2
INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK MENEDZSMENTJE
MOBIL TELEFON HÁLÓZATOK ÉS SZOLGÁLTATÁSOK
MOBIL KOMMUNIKÁCIÓ Dr. Babarczi Péter egyetemi adjunktus BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék MTA-BME Lendület Jövő Internet Kutatócsoport
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
6
Mobil szolgáltatások
Mobil szolgáltatások
Üzleti megoldások
Társadalmi hasznosulás
• 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.
• 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.
• 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.
• 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
8
Mobil/vezetéknélküli jövőkép
Mobil hálózatok fejlődése
• Az Internet fontos része lesz az „Internet of Things”.
• 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
• Környezetünk tele lesz IP által elérhető eszközökkel,
érzékelőkkel, beavatkozó szervekkel. • 2020-ra kb. 50 milliárd kapcsolat lesz a hálózaton.
9
10
Mobil hálózatok
1 Gbps
100 Mbps
Sávszélesség
Mobil adatkommunikáció fejlődése • • • • • • •
50 Mbps
HSPA+ 28 Mbps
2 Mbps 384 kbps 56 kbps 14,4 kbps
Rendszerek/technológiák együttműködése
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
GSM 14,4 kbps
2G
EDGE 384 kbps
GPRS 114 kbps
2,5G
UMTS 2 Mbps
3G
3,5G
3,9G
• 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)
4G
Technológia
11
12
GSM (2G) mobil hálózatok felépítése • A szomszédos cellák által
használt frekvenciák különböző
GSM (2G) MOBIL HÁLÓZATOK Hálózati architektúra Azonosítók Adatátvitel (GPRS)
• 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
T R A U
14
Mobil készülék
Hálózati és kapcsoló alrendszer (NSS- Network & Switching Subsystem)
NSS
• SIM: előfizetőt azonosító modul („SIM kártya”, Subscriber
Identity Module) • Azonosítók tárolása (IMSI, titkos kulcs)
HLR
• Előfizetői adatok tárolása • Autentikáció (az előfizető kilétének ellenőrzése)
MSC AuC
• Titkosítás (a beszéd és a jelzések titkosítása)
VLR EIR
MS
Mobil készülék (Mobile Station)
GMSC MSC
PSTN / ISDN más PLMN
VLR SMSC
15
16
Hálózati és kapcsoló alrendszer
Bázisállomás-alrendszer
Adatbázisok
• 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
• 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
18
Hálózati és kapcsoló alrendszer
Hálózati és kapcsoló alrendszer
Kapcsolóközpontok
Speciális funkciójú kapcsolóközpontok
• MSC: mobil kapcsolóközpont (Mobile Switching Centre) • „hagyományos”, digitális kapcsolóközpont • mobil-specifikus bővítésekkel
• GMSC: kapu MSC (Gateway MSC) • Kapcsolattartás más hálózatokkal (PSTN/ISDN, ill. más PLMN) • PLMN: Public Land Mobile Network (Nyilvános földi mobil hálózat)
• • • •
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
• SMSC: SMS központ (Short Message Service Centre) • Fogadja az elküldött SMS-eket • Megpróbálja továbbítani a címzettnek
19
20
GSM (2G) hálózati azonosítók
GSM (2G) hálózati azonosítók
• IMSI: nemzetközi mobil előfizető azonosító (International
• MSRN: barangoló szám (Mobile Station Roaming
Mobile Subscriber Identity)
Number)
• 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)
• 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)
• a jól ismert mobil telefonszám
• hogy az IMSI lehetőleg ne kerüljön ki a rádiós interfészre
• MSISDN = országkód (Mo.: 36) + hálózatkijelölő szám
• IMEI: nemzetközi mobilkészülék-azonosító (International
(Mo:20/30/70) + előfizetői szám, egyedi a világon
Mobile Equipment Identity)
21
22
GSM (2G) hívásfelépítés
GSM (2G) hívásfelépítés
Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás (hívott MSc saját hálózatban)
Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás (hívott MSc másik hálózatban)
GSM hálózat
GSM hálózat GSM hálózat
HLR GMSC
MSC (hívott)
HLR GMSC
VLR VLR
VLR VLR
VLR VLR
MSC (Hívó)
MSC (Hívó)
23
GSM (2G) hívásfelépítés PSTN/ másik PLMN felől érkező hívások
Tarifaszerkezet Roaming
GSM hálózat
• „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
• 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
24
MSISDN
VLR
Hívó fizeti
Hívó tartózkodási hálózata
Hívott fizeti
Hívott honos hálózata
Hívott tartózkodási hálózata
25
26
GSM (2G) SMS küldés
Adatkommunikáció 2G hálózatokban
Jelzéshálózati szolgáltatás (nem használja a beszédáramköröket)
GPRS - General Packet Radio Services
• Nincs közvetlen kapcsolat a feladó és a címzett között, csak
• Azonos rádiós technológia/architektúra 2G-vel, a
az SMSC-n keresztül
csomagkapcsolást megvalósító extra csomópontokkal
• Két független SMS küldési szolgáltatás • Mobile Originated SMS: feladó -> (honos szolgáltató) SMSC • Mobile Terminated SMS: SMSC -> címzett
MSC VLR BTS
• Nem garantált szolgáltatás
. . .
GSM hálózat GSM hálózat
HLR HLR
B S C
BTS
MSC SMSC
SMSC MSC
GSM
SMSC
Forward _SM (SMS (SMStovábbítása) tov ábbítása)
T R A U P C U
Gs
HLR
Gr
SGSN
Gc
PDN
GGSN
MSC MS
CG BG
SGSN
(SMS továbbítása) bbítása)
BG
27
Másik PLMN
28
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)
GSM (2G) RÁDIÓS INTERFÉSZ
• 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
Autentikáció és titkosítás Hívásátadás Többszörös hozzáférés
• BG: határkapu (Border Gateway) • más szolgáltató GPRS hálózatához való kapcsolódás
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,
30
Autentikáció és titkosítás Elv
• Túl nagy jelzésforgalmat igényelne, ezért gyakorlatban
vonjuk be a kiszolgáló MSC-t is! SIM Ki IMSI
különösen nem a rádiós interfészre!
• A gyártó minden SIM kártyához generál egy egyedi, 128
bites (jó hosszú!) titkos kulcsot
Kc
SRES
szolgáltatónak • a szolgáltató az előfizető – előfizetői kulcs párokat (IMSI - Ki) tárolja az autentikációs központjában (AuC)
RAND SRES
• Ki: egyéni előfizetői kulcs (Individual Subscriber Key) • ezt off-line módon (pl.: papír) eljuttatja a SIM kártyát megvásároló
AuC Ki
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
32
Autentikáció és titkosítás
Hívásátadás (Handover)
Gyakorlati megvalósítás
A mobil készülék körzetváltása
SIM Ki
• A mobil készülék mozog
AuC bejelentés (IMSI) Ki
MSC/VLR regisztrál
a hálózatban, • figyeli a vezérlő
5 db autentikációs triplet { RAND, SRES, KC }
csatornákat, • ráhangolódik a
bejelentkezik RAND
legerősebb jelű csatornára, • az új helyi körzet (LA) közli a hálózattal a mobil készülék új tartózkodási helyét.
egyezik?
SRES
BTS K c sifrírozott beszéd
33
34
Hívásátadás (Handover)
Többszörös hozzáférés
Körzetváltás okai
FDMA - Frequency Division Multiple Access
• 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
• Frekvenciaosztásos
• 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
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
36
Többszörös hozzáférés
Többszörös hozzáférés
TDMA - Time Division Multiple Access
FDMA-TDMA átvitel
• 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
Frekvencia
Jelszint [db]
f2 f1
f3
37
38
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)
UMTS (3G) MOBIL HÁLÓZATOK
• Közeghozzáférés • FDMA/TDMA (Frequency Division Multiple Access/Time Division Multiple Access) DCS - Digital Cellular System (GSM által használt frekvenciasáv)
39
40
UMTS (3G) architektúra
UMTS (3G) rádiós hozzáférés
Universal Mobile Telecommunications System
Universal Mobile Telecommunications System
• Technológiailag
• Frekvenciák • 1885-2025 MHz felfelé, 2110-2200 MHz lefelé
teljesen új rádiós interfész GSM-hez képest • Bázisállomások helyett Node B
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
• GERAN: GSM/EDGE Radio
Access Network • UTRAN: Universal Terrestrial
Radio Access Network • RNC: radio network controller
koncentrált spektrum szórt spektrum
41
f
42
Többszörös hozzáférés
Többszörös hozzáférés
CDMA - Code Division Multiple Access
CDMA kódosztás elve
• Kódosztásos többszörös
• Működés: a digitális jelet összeszorozzuk egy ún. szórókóddal
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
(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
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)
VEZETÉK NÉLKÜLI HOZZÁFÉRÉSI TECHNOLÓGIÁK
• 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!
