BME Gazdaság- és Társadalomtudományi Kar Műszaki menedzser alapszak (BSc)
INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK MENEDZSMENTJE Mobil kommunikáció (Beszéd, SMS, GPRS, UMTS) Dr. Babarczi Péter - Dr. Abos Imre BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapest, 2014. IKRM - Mobil kommunikáció
1
Babarczi - Abos
Mobil rádiótelefon hálózatok • •
Világszerte eltérő rendszerek alakultak ki 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 és a 3G párhuzamosan működik (kétnormás készülékek) A 4G mobil bevezetése megkezdődött
IKRM - Mobil kommunikáció
2
Page 1
Babarczi - Abos
Mobil rádiótelefon hálózatok A mobil rádiótelefon 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 (2010-2025 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 folyik, Magyarországon is. 3
IKRM - Mobil kommunikáció
Babarczi - Abos
Mobil rádiótelefon hálózatok A GSM mobil hálózatok felépítése
Cella
Home
• Hálózati alapegység egy-egy antenna vételi körzete
Ügyfélnyilvántartás Visitor
• A szomszédos cellák által használt frekvenciák különböző • A cellák mérete függ: • Földrajzi viszonyok • Alkalmazott technológia • Forgalom • Bázisállomás magassága IKRM - Mobil kommunikáció
4
Page 2
Mobil kapcsolóközpont Bázisállomás-vezérlő
Mobil állomás Babarczi - Abos
GSM hálózati elemek Network & Switching Subsystem Base Station Subsystem B T S
BSC
BSS
T R A U
NSS HLR MSC AuC VLR EIR
MS
Mobile Station
GMSC MSC
PSTN / ISDN más PLMN
VLR SMSC
TRAU - Transcoder and Rate Adapter Unit IKRM - Mobil kommunikáció
5
Babarczi - Abos
Hálózati és kapcsoló alrendszer NSS – Network and Switching Subsystem •
Mobil kapcsolóközpont (MSC – Mobile Switching Centre) • „hagyományos”, digitális kapcsolóközpont • mobil-specifikus bővítésekkel • autentikáció • helyzetnyilvántartás • hívásátadás BSC-k között • barangolás
•
Honos előfizetői helyregiszter (HLR – Home Location Register) • egy HLR hálózatonként • előfizetőre vonatkozó adatok, szolgáltatási jogosultságok • aktuális tartózkodási hely (MSC/VLR szinten)
IKRM - Mobil kommunikáció
6
Page 3
Babarczi - Abos
Hálózati és kapcsoló alrendszer NSS – Network and Switching Subsystem •
Látogató előfizetői helyregiszter (VLR – 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
•
Hitelesítő (autentikációs) központ (AuC – Authentication Centre) • Általában a HLR-rel egybeépítve
•
Készülék azonosító regiszter (EIR – Equipment Identity Register) • Fekete/fehér/szürke lista
IKRM - Mobil kommunikáció
7
Babarczi - Abos
Hálózati és kapcsoló alrendszer NSS – Network and Switching Subsystem
• Kapu MSC (GMSC – Gateway MSC) •
Kapcsolattartás más hálózatokkal (PSTN/ISDN, ill. más PLMN)
•
PLMN: Public Land Mobile Network (Nyilvános földi mobil hálózat)
• SMS központ (SMSC – Short Message Service Centre)
• •
Fogadja az elküldött SMS-eket Megpróbálja továbbítani a címzettnek
IKRM - Mobil kommunikáció
8
Page 4
Babarczi - Abos
Bázisállomás-alrendszer BSS – Base Station Subsystem
• Bázisállomás • •
egy vagy több elemi adó/vevő (BTS – Base Transciever Station) Átkódoló és sebességillesztő egység (Transcoder and Rate Adapter Unit, TRAU vagy TC) • 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)
• Bázisállomás-vezérlő (BSC) • • •
egy vagy több BTS-t vezérel rádiócsatorna-hozzárendelés hívásátadás-vezérlés
IKRM - Mobil kommunikáció
9
Babarczi - Abos
Mobil állomás MS – Mobile Station •
Előfizetőt azonosító modul („SIM kártya”) – (SIM – Subscriber Identity Module) • Azonosítók tárolása • Autentikáció • Előfizetői adatok tárolása
IKRM - Mobil kommunikáció
10
Page 5
Babarczi - Abos
Azonosítók a GSM-ben •
IMSI: International Mobile Subscriber Identity – nemzetközi mobil előfizető azonosító • 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
• szolgáltatóváltásnál az MSISDN maradhat, de a SIM kártyát és ezzel együtt az IMSI-t cserélni kell
•
MSISDN: Mobile Station ISDN Number – mobil állomás ISDN száma • a jól ismert mobil telefonszám • MSISDN = országkód (Mo.: 36) + hálózatkijelölő szám (Mo:20/30/70) + előfizetői szám, egyedi a világon
IKRM - Mobil kommunikáció
11
Babarczi - Abos
Azonosítók a GSM-ben •
MSRN: Mobile Station Roaming Number – barangoló szám • 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: Temporary Mobile Subscriber Identity – ideiglenes mobil előfizető azonosító • hogy az IMSI lehetőleg ne kerüljön ki a rádió interfészre
•
IMEI: International Mobile Equipment Identity – nemzetközi mobilkészülék-azonosító
IKRM - Mobil kommunikáció
12
Page 6
Babarczi - Abos
Biztonsági kérdések •
Autentikáció (hitelesítés – Authentication) • Az előfizető „kilétének” ellenőrzése
•
Titkosítás („sifrírozás” – Ciphering) • A beszéd és az „érzékeny” adatokat tartalmazó jelzések titkosítása.
•
IMEI ellenőrzés • A készülék azonosítása
•
„Személyiségi jogok” biztosítása (User Confidentiality) • Tarifaszerkezet • 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 Hívott fizeti TMSI használata IMSI helyett Hívó tartózkodási Hívott honos Hívott tartózkodási hálózata hálózata hálózata 13
IKRM - Mobil kommunikáció
Babarczi - Abos
Autentikáció - Titkosítás •
Probléma: a rádió interfészen nyilvános azonosító használatával bárki, bárki más nevében bejelentkezhet
• és a „bárki más” fizet • • •
A hálózatnak ellenőriznie kell a „személyazonosságot” Titkos azonosító kell! Ez NEM kerülhet ki soha a hálózatba, különösen nem a rádió interfészre
IKRM - Mobil kommunikáció
14
Page 7
Babarczi - Abos
Autentikáció - Titkosítás •
Gyártó: Minden SIM kártyához generál egy egyedi, 128 bites (jó hosszú!) titkos kulcsot
• Ki – Individual Subscriber Key – egyéni előfizetői kulcs • ezt off line módon (papír, floppy, …) eljuttatja a SIM kártyát megvásároló szolgáltatónak
• az tárolja az autentikációs központjában (AuC): IMSI - Ki
15
IKRM - Mobil kommunikáció
Babarczi - Abos
Autentikáció – elv SIM Ki
AuC Ki IMSI
Kc
A3 SRES A8
RAND
SRES
A3 SRES A8
Kc
azonos? beszéd desifrírozás Kc alapján A5
beszéd sifrírozás Kc alapján A5 RAND: Random Number (véletlen szám) SRES: Signed Result (aláírás) Kc: Ciphering Key (sifrírozó kulcs)
TÚL NAGY JELZÉSFORGALMAT IGÉNYELNE! VONJUK BE A KISZOLGÁLÓ MSC - t is! IKRM - Mobil kommunikáció
16
Page 8
Babarczi - Abos
Autentikáció – gyakorlati megvalósítás SIM Ki
AuC
MSC/VLR bejelentés (IMSI)
regisztrál
Ki
5 db autentikációs triplet { RAND, SRES, KC } bejelentkezik RAND
egyezik?
SRES BTS
KC
sifrírozott beszéd 17
IKRM - Mobil kommunikáció
Babarczi - Abos
Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás 1. eset A hívott MSC-je saját hálózatban! GSM Network
HLR
GMSC MSC (hívott) VLR VLR VLR
MSC (Hívó)
IKRM - Mobil kommunikáció
18
Page 9
Babarczi - Abos
Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás 2. eset A hívott MSC-je más hálózatban!
GSM Network
HLR
GMSC MSC (hívott) VLR VLR VLR
MSC (Hívó)
19
IKRM - Mobil kommunikáció
Babarczi - Abos
PSTN/PLMN felől érkező hívások
•
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
GSM Network
IKRM - Mobil kommunikáció
20
Page 10
Babarczi - Abos
Hívásátadás (Handover) A mobil készülék körzetváltása (handover) • 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
21
IKRM - Mobil kommunikáció
Babarczi - Abos
Hívásátadás (Handover)
• 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 MS mozog egy hívás során, akkor lehetséges, hogy egyik cellából átmegy egy másikba
• Az előző cella rádió erőforrásait már nem tudja használni • Ilyenkor az MS-t átadják az új cellának • Az MS érzékeli, hogy hívásátadásra van szükség, de a döntést a BSC hozza meg
IKRM - Mobil kommunikáció
22
Page 11
Babarczi - Abos
SMS (Short Message Service) • •
Jelzéshálózati szolgáltatás (nem használja a beszédáramköröket) Datagram szolgáltatás: nincs közvetlen kapcsolat a feladó és a címzett között, csak az SMSC-n (SMS Centre) keresztül Két független SMS küldési szolgáltatás • MO (Mobile Originated) SMS: feladó -> (honos szolgáltató) SMSC • MT (Mobile Terminated) SMS: SMSC -> címzett Nem garantált szolgáltatás
•
•
1. Send routing info for SM HLR
SMSC
SMSC MSC
MSC
MSC SMSC
GSM GSM
Forward_SM Forward _SM (SMS (SMStovábbítása) tov ábbítása)
2. Forward_SM (SMS továbbítása) GSM (GPRS) Network
(GPRS) Network
23
IKRM - Mobil kommunikáció
Babarczi - Abos
GSM RÁDIÓS HOZZÁFÉRÉS Frekvenciahasználat • 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: 125 (GSM) / 375 (DCS) Csatornasebesség: 270,833 kbps (8 beszédcsatorna egyben) Beszédcsatornák száma: 1000 (GSM), 3000 (DCS)
A rádiós kapcsolat (link) • Többszörös hozzáférés: FDMA/TDMA FDMA: Frequency Division Multiple Access TDMA: Time Division Multiple Access IKRM - Mobil kommunikáció
24
Page 12
Babarczi - Abos
FDMA - Frequency Division Multiple Access Frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés • Az első generációs (pl. NMT) rendszerben használták • Egy-egy cellán belül minden felhasználóhoz külön frekvenciát rendelnek • Folyamatos az átvitel mindkét irányban • Kis vivő sávszélesség szükséges • Nincs időbeli szinkronizáció
IKRM - Mobil kommunikáció
25
Babarczi - Abos
TDMA - Time Division Multiple Access Időosztásos többszörös hozzáférés • 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
IKRM - Mobil kommunikáció
26
Page 13
Babarczi - Abos
FDMA - TDMA ÁTVITEL Frekvencia
Jelszint [db]
f3
f2 f1
27
IKRM - Mobil kommunikáció
Babarczi - Abos
GPRS hálózatok felépítése GPRS - General Packet Radio Services A BTS
. . . BTS
B S C
T R A U P C U
MSC VLR Gs
HLR
Gr
SGSN
Gc
GGSN
MS
PDN
CG BG
SGSN
BG
IKRM - Mobil kommunikáció
28
Page 14
Másik PLMN
Babarczi - Abos
GPRS hálózati elemek •
GGSN: Gateway GPRS Support Node – GPRS átjáró csomópont
• PDN (Packet Data Network) felé való kapcsolat •
SGSN: Serving GPRS Support Node – GPRS kiszolgáló csomópont
• csomagkapcsoló (packet switch) • titkosítás – 2. rétegben • mobilitás menedzselés (kb. VLR funkció) • hogy ezt jelenthesse a HLR felé – Gr IF • opcionális Gs IF a VLR felé • nem kell külön a GPRS-hez és a GSM-hez is bejelentkezni
•
CG: Charging Gateway – számlázást végző egység
• SGSN: GPRS használat költsége • GGSN: „külső” PDN használat költsége •
BG: Border Gateway – határkapu
• más szolgáltató GPRS hálózatához való kapcsolódás IKRM - Mobil kommunikáció
29
Babarczi - Abos
UMTS (3G) RÁDIÓS HOZZÁFÉRÉS Universal Mobile Telecommunications System
Frekvenciák: • 1885-2025 MHz felfelé • 2110-2200 MHz lefelé (ebből műholdas: 1980-2010 MHz fel, 2170-2200 MHz le)
Közeghozzáférés:
P (teljesítmény)
• CDMA (Code Division Multiple Access), kódosztásos többszörös hozzáférés • Ugyanaz a frekvencia, ugyanaz az idő, más a kód • Minden jel „szétkenve” a teljes spektrumra, de kisebb teljesítménnyel Cél: jobb spektrumkihasználtság
IKRM - Mobil kommunikáció
koncentrált spektrum szórt spektrum f 30
Page 15
Babarczi - Abos
CDMA - Code Division Multiple Access Kódosztásos többszörös hozzáférés • • • • •
A 3. generációs (pl. UMTS) 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
IKRM - Mobil kommunikáció
31
Babarczi - Abos
A 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
IKRM - Mobil kommunikáció
32
Page 16
Babarczi - Abos
