Úvod do mobilních telekomunikačních sítí Jan Jerie červen 2014
Standardizace
Standardizace • 3GPP - The 3rd Generation Partnership Project Sdružení organizací, které vydávají doporučení a standardy pro telekomunikace – http://www.3gpp.org např. 3GPP TS 23.237 nebo TR – Technical Specification/Request
• RFC – vydává IETF a IESG (Internet Engineering Steering Group) Organizace vydává doporučení a standardy pro Internet Proč Internet? – http://www.ietf.org např. RFC 4316 - Request For Comments
• K čemu standardizace – Mnoho výrobců – Mnoho operátorů – Mnoho systémů
3GPP Phases and Releases Phase/release
Description
Freeze year
Phase 1
GSM
1992
Phase 2
GSM
1995
Release 96
14.4kb/s, HSCSD
1997
Release 97
GPRS
1998
Release 98
AMR
1999
Release 99
EDGE, UTRAN
2000
Release 4
Split architecture
2001
Release 5
IMS with GERAN/UTRAN access, HSDPA
2002
Release 6
IMS with IP-CAN access, HSUSPA
2005
Release 7
IMS for NGN, Evolved HSPA
2007
Release 8
E-UTRAN, ePC
2008
Release 9
E-UTRAN and ePC improvement
2009
Release 10
LTE advanced
2011
Release 11
LTE, IMS improvements, M2M support
2013
Typy sítí a jejich vývoj
Základní typy sítí – výhody, nevýhody Typ sítě nedefinuje použitou technologii, jde o princip fungování • Přepínané okruhy – Circuit Swiched (CS) – – – –
Použito v prvních sítích až po GSM Neefektivní čerpání prostředků Omezená kapacita vzhledem k PS sítím Jednodušší na implementaci
• Přepínané pakety - Packet Switched (PS) – Efektivnější využití prostředků – V současné době založené na internetových protokolech – Nižší pořizovací a provozní cena
Vývoj mobilních sítí a jejich služeb • První sítě byly zaměřeny jen na hlasové služby, byly analogové a výhradně CS sítě – 1910 Magnus Ericsson, 1924
• První buňkové systémy se zónovým principem - 1947 AT&T • Buňkový systém s opakovaným využitím frekvencí – 1969 Bell system • První přenosný mobilní telefon - 1973
Vývoj mobilních sítí a jejich služeb • •
První generace mobilní sítě (1G) byla ještě analogová – AMPS, NMT, TACS Postupný přechod na digitální sítě (2G) - 1991 stále však CS sítě – GSM, CDMA, D-AMPS, PDC Díky digitalizaci bylo možné nabízet doplňkové služby pro hlas (přesměrování, call barring)
• •
Sítě nabízí další služby kromě hlasu – datové spojení, zatím přes vytáčené okruhy Dalším krokem je nativní podpora datových paketových přenosů – GPRS, první implementace PS sítí v CS sítích a jejich vzájemný souběh - 2000 Další zrychlování datových přenosů – data nabývají na významu a hlas není jedinou významnou službou, invaze „smartphones“ – první 3G síť 2007 Čistě datové sítě – pouze packet switched sítě, hlas je již nabízen jen přes data a zákazník může používat mnoho dalších služeb nabízených na Internetu – LTE 2011
• •
Vývoj sítí z pohledu dat a datové rychlosti • • • • • • • • • •
První buňkové sítě – 1947, pouze hlas První mobil v roce 1973 NMT – pouze hlas, analogová síť – v USA AMPS GSM – pouze hlas, první digitální síť GSM – CSD – první data v mobilní síti (9.6 nebo 14.4kbps) GSM – GPRS – první paketová data (až 52kbps) GSM – EDGE - (až 384kbps) UMTS - 3G síť až 384kbps UMTS – HSPA (HSDPA, HSUPA) – 14Mbps, HSDPA 84.4Mbps E-UMTS – LTE – 150Mbps, LTE advanced až 326Mbps
Stavební bloky mobilní telekomunikační sítě
Hlavní funkční bloky telekomunikační sítě
PLMN – Public Land Mobile Network PSTN – Public Switched Tephony Network ISDN – Integrated Services Digital Network Corporate Customers – korporátní zákazníci, velké firmy Nejsou zobrazeny všechny podpůrné systémy zajišťující billing, zákaznickou podporu atd.
Princip buňkových sítí
Požadavkem je pokrýt téměř neomezený prostor omezeným počtem frekvencí Každá sousední buňka vysílá na jiné frekvenci, frekvence se opakují - viz barvy na obrázku Telefon přijímá více buněk najednou a vybírá si tu nejsilnější Pokrytí signálem se musí plánovat podle lokálních podmínek, signál se šíří různě terénem Hustota resp. velikost buněk se liší podle množství uživatelů v dané lokalitě, kapacita buňky je omezená Každá buňka má své ID – CellID a je rozdělena na 3 sektory
RAN – Radio Access Network Rádiová síť má omezenou kapacitu a požadavky na přenosovou rychlost rostou, tak se hledají prostředky a algoritmy, jak co nejlépe využít frekvenční pásmo Metody rozdělení frekvenčního pásma pro vícenásobný přístup: – Frekvenční dělení pásma – FDMA
– Časové rozdělení frekvenčního pásma- TDMA
Radio Access network – Kódové rozdělení pásma – CDMA
– Ortogonálně frekvenční rozdělení pásma – OFDM použití velkého množství nosných frekvencí (až tisíce)
RAN - modulace Modulace je proces, kterým dostaneme užitečnou informaci na nosný signál. Např. data na rádiový signál. Typy digitální modulace použité v mobilních sítích: • ASK – také AM je amplitudová modulace • FSK – také FM je frekvenční modulace • PSK – také PM je fázová modulace • Pokud modulace umí přenést více stavů (bitů) najednou, tak hovoříme o více stavové modulaci např. QAM, 8PSK, 16PSK
Úvod do telekomunikačních a počítačových sítí • Sítě jsou komplikovaný systém, stejně jako komplexní SW systém • Je nezbytná dekompozice na jednotlivé funkční bloky • V případě sítí obecně se použila dekompozice na jednotlivé hierarchické vrstvy • Zbývá jen nadefinovat základní pravidla: – Každá vrstva zajišťuje konkrétní funkci, poskytuje služby vyšší vrstvě a využívá služby nižší vrstvy – Komunikují spolu vždy jen sousední vrstvy, nikdy nesmí komunikovat nesousední vrstvy spolu – Vrstvy spolu komunikují formou žádostí (request) směr shora dolů a notifikací směr zespodu nahoru
Způsob komunikace vrstev • Vrstvy spolu komunikují shora dolů nebo odspodu nahoru v rámci uzlu (např. PC, NB), hovoříme o tzv. vertikální komunikaci • Účelem sítí je však komunikovat mezi uzly, této komunikaci říkáme, z pohledu vrstev, horizontální komunikace. Jedná se o logické spojení (logical link). Jde o pomyslné (virtuální) spojení. Jediné skutečné spojení je na nejnižší fyzické úrovni – Pravidlům horizontální komunikace jedné vrstvy mezi s sebou říkáme protokol
Příkladem vrstevné architektury je klasická pošta
ISO-OSI model • Jde o vrstevný model který definovalo standardizační doporučení CCIT pro počítačové sítě. De facto se neuchytil na rozdíl od nejrozšířenější implementace TCP/IP modelu – ISO-OSI bylo příliš robustní a nepraktické. Na rozdíl od TCP/IP, které vznikalo od praktických základů
• TCP/IP je definované standardy IETF (RFC). Pro zjednodušení sloučil funkce některých vrstev ISO/OSI dohromady • TCP/IP model je jeden z nejúspěšnějších síťových modelů, který vznikl na základě vojenské zakázky ARPANET (zadavatel DARPA)
TCP/IP, IPv4 versus IPv6 • TCP je transportní protokol a používá k adresování číslo portu (asociace s číslem domu) • IP je síťový protokol, který používá IP adresu (asociace s ulicí) • IPv4 adresa např.: 168.192.22.10 (32 bitů) – Maximální počet adres je 4 294 967 296 – Adresy dochází a zařízení je stále více
• Řešením nedostatku IPv4 adres je IPv6 protokol – Jedná se o rozšíření adres z 32 bitů na 128 bitů – K dispozici je 3,40282366920938463463374607431e+38 adres – Zápis IPv6 adresy je: 2001:0db8:85a3:08d3:1319:8a2e:0370:7334
• TCP protokol je naprosto nezávislý na IPv4 nebo IPv6 což je důsledkem vrstevného modelu a jeho principů
Komunikace mezi uzly • Každý uzel sítě „vidí“ je do té vrstvy, která jej zajímá resp. je pro něj relevatní • Koncové uzly musí rozumět všem vrstvám až po aplikační • Směrovací uzly rozumí jen prvním třem vrstvám, protože zde probíhá směrování paketů (routování). Těmto prvkům se říká routery nebo L3 switche • Časový průběh komunikace mezi uzly – Spojově orientovaný (TCP)
– Nespojově orientovaný (UDP)
client
server UDP
UDP
Přenosová síť • Přenosová síť slouží k připojení radiové přístupové sítě ke core network systémům, které nabízí služby v mobilní síti • Přenosová síť nejčastěji využívá radiové spoje v kombinaci s optickou sítí • Provoz ze všech vysílačů se koncentruje do jedné hlavní síťě, které říkáme páteřní síť nebo také backbone
Technologie páteřní sítě • Nejčastěji je to SONET nebo SDH technologie, obě fungují v optické síti. Jedná se o synchronní přenos dat a celá síť je synchronizována přesnými hodinami • Trend je přenášet Ethernet přímo v SONET nebo SDH technologii přímo. Trendem je vkládání Ethernetových rámců přímo do optického vlákna • Ethernet je založen na asynchronním přenosu, je potřeba použít „zapouzdřovací“ protokol – zapouzdřování (encapsulation) je rozšířená technika pro přenos dat skrz sítě určené pro přenos jiného obsahu nebo s jinou funkcí (velmi často vytvoření logické IP sítě nad jinou IP přenosovou sítí), často se také hovoří o tunelovacích protokolech
Hlas v mobilní síti, porovnání různých 3GPP verzí • Hlas před R4
• Hlas po R4
Data v mobilní síti, porovnání různých release • 2,5G – GPRS, EDGE
• 3G - UMTS
Bližší pohled na architekturu GSM BSC – Base Station Controller MSC- Mobile Switching Centre HLR – Home Location Register VLR – Visitor Location Register EIR – Equipment Identity Register GMSC – Gateway MSC AuC – Authentication Centre
HLR je databáze všech účastníků GSM služeb, ukládá polohu terminálu VLR je dočasná databáze, kam se kopírují informace z HLR a doplňují dočasné informace např. o obsluhující ústředně
Identifikace přístrojů a zákazníků v síti IMEI – International Mobile Equipment Identity je číselný unikátní kód zařízení, který je přidělen výrobcem IMSI – International Mobile Subcriber Identity je číselný unikátní kód identifikující zákazníka a je uložen na SIM kartě SIM – Subscriber Identity Module je jednoduchý počítač (jednočip) a je v ní uloženo IMSI MSISDN – Mobile Subscriber ISDN Number je telefonní číslo účastníka mobilních služeb. Není uloženo na SIM kartě, ale je namapováno na IMEI v HLR
MSC je telefonní ústředna, která zajišťuje spojování hovorů mezi účastníky AuC je databáze bezpečnostních klíčů pro authentikaci uživatelů EIR je registr(databáze) identit ukradených přístrojů
Signalizace a uživatelská data v telekomunikačních sítích
Signalizace a uživatelská data • Signalizace – je soubor protokolů, které slouží k řízení provozu hovorů nebo dat. Logické části, která pracuje se signalizací říkáme Control plane • Uživatelská data – je soubor protokolů přenášejících uživatelské hovory a data. Logické části sítě přenášející uživatelská data říkáme User plane • Až do 3GPP Release R4 v roce 2001 byla signalizace vedena společně s uživatelskými daty. Po R4 došlo k oddělení signalizace a uživatelských dat • Výhody oddělení signalizace od uživatelských dat: – Snížení nároků na dimenzování systémů (uživatelských dat je výrazně více) – Vyšší bezpečnost, signalizace jde jinou signálovou cestou než uživatelská data – Centralizace řízení a decentralizace výkonových prvků – Jednodušší změna konfigurace sítě pro nové požadavky
Signálové cesty
• Control plane a User plane vytváří dvě různé logické sítě v jedné fyzické • Datová signalizace v sítích GSM využívá částečně signalizaci hovorovou a částečně datovou • Zdrojem signalizace může být terminál, prvek v rádiové síti a také prvek v core network
Rodiny protokolů používaný v telekomunikacích • Architektura GSM byla postavena na rodině protokolů SS7 určené pro digitální ústředny, nebyly založeny na základech IP – Protokoly MTP1 až 3, SCCP, TCAP, MAP, CAP, INAP a ISUP
• Rozmach IP sítí způsobil výrazný pokles cen síťových zařízení a operátoři nechtěli provozovat dvě různé sítě (IP a SS7). Začalo se přemýšlet o přizpůsobení SS7 pro podporu IP sítí. • Definovaly se nové protokoly SIGTRAN pro přenos signalizace přes IP sítě • Stále jde o přechodnou fázi. Finální fáze je poskytování telekomunikačních služeb výhradně na síti s přepínáním paketů, tedy IP sítě. Odtud také pojmenování služeb VoIP, MoIP atd.
Otázky a odpovědi
Děkuji za pozornost
