interfészen), 2020-ra
9
1 Gbps
100 Mbps
Sávszélesség
Mobil adatkommunikáció fejlődése • • • • • • •
LTE GSM - Global System for Mobile communication Advanced GPRS - General Packet Radio Services 1 Gbps EDGE - Enhanced Data (rate for the) GSM Evolution UMTS - Universal Mobile Telecommunications System HSPA+ - High Speed Packet Access Plus LTE - Long Term Evolution LTE LTE Advanced - 4G LTE 100 Mbps
50 Mbps
HSPA+ 28 Mbps
2 Mbps 384 kbps 56 kbps 14,4 kbps
GSM 14,4 kbps
2G
EDGE 384 kbps
GPRS 114 kbps
2,5G
UMTS 2 Mbps
3G
3,5G
3,9G
4G
Technológia
10
Mobil hálózatok Rendszerek/technológiák együttműködése
• Világszerte eltérő rendszerek alakultak ki • De mára már a legtöbb készülék bármely országban tud csatlakozni • A mobil technológiák fejlődése Európában • Egész Európára vonatkozó specifikációk és szabványok összehangolt kidolgozása folyik • Szolgáltatási engedélyeket és frekvenciákat csak a szabványos rendszerekre adnak ki • A szolgáltatási piac szabályozott • A készülékpiacon teljesen szabad a verseny • Európában a mobil szolgáltatás még mindig fejlődik, terjed a mobil Internet használat • A 2G, 3G és 4G párhuzamosan működik (többnormás készülékek)
11
GSM (2G) MOBIL HÁLÓZATOK Hálózati architektúra Azonosítók Adatátvitel (GPRS)
12
GSM (2G) mobil hálózatok felépítése • A szomszédos cellák által
használt frekvenciák különböző • A cellák mérete függ: • Földrajzi viszonyok • Alkalmazott technológia • Forgalom • Bázisállomás magassága
Hálózati alapegység egy-egy antenna vételi körzete (cella)
13
GSM (2G) mobil hálózati elemek Bázisállomás alrendszer (BSS - Base Station Subsystem) B T S
BSC
BSS
Hálózati és kapcsoló alrendszer (NSS- Network & Switching Subsystem)
NSS
T R A U
HLR MSC AuC VLR EIR
MS
Mobil készülék (Mobile Station)
GMSC MSC
PSTN / ISDN más PLMN
VLR SMSC
14
Mobil készülék • SIM: előfizetőt azonosító modul („SIM kártya”, Subscriber
Identity Module) • Azonosítók tárolása (IMSI, titkos kulcs) • Előfizetői adatok tárolása • Autentikáció (az előfizető kilétének ellenőrzése) • Titkosítás (a beszéd és a jelzések titkosítása)
15
Bázisállomás-alrendszer • BTS: Bázisállomás egy vagy több elemi adó/vevő (Base
Transciever Station) • TRAU: Átkódoló és sebességillesztő egység (Transcoder and Rate Adapter Unit) • Beszédátvitel esetén 13 (5,6) kbit/s kodek
64 kbit/s PCM • Adatátvitelnél is sebesség illesztés: kisebb sebességek (pl. 14.4 kbit/s) 64 kbit/s (felesleges bitek beékelése/kiiktatása)
• BSC: Bázisállomás-vezérlő (Base Station Controller) • egy vagy több BTS-t vezérel • rádiócsatorna-hozzárendelés • hívásátadás-vezérlés
16
Hálózati és kapcsoló alrendszer Adatbázisok
• HLR: honos előfizetői helyregiszter (Home Location
Register) • egy HLR hálózatonként • előfizetőre vonatkozó adatok, szolgáltatási jogosultságok • aktuális tartózkodási hely (MSC/VLR szinten)
• AuC: hitelesítő (autentikációs) központ (Authentication
Centre) • Általában a HLR-rel egybeépítve
• EIR: készülék azonosító regiszter (Equipment Identity
Register) • Fekete/fehér/szürke lista
17
Hálózati és kapcsoló alrendszer Kapcsolóközpontok
• MSC: mobil kapcsolóközpont (Mobile Switching Centre) • „hagyományos”, digitális kapcsolóközpont • mobil-specifikus bővítésekkel • • • •
autentikáció helyzetnyilvántartás hívásátadás BSC-k között barangolás
• VLR: látogató előfizetői helyregiszter (Visitor Location
Register) • Elvileg földrajzi (tartózkodási) körzetenként (location area) egy-egy • Gyakorlatilag az MSC-vel egybeépítve: egy MSC körzete egy
földrajzi (tartózkodási) körzet • A HLR információinak egy részét tárolja ideiglenesen (ami a
hívásfelépítéshez szükséges) az ott tartózkodó mobil állomásokról
18
Hálózati és kapcsoló alrendszer Speciális funkciójú kapcsolóközpontok
• GMSC: kapu MSC (Gateway MSC) • Kapcsolattartás más hálózatokkal (PSTN/ISDN, ill. más PLMN) • PLMN: Public Land Mobile Network (Nyilvános földi mobil hálózat) • SMSC: SMS központ (Short Message Service Centre) • Fogadja az elküldött SMS-eket • Megpróbálja továbbítani a címzettnek
19
GSM (2G) hálózati azonosítók • IMSI: nemzetközi mobil előfizető azonosító (International
Mobile Subscriber Identity) • a GSM hálózatokban ez azonosítja az előfizetőt: az adatbázisok
ezzel vannak indexelve, a SIM kártyához van rendelve • IMSI = mobil országkód (Mo.: 216) + mobil hálózati kód
(Mo.:01/30/70) + 10 jegyű mobil előfizető azonosító szám, egyedi a világon • Szolgáltató váltásnál az MSISDN maradhat, de a SIM kártyát és ezzel együtt az IMSI-t cserélni kell
• MSISDN: mobil állomás ISDN száma (Mobile Station
ISDN Number) • a jól ismert mobil telefonszám • MSISDN = országkód (Mo.: 36) + hálózatkijelölő szám
(Mo:20/30/70) + előfizetői szám, egyedi a világon
20
GSM (2G) hálózati azonosítók • MSRN: barangoló szám (Mobile Station Roaming
Number) • egy VLR-hez tartozó helyi címtartományba tartozó telefonszám,
amit az ott tartózkodó GSM készülék ideiglenesen használ • a felhasználó számára transzparens, nem látszik • ez teszi lehetővé, hogy a szám utaljon a földrajzi helyre: ebből a számból már tudni, hogy merre kell keresni az adott készüléket, ha felhívja valaki
• TMSI: ideiglenes mobil előfizető azonosító (Temporary
Mobile Subscriber Identity) • hogy az IMSI lehetőleg ne kerüljön ki a rádiós interfészre
• IMEI: nemzetközi mobilkészülék-azonosító (International
Mobile Equipment Identity)
21
GSM (2G) hívásfelépítés Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás (hívott MSc saját hálózatban) GSM hálózat HLR GMSC
MSC (hívott) VLR VLR VLR
MSC (Hívó)
22
GSM (2G) hívásfelépítés Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás (hívott MSc másik hálózatban) GSM hálózat GSM hálózat HLR GMSC VLR VLR VLR
MSC (Hívó)
23
GSM (2G) hívásfelépítés PSTN/ másik PLMN felől érkező hívások
GSM hálózat
• PSTN a tárcsázott
MSISDN alapján a hívott honos PLMN GMSC-jéhez irányítja a hívást • A hívás további felépítését a GMSC fogja vezérelni • Hasonló a helyzet, ha a hívás a PSTN helyett egy másik PLMN-ből érkezik
GMSC PLMN/PSTN
MSISDN
VLR
24
Tarifaszerkezet Roaming
• „Személyiségi jogok” biztosítása (User Confidentiality) • hívott: joga van, hogy a helye ne derüljön ki indirekt módon sem (fizetett díjból tudom, hogy saját hálózatban van-e) • hívó: joga van előre tudni a hívás körülbelüli díját
Hívó fizeti
Hívó tartózkodási hálózata
Hívott fizeti
Hívott honos hálózata
Hívott tartózkodási hálózata
25
GSM (2G) SMS küldés Jelzéshálózati szolgáltatás (nem használja a beszédáramköröket) • Nincs közvetlen kapcsolat a feladó és a címzett között, csak
az SMSC-n keresztül • Két független SMS küldési szolgáltatás • Mobile Originated SMS: feladó -> (honos szolgáltató) SMSC • Mobile Terminated SMS: SMSC -> címzett • Nem garantált szolgáltatás GSM hálózat GSM hálózat
HLR HLR
MSC SMSC
SMSC MSC
SMSC
Forward _SM
(SMS (SMStovábbítása) tov ábbítása)
GSM
MSC
(SMS továbbítása) bbítása)
26
Adatkommunikáció 2G hálózatokban GPRS - General Packet Radio Services
• Azonos rádiós technológia/architektúra 2G-vel, a
csomagkapcsolást megvalósító extra csomópontokkal MSC VLR BTS
. . . BTS
B S C
T R A U P C U
Gs
HLR
Gr
SGSN
MS
Gc
GGSN
PDN
CG SGSN
BG BG
Másik PLMN
27
GPRS hálózati csomópontok • GGSN: GPRS átjáró csomópont (Gateway GPRS Support
Node) • PDN (Packet Data Network) felé való kapcsolat
• SGSN: GPRS kiszolgáló csomópont (Serving GPRS Support
Node) • csomagkapcsoló (packet switch) • titkosítás – 2. rétegben • mobilitás menedzselés (kb. VLR funkció) • nem kell külön a GPRS-hez és a GSM-hez is bejelentkezni
• CG: számlázást végző egység (Charging Gateway) • SGSN: GPRS használat költsége • GGSN: „külső” PDN használat költsége • BG: határkapu (Border Gateway) • más szolgáltató GPRS hálózatához való kapcsolódás
28
GSM (2G) RÁDIÓS INTERFÉSZ Autentikáció és titkosítás Hívásátadás Többszörös hozzáférés
29
Autentikáció és titkosítás • A rádiós interfészen nyilvános azonosító használatával
bárki, bárki más nevében bejelentkezhet • A hálózatnak ellenőriznie kell a „személyazonosságot”, mert
egyébként a „bárki más” fizet • Titkos azonosító kell, ami NEM kerülhet ki soha a hálózatba, különösen nem a rádiós interfészre!
• A gyártó minden SIM kártyához generál egy egyedi, 128
bites (jó hosszú!) titkos kulcsot • Ki: egyéni előfizetői kulcs (Individual Subscriber Key) • ezt off-line módon (pl.: papír) eljuttatja a SIM kártyát megvásároló
szolgáltatónak • a szolgáltató az előfizető – előfizetői kulcs párokat (IMSI - Ki) tárolja az autentikációs központjában (AuC)
30
Autentikáció és titkosítás Elv
• Túl nagy jelzésforgalmat igényelne, ezért gyakorlatban
vonjuk be a kiszolgáló MSC-t is! SIM Ki
AuC Ki
IMSI Kc
SRES
RAND SRES
beszéd sifrírozás Kc alapján
SRES
Kc
azonos? beszéd desifrírozás Kc alapján
RAND: Random Number (véletlen szám) SRES: Signed Result (aláírás) Kc : Ciphering Key (sifrírozó kulcs)
31
Autentikáció és titkosítás Gyakorlati megvalósítás
SIM Ki
AuC bejelentés (IMSI) Ki
MSC/VLR regisztrál
5 db autentikációs triplet { RAND, SRES, KC } bejelentkezik RAND
egyezik?
SRES
BTS K c sifrírozott beszéd
32
Hívásátadás (Handover) A mobil készülék körzetváltása
• A mobil készülék mozog
a hálózatban, • figyeli a vezérlő csatornákat, • ráhangolódik a legerősebb jelű csatornára, • az új helyi körzet (LA) közli a hálózattal a mobil készülék új tartózkodási helyét.
33
Hívásátadás (Handover) Körzetváltás okai
• Forgalmi ok miatti hívásátadás • Ha egy cella kihasználtsága közel van a maximumhoz, akkor a cella szélén levő mobil állomások átadhatók a szomszédos, kisebb forgalmú celláknak • az MSC kezdeményezi az eljárást • Jelminőség és jelerősség miatti hívásátadás • Ha egy mobil készülék (MS) mozog egy hívás során, akkor lehetséges, hogy egyik cellából átmegy egy másikba • Az előző cella rádiós erőforrásait már nem tudja használni • Ilyenkor az mobil készüléket átadják az új cellának • A mobil készülék érzékeli, hogy hívásátadásra van szükség, de a döntést a BSC hozza meg
34
Többszörös hozzáférés FDMA - Frequency Division Multiple Access
• Frekvenciaosztásos • •
• • •
többszörös hozzáférés Az első generációs (1G NMT) rendszerben használták Egy-egy cellán belül minden felhasználóhoz külön frekvenciát rendelnek Folyamatos az átvitel mindkét irányban Kis vivő sávszélesség szükséges Nincs időbeli szinkronizáció
35
Többszörös hozzáférés TDMA - Time Division Multiple Access
• Az egyes vivőfrekvenciákat
(csatorna) adott számú felhasználó közösen használja időben megosztva (időrés – time slot) • A felhasználók szempontjából az átvitel mindkét irányban szakaszos • Nagyobb vivősávszélesség szükséges • Az átvitelt időben szinkronizálni kell
36
Többszörös hozzáférés FDMA-TDMA átvitel Frekvencia
Jelszint [db]
f2 f1
f3
37
GSM (2G) rádiós hozzáférés • Frekvenciák • 890 - 915 MHz (GSM) / 1710 - 1785 MHz (DCS) felfelé • 935 - 960 MHz (GSM) / 1805 - 1880 MHz (DCS) lefelé • Sávszélesség: 25 MHz (GSM) / 75 MHz (DCS) • Vivőtávolság: 200 kHz • Rádiócsatornák száma: 25000/200 = 125 (GSM) / 375 (DCS) • Beszédcsatornák száma: 8 időrés*125 = 1000 (GSM), 3000 (DCS) • Csatornasebesség: 270,833 kbps (8 beszédcsatorna egyben) • Közeghozzáférés • FDMA/TDMA (Frequency Division Multiple Access/Time Division Multiple Access) DCS - Digital Cellular System (GSM által használt frekvenciasáv)
38
UMTS (3G) MOBIL HÁLÓZATOK
39
UMTS (3G) architektúra Universal Mobile Telecommunications System
• Technológiailag
teljesen új rádiós interfész GSM-hez képest • Bázisállomások helyett Node B
• GERAN: GSM/EDGE Radio
Access Network • UTRAN: Universal Terrestrial
Radio Access Network • RNC: radio network controller
40
UMTS (3G) rádiós hozzáférés Universal Mobile Telecommunications System
• Frekvenciák • 1885-2025 MHz felfelé, 2110-2200 MHz lefelé
P (teljesítmény)
• Közeghozzáférés: • CDMA (Code Division Multiple Access), kódosztásos többszörös hozzáférés (cél: jobb spektrumkihasználtság) • Ugyanaz a frekvencia, ugyanaz az idő, más a kód • Minden jel „szétkenve” a teljes spektrumra, de kisebb teljesítménnyel koncentrált spektrum szórt spektrum f
41
Többszörös hozzáférés CDMA - Code Division Multiple Access
• Kódosztásos többszörös
hozzáférés • A 3G rendszerben használják • Egy-egy cellán belül minden
felhasználóhoz külön kódot rendelnek • Folyamatos az átvitel mindkét irányban • Nagy vivő sávszélesség szükséges • Az átvitelt időben szinkronizálni kell
42
Többszörös hozzáférés CDMA kódosztás elve • Működés: a digitális jelet összeszorozzuk egy ún. szórókóddal
(spreading code), és ezt sugározzuk ki • a szorzás pontosabban: NOT(XOR(bit1,bit2)) • a kisugárzott jel hozzáadódik a többi adó által kisugárzotthoz
• A szórókód bitsebessége (chiprate) sokkal (kb. 100x) nagyobb • A szórókódok ortogonálisak, azaz egy bitidőre átlagolva két
szórókód szorzatára nullát kapunk
43
VEZETÉK NÉLKÜLI HOZZÁFÉRÉSI TECHNOLÓGIÁK
44
WLAN – Vezetéknélküli helyi hálózat • Wi-Fi (Wireless Fidelity, IEEE 802.11b szabvány) • Frekvencia: 2,4 GHz, max. sebesség 11 Mbit/s, hatótávolság kb. 100 m • ISM sáv – engedélymentes: industrial, scientific, and medical • „Hot-spot”-ok - szállodák, éttermek, konferenciatermek, repülőtér • Laptopok, tabletek kapcsolódása az Internethez (beltéri megoldás) • Wi-Fi+ továbbfejlesztés (IEEE 802.11n szabvány) • Max. felhasználói sebesség 54 Mbit/s, összsebesség 600 Mbit/s • HDTV, beszéd és adatkommunikáció egyidejűleg lehetséges • Együttműködés a korábbi eszközökkel • Linksys Wi-Fi router és Air Live vezetéknélküli hozzáférési pont
45
Fix vezeték nélküli hozzáférés Heterogén hozzáférési hálózatok egyre inkább elterjedtek • WiMAX (IEEE 802.16a szabvány) • Frekvencia: 2-11 GHz (pl. 3,5, 5,4, 5,8 GHz), max. sebesség 70 Mbit/s, hatótávolság: 32-56 km • Alkalmas mikrohullámú gerinchálózat kiépítésére • Lehetővé teszi városrészek, települések szélessávú ellátását • Kombinálható a Wi-Fi-vel (épületig WiMAX, épületben Wi-Fi)
46
Műholdas távközlés Pályamagasság elvileg bármi, de légkörön kívül , illetve Van Allen sugárzási övek • LEO - Low Earth Orbit, alacsony magasságú pálya • Hubble, ISS (International Space Station) • 400-1,500 km
• MEO - Medium Earth Orbit, közepes magasságú pálya • GPS műholdak • 5000-12,000 km • GEO - Geostationary Earth Orbit, geostacionárius pálya • Távközlési célok, műsor sugárzás • 35,785 km • a műhold szögsebessége egyezik a Föld forgási sebességével • mindig az egyenlítő ugyanazon pontja felett látszik • három, az egyenlítő felett elhelyezkedő műholddal elvileg a teljes Föld
lefedhető • nincs szükség az antennával követni a műholdat!
