Voor het 2,4 GHz-spectrum is geen licentie nodig. Toch worden er eisen gesteld aan het gebruik van dit spectrum, zoals:

1 Mobiele netwerken Voorkennis Telecommunicatie:

► Kenmerken circuit en pakketgeschakelde netwerken. ► Kenmerken (multi-)point-to-point-verbindingen. ► Kenmerken netwerkservice. ► Kenmerken telefoon-, E1-, framerelay, ISDN-, data- en Sonet/SDH-netwerk. ► Kenmerken OS-lagen en protocol informatie.

Inleiding Sinds midden jaren negentig is cellulaire communicatie aanzienlijk toegenomen. In 2002 maken wereldwijd 900 miljoen mensen gebruik van een cellulair netwerk.

Figuur 2.1 Overzicht De snelle groei van het aantal cellulaire telefoongebruikers toont aan dat draadloze communicatie voor spraakverkeer betrouwbaar is. Dit succes leidt tot de ontwikkeling van nieuwe draadloze systemen en standaarden voor uiteenlopende vormen van telecommunicatieverkeer. Implementatie van nieuwe standaarden en technologieën heeft tot gevolg dat draadloze netwerken vaste glasvezel- en koperverbindingen tussen abonnees vervangen. Daarnaast neemt draadloze communicatie met een laag signaalvermogen binnen het vrije 2,4 GHz-spectrum in huizen, kantoren en scholen toe. Bluetooth-technologie en IEEE 802.11B zijn hiervan een voorbeeld. Op basis van deze technologie kunnen computers, randapparatuur en telefoons via een Wireless Local Area Network (WLAN) met elkaar communiceren. Voor het 2,4 GHz-spectrum is geen licentie nodig. Toch worden er eisen gesteld aan het gebruik van dit spectrum, zoals:

Hoofdstuk 2 Theorie mobiele netwerken (W.J. Roos)

1

1. Het spectrum moet worden opgedeeld in 79 kanalen. 2. De bandbreedte per kanaal is 1 MHz. 3. In een WLAN met meerdere base stations moet de netwerkbeheerder aan elk station het juiste kanaal toewijzen. Dit is noodzakelijk om interferentie tussen base stations te voorkomen. 2.1 Ontwikkeling cellulaire netwerken De meeste cellulaire netwerken zijn tegenwoordig zogenaamde 2e generatie netwerken (2G). Global System Mobile (GSM) dat binnen Europa op grote schaal wordt gebruikt, is één van de 2G-netwerken. In tegenstelling tot 1e generatie netwerken die op de analoge multipeltoegangstechniek FDMA/FDD zijn gebaseerd, werken 2G-netwerken op basis van digitale toegangstechnieken. TDMA/FDD en CDMA/FDD zijn digitale multipel-toegangstechnieken. Voordelen van een digitaal netwerk t.o.v. een analoog netwerk zijn: 1. 2. 3. 4. 5.

Hogere transmissiecapaciteit. Betere transmissiekwaliteit. Versleutelen (ciphering) is eenvoudiger. Compressie van data en spraak is eenvoudiger. Afmetingen digitale schakelingen zijn in het algemeen klein t.o.v analoge schakelingen. 6. Forward Error Correction mogelijk bij een storing. 7. Betere signaal-ruis-verhouding. In vakliteratuur wordt deze verhouding aangeduid met S/N. N is de afkorting van het Engelse woord noise (ruis).

S/N

analoog signaal digitaal signaal

afstand van zender

Figuur 2.2 Signaal/Ruis-verhouding


2

Tabel 2.1 Eigenschappen GSM-netwerk uplink-frequentieband (voor communicatie van mobiel station naar base station)

downlink-frequentieband (voor communicatie van base station naar mobiel station)

toepassingsgebied GSM 900/1800 toepassingsgebied GSM 1900 toepassingsgebied GSM-R duplexing

890-915 MHz (GSM 900) 1710-1785 MHz (GSM 1800) 1850-1910 MHz (GSM 1900) 876-880 MHz (GSM-R) 935-960 MHz (GSM 900) 1805-1880 (GSM 1800) 1930-1990 MHz (GSM 1900) 921-925 MHz (GSM-R) wereldwijd behalve Amerika Amerika Europese spoorwegen FDD

multipel-toegangstechniek

TDMA

modulatietechniek

GMSK

bandbreedte radiodraaggolf

200KHz

aantal spraakkanalen per radiodraaggolf aantal kanalen

transmissiesnelheid van een TDMA-frame spraakcoderingstechniek

8 GSM 900 : GSM 1800 : GSM 1900 : GSM-R:

124 374 299 19

270,833 Kbit/s Residual Pulse Excited Long Term Prediction (RPE-LTP)

De transmissiesnelheid binnen een 2G-netwerk is te langzaam voor moderne internettoepassingen. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van 2,5G-standaarden. Voor het opwaarderen van een GSM-netwerk zijn onderstaande standaarden ontwikkeld: 1. High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) 2. General Packet Radio Service (GPRS) 3. Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) HSCSD HSCSD biedt een circuitgeschakelde netwerkservice voor point-to-point-verbindingen. Deze service is geschikt voor interactieve applicaties zoals video telefonie. Forward Error Correction binnen een HSCSD-netwerk is eenvoudig ten opzichte van een GSM-netwerk. Per tijdslot kan een applicatie hierdoor data versturen met een transmissiesnelheid van 14,4 Kbit/s. In een GSM-netwerk bedraagt de transmissiesnelheid per tijdslot 9,6 Kbit/s.


3

Applicaties gebruiken minimaal één en maximaal acht tijdsloten. De maximale transmissiesnelheid in een HSCSD-netwerk is daarom: 8 x 14,4 = 115,2 Kbit/s.

UMTS EDGE GPRS HSCD GSM (SMS)

GSM (SMS)

Figuur 2.3 Transmissiesnelheden voor data-transport GPRS GPRS biedt een pakketgeschakelde netwerkservice voor point-to-point- en multipointverbindingen. Deze service is geschikt voor niet interactieve applicaties zoals surfen op het internet en email-en.

Aantal gebruikte tijdsloten

Afhankelijk van het data-verkeer binnen een GPRS-netwerk krijgt een gebruiker statisch meer of minder tijdsloten toegewezen. In een circuitgeschakeld netwerk verandert het aantal toegewezen tijdsloten per tijdseenheid niet.

8 7

GPRS Aantal toegewezen tijdsloten is afhankelijk van netwerkverkeer.

6 5 4 3 2

circuitgeschakeld netwerk

1

Aantal toegewezen tijdsloten verandert niet. tijd

Figuur 2.4 Toegewezen tijdsloten


4

Voor GPRS zijn vier wijzen van Forward Error Correction-codering opgesteld. Tabel 2.1 GPRS-codering codering CS1 CS2 CS3 CS4

transmissiesnelheid per tijdslot [Kbit/s] 9,06 13,4 15,6 21,4

Per tijdslot kan een applicatie binnen een GPRS-netwerk data versturen met een maximale transmissiesnelheid van 21,4 Kbit/s. Applicaties gebruiken minimaal één en maximaal acht tijdsloten. De maximale transmissiesnelheid in een GPRS-netwerk is: 8 x 21,4 = 171,2 Kbit/s. Naast telefoneren is GPRS uitstekend geschikt voor het verzenden van documenten en afbeeldingen. Vandaar dat GPRS-toestellen steeds meer gaan lijken op Personal Digital Assistents (PDA). De beschikbare GPRS-toestellen kunnen we onderverdelen in vier groepen. Tabel 2.2 GPRS-toestellen klasse kenmerken A gelijktijdig GSM en GPRS B GSM of GPRS, met automatisch omschakelen C GSM of GPRS, handmatig omschakelen D alleen GPRS In tabel 2.3 staan de kenmerken van een GPRS- en GSM-netwerk. Tabel 2.3 GPRS en GSM eigenschap

GPRS

GSM

schakeltechniek

pakket

circuit

maximum snelheid

171,2 Kbit/s

9,6 Kbit/s

type verbinding

virtueel

vast

aantal gelijktijdige verbindingen

11

1

betaalwijze

verstuurde data

tijd

vertraging

kan oplopen

heel klein

EDGE In vergelijking met HSCSD en GPRS is het opwaarderen van een GSM-netwerk naar de EDGE-standaard gecompliceerder. In plaats van GMSK is een EDGE-netwerk namelijk gebaseerd op de nieuwe digitale modulatietechniek 8-PSK (Octal Phase Shift Keying). Het dekkingsgebied van een EDGE-netwerk is kleiner dan dat van een GPRS- of HSCSDnetwerk. Dit komt door de hogere transmissiesnelheid en eenvoudige transmissiefoutdetectie- en –correctiemethode. Per tijdslot kan een applicatie data versturen met een transmissiesnelheid van 69,2 Kbit/s. Applicaties gebruiken minimaal één en maximaal acht tijdsloten. De maximale transmissiesnelheid in een GPRS-netwerk is: 8 x 69,2 = 553,6 Kbit/s. Hoofdstuk 2 Theorie mobiele netwerken (W.J. Roos)

5

Derde generatie (3G) Wereldwijd zijn een groot aantal onsamenhangende standaarden voor 1G- en 2G-netwerken ontwikkeld. Elke standaard heeft specifieke kenmerken, toepassings-gebiedenen en voor/nadelen. De meeste van deze standaarden worden hoofdzakelijk op nationale of regionale schaal gebruikt. Deze standaarden zijn echter ongeschikt voor wereldwijde multimedia-netwerken die een hoge netwerkservice bieden. De International Mobile Telecommunication 2000-werkgroep (IMT 2000) binnen de International Telecommunication Union (ITU) ontwikkelt standaarden voor hoogwaardige mobiele netwerken. De algemene doelstelling van deze standaarden, luidt: wereldwijde mobiele communicatie met iedereen op elke plaats en moment. Binnen het kader van IMT 2000-richtlijnen ontwikkelt het European Telecommunications Standards Institute (ETSI) standaarden voor het opwaarderen van een GSM-netwerk naar een 3G-netwerk. Deze standaard is bekend onder de naam Universal Mobile Telecommunication Standard (UMTS). In vakliteratuur wordt deze standaard ook wel aangeduid met Wideband CDMA (W-CDMA). Volgens de IMT 2000-richtlijnen omvat een wereldwijd 3G-netwerk onderstaande zones: ! zone 1 ofwel de ‘Indoor’ Pico Cell ! zone 2 ofwel de ‘Urban’ Micro Cell ! zone 3 ofwel de ‘Suburban’ Macro Cell ! zone 4 ofwel de ‘Global’ World Cell. In figuur 2.3 staan de kenmerken van bovengenoemde zones. Een UMTS-netwerk ondersteunt de zones 1 tm 3 binnen het IMT 2000-concept. De geveilde UMTSfrequentiebanden in Nederland zijn afgebeeld in figuur 2.5.


6

Celgrootte: 10 1000km’s ‘Mobile Satellite System’ (MSS) Zeer hoge mobiliteit (≤ 1000km/h) ≤ 144 kbps

#

# #

#

Celgrootte: 350m 20km randstad/platteland Hoge mobiliteit (120500km/h) 144 - 385kbps #

#

# # Celgrootte: 50 - 300m ‘Hot spots’ (binnenstad, stadions, stations, luchthavens, etc.) Matig mobiliteit (10 120km/h) ≤ 384kbps

‘Urban’ Micro Cell

urban (stadsgebied)

‘Suburban’ Macro Cell

suburban (groot stadsgebied)


Figuur 2.5 UMTS-netwerk

#

#

#

#

‘Global’ World Cell

global (wereld)

7

#

# #

#

Celgrootte: enkele 10m’s Kantoor/Thuis Lage mobiliteit (< 10 km/h) ≤ 2Mbps

‘Indoor’ Pico Cell

indoor (binnen)

4-Zone Concept in UMTS

Licentie A B C D E C B

D

A

1900

Eigenaar Libertel KPN Dutchtone Telfort 3G Blue Totaal:

Prijs [€] 713’8 711’1 435’6 430’0 395’0

2685’5

C B

D E

D

A

E

2000

2100

E

f [MHz]

Figuur 2.6 UMTS-frequentiebanden Evolutie van 2G- naar 3G-netwerken vergt nieuwe hardware, software en frequentiebanden. Hiervoor zijn zeer hoge investeringen nodig. Vandaar dat deze overschakeling geleidelijk aan plaatsvindt. De wijze waarop deze overschakeling waarschijnlijk in Nederland waarschijnlijk wordt gerealiseerd, is in figuur 2.7 afgebeeld.

EDGE GPRS W-CDMA (UMTS)

GSM

HSCSD

2e Generatie

2,5e Generatie

3e Generatie

Figuur 2.7 Evolutie van 2G naar 3G


8

2.2 GSM-netwerkstructuur Het internationale GSM-dekkingsgebied omvat alle landen waarin een GSM-netwerk operationeel is. Een GSM-netwerk op nationaal niveau van een bepaalde operator wordt in vakliteratuur aangeduid met de term GSM-Public Land Mobile Network (GSM-PLMN). Nederlandse operators in 2002 van een GSM-PLMN-network, zijn: BEN, Dutchtone N.V, KPN Mobile The Netherlands BV, O2 en Vodafone In figuur 2.8 is het blokdigram van een GSM-netwerk afgebeeld. GSM-Public Land Mobile Network (GSM-PLMN) Radio Subsystem (RSS)

Base Station Subsystem (BSS)

Network Switching Subsystem (OSS)

AC

HLR VLR

EIR Telefoonnetwerk

BTS

BSC

Vaste toegangsnetwerken

T R A U

MSC

ISDN

MS OMC-B

Operation Sub System (OSS)

Datanetwerk

OMC-S

Figuur 2.8 GSM-netwerk Zoals uit figuur 2.8 blijkt, bestaat een GSM-PLMN-netwerk uit onderstaande drie subsystemen die onderling via interfaces met elkaar samenwerken: ! Base Station Subsystem (BSS) ! Network and Switching Subsystem (NSS) ! Operation Support Subsystem (OSS) Alhoewel een mobiel station (ms) eveneens een subsysteem is, wordt het meestal als een onderdeel gezien van een Base Station Subsystem. 2.2.1 Mobiel Station De Subscriber Identity Module (SIM) in een mobiel station is één van de bijzondere kenmerken van een GSM-netwerk. Deze microchip bevat informatie, zoals: telefoonboek, SMS-berichten, International Mobile Subscriber Identity (IMSI) en een persoonlijk indentificatie nummer (pin). Met de pincode voorkomen we dat onbevoegde gebruik maken van een mobiel station.


9

antenne

r

• channel decoding • de-interleaving • reformation

• channel coding • interleaving • burst block formation

speech conversion

ciphering

de-ciphering

• filtering • amplification • de-modulation

• HF generation • modulation • amplification

mobiele apparatuur

reverse speech conversion

Mobile Equipment ME Subscriber Identity Module SIM

Figuur 2.9 SIM Mobiele GSM-apparatuur bemonstert het analoge spraaksignaal om de 20 msec. Gezien de beperkte bandbreedte codeert een GSM-toestel het gedigitaliseerde spraaksignaal volgens de RPE-LTP-methode. Voor elk monster zijn bij deze codeermethode 260 bits nodig. Dit resulteert in een bandbreedte van 1/(20 x 10-3) x 260 = 13 Kbit/s.

monster = 260 bits

monster B

monster A

signaalniveau spraaksignaal

tijd tijdinterval = 20 msec

Figuur 2.10 Bemonsteren Hoofdstuk 2 Theorie mobiele netwerken (W.J. Roos)

10

Vervolgens voegt het GSM-toestel aan elk blok van 260 bits besturings-informatie toe. Hierdoor wordt de totale lengte van een blok 456 bits. Dit resulteert in een bandbreedte van 1/(20 x 10-3) x 456 = 22,8 Kbit/s. Besturings-informatie voorkomt data-verlies als gevolg van interferentie en andere storingen. Aan de ontvangstzijde kan mobiele apparatuur hierdoor eventueel data-verlies zelfstandig corrigeren. De GSM-procedure om extra besturings-informatie toe te voegen aan data voor automatische transmissiefoutcorrectie wordt aangeduid met de term channel coding. Na channel coding vindt interleaving plaats van twee opeenvolgende monsters. Dit proces minimaliseert de effecten van een plotselinge verzwakking van het ontvangensignaal. Elk blok van 456 bits deelt de interleaving-schakeling op in acht sub-blokken met een lengte van 57 bits. Deze acht sub-blokken plaats het GSM-toestel in acht opeenvolgende tijdsloten. In elk tijdsloten kan een GSM-toestel twee sub-blokken plaatsen. Het tweede sub-blok in een tijdslot gebruikt een GSM-toestel voor een sub-blok dat deel uitmaakt van het volgende monster.

monster B (acht sub-blokken)

tijdslot

tijdslot

tijdslot

tijdslot

tijdslot

tijdslot

tijdslot

tijdslot

1

2

3

4

5

6

7

8

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

A

B

1

4

2

5

3

6

4

7

5

8

6

1

7

2

8

3

114 bits

114 bits

114 bits

114 bits

114 bits

114 bits

114 bits

114 bits

monster A (acht sub-blokken)

Figuur 2.11 Interleaving Om afluisteren te voorkomen, versleutelt (ciphering) een GSM-toestel de acht-sub-blokken van monster A en B. De toegepaste versleutel-techniek is alleen bij het GSM-toestel en het base transceiver station bekend. Vervolgens vindt het moduleren, versterken en verzenden plaats. Aan ontvangstzijde gebeurt het tegenovergestelde. (De)moduleren gebeurt op basis van GMSK. Deze techniek is gebaseerd op Minimum Shift Keying (MSK). Bij deze techniek verandert de modulator de frequentie van de draaggolf (ft) met 67,7 KHz (∆f) bij het versturen van een binaire één en nul. Deze verandering wordt niet bereikt door direct de frequentie te veranderen, maar door een verandering van de fase-snelheid. Dit resulteert in een fase- en frequentie-verandering.


11

Bij GMSK verlopen de fase-veranderingen geleidelijk door de data te filteren met een Gaussian-curve. Hierdoor blijft de benodigde bandbreedte van een GSM-kanaal smal (200 KHz).

binair signaal

1

t

0 Minimum Shift Keying (MSK) frequentie

ft - ∆f ft ft + ∆f

Gaussian curve +900 fase-verschil

t -900 Gaussian MSK = MSK signaal x Gaussian curve

Figuur 2.12 GMSK Binnen de 900 MHz-bandbreedte reflecteren radiogolven bij gebouwen, heuvels, auto’s, vliegtuigen etc. Hierdoor bereiken gereflecteerde signalen met verschillende signaalniveaus en fases de antenne van een mobiel station en base transceiver station.

gereflecteerd pad rechtstreeks pad

Figuur 2.13 Verschillende paden (multipath)


12

Een mobiel station en base transceiver passen equalization toe om het gewenste signaal te filteren van de ongewenste reflectiesignalen. Equalization gebeurt aan de hand van de 26 Training Sequences-bits in een tijdslot. 2.2.2 Base Station Subsystem Een Base Station Subsystem bestaat uit de volgende onderdelen: 1. Base Transceiver Stations (BTS) 2. Base Station Controller (BSC) 3. Transcoding and Rate Adaption Unit (TRAU). Base Transceiver Station Een Base Transceiver Station realiseert binnen een cel alle radio-verbindingen met mobiele stations. Andere functies van dit station zijn: 1. Channel coding. 2. Ciphering. 3. Burst block information. De informatie die voor een mobiel station is bestemd, deelt een Base Transceiver Station op in blokken met een bepaalde lengte. 4. Moduleren. Een Base Transceiver Station moduleert de informatie op een draaggolf die ligt binnen het 900, 1800 of 1900 MHz frequentiespectrum. 5. Zendvermogen tussen Base Transceiver Station en mobiel stations regelen aan de hand van meetgegevens die een mobiel station verzamelt. Het verhogen en verlagen van het zendvermogen gebeurt in stappen van 2 dB. 6. Afstand tussen tussen een mobiel station en Base Transceiver Station bepalen. 7. Mobiele stations synchronisatie-informatie verstrekken voor frequentie en de tijdklok. 8. De voortplanting van radiogolven is afhankelijk van de frequentie. Frequency hopping voorkomt grote verschillen tussen de kwaliteit van verschillende kanalen. Bij deze technieken verandert de frequentie van de tijdsloten continu. tijdslot Radiofreq 1

Radiofreq 2

Radiofreq 3

Radiofreq 4

Radiofreq 5

TDMA-frame 0

TDMA-frame 1

TDMA-frame 2

TDMA-frame 3

TDMA-frame 4

TDMA-frame 5

Figuur 2.14 Frequency hopping


13

Base Station Controller Een Base Station Controller vormt het hart van een Base Station Subsystem. Verschillende Base Transceiver Stations zijn rechtstreeks aangesloten op een Base Station Controller, zie figuur 2.15. Een Base Station Controller ontlast een Mobile services Switching Centre. Dit komt omdat deze controller de kanalen van alle rechtstreeks-aangesloten Base Transceiver Stations beheert. Kanaalbeheer is noodzakelijk i.v.m. het opzetten van verbindingen en de handover-procedure, wanneer een mobiel station van de ene naar de andere cel gaat.

Base Transceiver Station (BTS)

Home Location Register (HLR)

Mobile Station (MS)

Visitor Location Register (VLR) Equipment Identity Register (EIR)

BSC

BTS

Authentication Centre (AC)

MSC Mobile Switching Centre

(MSC)

BSC

* Telefoonnetwerk * ISDN * Data netwerk Mobile Station (MS)

Base Station Controller (BSC)

Figuur 2.15 Base Station Controller TRAU Bij het ontwikkelen van GSM-standaarden en diensten heeft het ISDN-netwerk als voorbeeld gediend. Gezien de beperkte bandbreedte binnen een GSM-netwerk was een bandbreedte van 64 Kbit/s voor spraak zoals bij ISDN onhaalbaar. De netto transmissiesnelheid voor een spraakverbinding tussen een Base Transceiver Station en een Mobiel Station bedraagt slechts 13 Kbit/s. Tijdens een tefoonverbinding tussen een gebruiker van een vast netwerk en een mobiel station (de)comprimeert een Transcoding en Rate Adaption Unit (TRAU) daarom het spraakverkeer van gebruikers. Een TRAU ontvangt van een Mobile Switching Centre spraaksignalen met een bandbreedte van 64 Kbit/s. Deze spraaksignalen comprimeert de TRAU. Het gecomprimeerde spraaksignaal van 13 Kbit/s plaats de TRAU in een spraakkanaal van 16 Kbit/s en stuurt het vervolgens naar een Base Transceiver Station.


14

4 kanalen van 16 kbit/s

BSC

MSC

TRAU

naar BTS’s



Figuur 2.16 Transcoding and Rate Adaption Unit 2.2.3 Networking Switching Centre Een Networking Switching Subsystem bestaat uit onderstaande componenten: 1. Mobile services Switching Center (MSC). 2. Visitor Location Register (VLR). 3. Home Location Register (HLR). 4. Authentication Center (AC). 5. Equipment Identity Register (EIR). Mobile services Switching Centres zijn belast met de centrale taken van een Networking Switching Subsystem. Elke Mobile services Switching Centre is verantwoordelijk voor het beheer van verschillende Base Station Subsystem (BSS) Mobiel Station (MS)

HLR

BTS

BSC A

VLR

EIR

AuC

MSC

GMSC BSC B

BSC C

Telefoonnetwerk ISDN Data-netwerk

Figuur 2.17 Mobile service Switching Centre


15

Evenals centrales in vaste netwerken zijn Mobile services Switching Centres belast met het opzetten, in standhouden en verbreken van verbindingen tussen gebruikers. Dit kunnen verbindingen zijn tussen gebruikers van het mobiele netwerk of verbindingen tussen vaste netwerken en het mobiele netwerk. GSM-PLMN BTS BTS

GMSC

MSC

TRAU

BSC

Sonet/ Sonet/ SDH

BTS BTS

Gateway MSC

BTS

Vaste netwerken Telefoonnetwerk ISDN Datanetwerk

Mobiel Station (MS)

Figuur 2.18 Koppeling GSM-PLMN en vaste netwerken Het Mobile service Switching Centre die het GSM-PLMN-netwerk koppelt aan vaste netwerken noemen we Gateway Mobile service Switching Centre (GMSC). Een Mobile services Switching Centre voert onderstaande taken uit voor het opbouwen, in standhouden en verbreken van verbindingen: ! Signalerings-informatie uitwisselen met andere MSC’s en centrales in vaste netwerken. ! Pad selecteren tussen gebruikers. ! Informatie van gebruikers in nieuwe frames plaatsen. Dit is noodzakelijk omdat de verbinding (pad) tussen gebruikers via verschillende type netwerken plaatsvindt. ! Oproepprioriteit controleren. Bijvoorbeeld 112. ! Kosten van netwerkverbinding in rekening brengen. ! Netwerkverkeer meten. Naast het opbouwen, in stand houden en verbreken van verbindingen is een Mobile service Switching Centre belast met specifieke zaken voor mobiele communicatie, zoals:


16

! Handover-procedure regelen wanneer een mobiel station zich verplaatst naar het dekkingsgebied van een ander Mobile service Switching Centre. ! Bijdragen leveren aan de realisatie van specifieke mobiele diensten zoals bijvoorbeeld Short Message Service (SMS) en Wireless Application Part (WAP) SMS is een opslaan-doorsturen-dienst van korte berichten met een maximale lengte van 160 tekens. Het GSM-PLMN-netwerk slaat de berichten tijdelijk op in een SMSservice Center (SMS-C).

HLR

MS

MSC VLR

BSS SMSbericht

SS7

MSC VLR

BSS

MS

SMS-C

SMS-service Center (SMS-C)

Figuur 2.19 SMS-service Center WAP is de eerste stap naar draadloze internet-diensten die gebaseerd zijn op vergelijkbare protocollen zoals HTTP en HTML. Het nadeel van deze dienst is de betrekkelijk lage transmissiesneld (9600 bit/s).

WAP Gateway Internet

MS

Mobiel Netwerk

applicatie server Wireless Telephony Applications Server WTA-server

Figuur 2.20 WAP ! Gegevens van abonnees raadplegen die in databases zijn opgeslagen.


17

Registers Een Vistor Location Register (VLR) is een database die gekoppeld is aan een MSC. Deze combinatie wordt aangeduid met de term MSC/VLR. In de MSC/VLR-database staan gegevens van gebruikers die tijdelijk binnen het MSC/VLR-dekkingsgebied verblijven. Het Home Location Register (HLR) is de database die gekoppeld is aan de Mobile services Switching Centre in het dekkingsgebied waar de abonnee is geregistreerd. Registratiegegevens van een abonnee staan in één Home Location Register. Het betreft gegevens, zoals: 1. Elke gebruiker in een GSM-PLMN-netwerk krijgt een uniek International Mobile Subscriber Identity (IMSI), wanneer hij/zij een abonnement neemt bij een operator van een GSM-PLMN-netwerk. Dit nummer bestaat uit 15 cijfers en identificeert een abonnee.

MCC

MSIN

MNC NMSI IMSI (15 cijfers)

MCC - Mobile Country Code MNC - Mobile Network Code MSIN- Mobile Subscriber Identification Number NMSI- National Mobile Subscriber Identity

Figuur 2.21 IMSI 2. Mobile Station ISDN Number (MSISDN). Dit is het telefoonnummer van de abonnee.

CC

NDC

SN

National Number MSISDN CC= Country Code. NDC= Network Destination Code SN= Subscriber Number

Figuur 2.22 MSISDN 3. Diensten waarvan een abonnee gebruik van mag maken, zoals: a) nummer-identificatie; b) tegelijkertijd met verschillende gebruikers bellen; c) beperkt aantal nummers bellen.


18

4. Identiteit van het MSC/VLR-dekkingsgebied waarbinnen een mobiele station zich opdat ogenblik bevindt. De MSC/VLR-identeit van het dekkingsgebied waarbinnen een mobiel station zich bevindt heet Location Area Identity (LAI).

MCC

MNC

LAC

LAI

MCC= Mobile Country Code MNC= Mobile Network Code LAC = Location Area Code LAI= Location Area Identity Figuur 2.23 Location Area Identity Aan de hand van de Local Area Identity in het Home location Register kan de MSC een telefoonoproep doorschakelen naar de MSC in de buurt van het mobiele station. Een mobiel station krijgt automatisch een nieuwe Local Area Identity, wanneer het zich van het ene naar het andere MSC-dekkingsgegied verplaatst.


19

Visitor Location Register (VLR)

MSC/VLRdekkingsgebied B

MSC/VLRdekkingsgebied A

LA

I

MSC

Visitor Location Register (VLR)

MSC

Figuur 2.24 Ander MSC/VLR-dekkingsgebied Het Authentication Center is een zwaar bewaakte database. Een MSC raadpleegt deze database om te verifiëren of gebruikers in de HLR- en VLR-database inderdaad toegang mogen krijgen tot het GSM-PLMN-netwerk. Daarnaast staan in deze database gegevens voor het versleutelen van burst-blokken. Het Authentication Center is gekoppeld aan het Equipment Identity Register. In dit register staan de gegevens van gestolen mobiele stations. Het GSM-PLMN-netwerk en mobiele stations gebruiken de binaire sleutel Ki om burstblokken te versleutelen. Deze sleutel is opgeslagen in de SIM-kaart en het Authentication Center. Naast de Ki-sleutel genereert het Authentication Center een willekeurig (random) getal. Dit willekeurige getal en de Ki-sleutel vermenigvuldigen het Authentication Center en het mobiele station volgens een ingewikkelde methode (A8 Algoritme) met elkaar. Het produkt van deze vermenigvuldiging levert de cipher key (Kc) op. Via de MSC/VLR komt de Kc-sleutel terecht bij het Base Transceiver Station. Dit station ver- en ontsleutelt de burstblokken die het verstuurt/ontvangt naar/van het mobiele station. Het Base Transceiver Station en mobiele station vermenigvuldigen de KC-sleutel en het frame-nummer van het TDMA-frame waarin de sub-blokken staan op basis van de A5algoritme. Dit produkt levert cipher sequence op met een lengte van 114 bit. Het logische exculsive or-produkt (XOR) van de cipher sequence en de subblokken (114 bit) zijn de versleutelde sub-blokken.


20

random generator Ki

willekeurig getal

mobiel station

Geheim getal Kc

Geheim getal Kc

TDMA-frame-nummer

A5 Algoritme

A5 Algoritme

sub-blokken (114 bit onversleuteld)

sub-blokken (114 bit versleuteld)

XOR-poort

BTS

sub-blokken (114 bit onversleuteld)

willekeurig getal

A8 Algoritme

A8 Algoritme TDMA-frame-nummer

Authentication Center

Ki

XOR-poort

Figuur 2.25 Ciphering Voorbeeld 2.1 Gegeven Hieronder staan: a) sub-blokken die het mobiele station verstuurt naar een Base Transceiver Station. b) cipher sequence sub-blokken

0

1

0

0

1

totale lengte 114 bit 0 1 1 1 0 0

cipher sequence

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

1

.

.

.

0

.

.

.

Gevraagd Bepaal de binaire waarde van de: a) versleutelde sub-blokken die het mobiele station naar een Base Transceiver Station verstuurt. b) sub-blokken nadat het naar een Base Transceiver Station de sub-blokken heeft ontsleuteld. In figuur 2.26 staat de functie van een XOR-poort. X

=1 F

Y

Waarheidstabel XOR-poort X

Y

F

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

Figuur 2.26 XOR-poort Hoofdstuk 2 Theorie mobiele netwerken (W.J. Roos)

21

Oplossing a) De versleutelde sub-blokken die het mobiele station naar een Base Transceiver Station verstuurt, zijn: Tabel 2.4 Versleutelen oorspronkelijke sub-blokken

0

1

0

0

1

totale lengte 114 bit 0 1 1 1 0

0

1

.

.

.

cipher sequence

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

0

.

.

.

XOR-functie

0

1

1

0

0

1

1

1

0

1

1

1

.

.

.

versleutelde sub-blokken

b) Een mobie station en Base Transceiver Station gebruiken dezelfde cipher sequence. Tabel 2.5 Ontsleutelen versleutelde sub-blokken

0

1

1

0

0

totale lengte 114 bit 1 1 1 0 1

cipher sequence

0

0

1

0

1

1

0

0

1

1

1

0

.

.

.

XOR-functie

0

1

0

0

1

0

1

1

1

0

0

1

.

.

.

1

1

.

.

.

ontsleutelde sub-blokken Conclusie De ontsleutelde sub-blokken in het Base Transceiver Station zijn hetzelfde als de oorspronkelijke sub-blokken die het mobiele station heeft verstuurd. 2.2.4 Operation Support Subsystem Het Operation Support Subsystem is belast met het optimaal functioneren van het GSMPLMN-netwerk. Aspecten die hierbij aan de orde komen, zijn: 1)

Gegevens van abonnees bijhouden en het versturen van rekeningen.

2)

Netwerkbelasting en de kwaliteit van het netwerk meten. Op basis van deze metingen kan de operator de configuratie van het GSM PLMN-netwerk wijzigen.

3)

Op afstand netwerk netwerkcomponenten configureren.

Voor het uitvoeren van bovenstaande taken maken operators gebruik van een Telecommunications Management Network (TMN)


22

2.3 GPRS-architectuur Operators moeten onderstaande componenten aan een GSM-PLMN-netwerk toevoegen om dit netwerk geschikt te maken voor GPRS: 1) Serving GPRS Support Node (SGSN). De functie van een Serving GPRS Support Node is vergelijkbaar met die van een Mobile service Switching Centre. Taken die een Serving GPRS Support Node uitvoert, zijn: a) Lokatie bepalen waar mobiele GPRS-stations zich bevinden binnen het SGSNdekkingsgebied. b) Routerings-informatie bijhouden van mobiele GPRS-stations. c) Toegangscontrole tot het GPRS-netwerk en beveiligingsmaatregelen. d) Verbindingskosten bijhouden. 2) Gateway GPRS Support Node (GGSN). De functie van een Gateway GPRS Support Node is vergelijkbaar met die van een Gateway Mobile services Switching Center. Taken die een Gateway GPRS Support Node uitvoert, zijn: a) Koppelt een GSM-PLMN-netwerk aan een data- en/of IP-netwerk. b) Converteert een Gi-interface-protocol naar een data- en/of IP-protocol. c) Routerings-informatie bijhouden van mobiele GPRS-stations. Um-interface

BTS

VLR

BSC

Ainterface

PCU

T R A U

VLR

telefoonnetwerk

MSC

GMSC ISDN

GR

EIR

HLR/AC

Laptop computer

Gb-interface

SGSN

IP-gebaseerd back bone-netwerk Circuitgeschakeld verkeer

Gn-interface

Signalering

GGSN

Gi-interface

Datanetwerk (X.25)

IP-netwerk

Signalering en GPRS-dataverkeer

Figuur 2.27 GPRS-netwerk 3) Een Packet Control Unit (PCU) in het Base Station Controller. Deze eenheid voert onderstaande taken uit: a) Beheer van GPRS-radiokanalen. Aspecten die hierbij aan de orde komen, zijn: i) Eén of meerdere tijdsloten toekennen aan mobiele GPRS-stations. ii) Congestie controle (Medium Access Control).


23

iii) Zendvermogen regelen tussen het mobiele GPRS-station en Base Transceiver Station. iv) Besturings-informatie versturen. b) Converteert een Gb-interface-protocol naar een protocol dat geschikt is voor Umradio-interface. 4) GPRS-register (GR). In dit register staan de abonneegegevens van het mobiele GPRSstation. 2.3.1 Profiel van GPRS-abonnee In het profiel van de GPRS-abonnee zijn de diensten beschreven die een abonnee mag gebruiken. Eén van de belangrijkste profielgegevens is het type protocol welke het mobiele GPRS-station gebruikt voor de pakketgeschakelde netwerkservice. Het is toegestaan dat een mobiel GPRS-station gebruik maakt van verschillende pakket-geschakelde protocollen. Bijvoorbeeld IP en X.25. Voor het opbouwen van pakket-geschakelde verbindingen zijn de volgende gegevens nodig: 1) Pakket-netwerk-adres. In een pakket-geschakeld netwerk heeft elk systeem een pakketnetwerk-adres-nodig. Een mobiel GPRS-station krijgt een dynamisch of statisch adres. Dynamisch betekent dat een station bij het opbouwen van een verbinding elke keer een nieuw adres krijgt toegewezen. Deze methode wordt toegepast omdat er maar een beperkt aantal adressen beschikbaar zijn voor pakketgeschakelde netwerken. De problematiek rondom dynamische adressering wordt in de toekomst opgelost. Dit gebeurt als het IPprotocol (versie 4) wordt vervangen door IP-protocol (versie 6). 2) Quality of Service (QoS). Applicaties stellen eisen aan een netwerk. QoS-parameters beschrijven diensten die een netwerk kan bieden aan applicaties. Diensten die een GPRSnetwerk biedt, zijn: a) Prioriteit data-pakket. Een GPRS-netwerk kan data-pakketten met de volgende prioriteiten verwerken: i) hoge prioriteit; ii) normale prioriteit; iii) lage prioriteit. b) Vertraging opdelen in vier klassen. In tabel 2.6 staat de gemiddelde vertraging bij het versturen van data-pakketten met een lengte van 128 bytes. Tabel 2.6 Vertraging klasse 1 2 3 4

vertraging [sec] < 0,5 <5 <50 niet gespecificeerd

c) Betrouwbaarheid data-transport opdelen in vijf klassen. Klasse 1 biedt de hoogste betrouwbaarheid en klasse 5 de laagste betrouwbaarheid. d) Maximale doorvoersnelheid van data opdelen in negen klassen. Operators geven echter niet de garantie dat deze maximale doorvoer gedurende een lange periode


24

inderdaad wordt behaald. De maximale doorvoer is immers afhankelijk van het aantal beschikbare radiokanalen en de capaciteit van het mobiele GPRS-station. e) Gemiddelde doorvoersnelheid van data opdelen in 19 klassen 3) GGSN-adres. Dit adres geeft aan welke Gateway GPRS Support Node de abonnee gebruikt. 2.3.2 GPRS-protocols Applicaties in een mobiel GPRS-station communiceren met applicaties in computer-systemen die op een X.25- of IP-netwerk zijn aangesloten. Deze communicatie gaat via het GPRS- en IP-netwerk of via het GPRS-X.25-netwerk. Componenten binnen deze netwerken voegen protocol informatie toe aan de data die een applicatie verstuurt. Dit is nodig voor probleemloze communicatie. Applicaties die op basis van het IP- of X.25-protocol communiceren zien de OSI-lagen als één virtuele verbinding. Anders geformuleerd: applicaties in een mobiel GPRS-station hebben de “indruk” alsof ze rechtstreeks op een IP- of X.25-netwerk zijn aangesloten. applicatie IP

Um -interface

VLR

BTS T R A U

BSC PCU

telefoonnetwerk

MSC

GMSC ISDN

GR

Gb-interface

VLR

EIR

HLR/AC

host

SGSN

IP-gebaseerd back bone-netwerk

applicatie IP

Gn-interface

GGSN

Gi-interface IP-netwerk

virtuele tunnel

Figuur 2.28 Virtuele verbinding In figuur 2.29 zijn de OSI-lagen afgebeeld voor de onderlinge communicatie tussen twee applicaties in een mobiel GPRS-station en een host die op een IP-netwerk is aangesloten.


25

applicatie

applicatie

IP

IP

RLC

RLC BSSGP

MAC

MAC

GSM RF

GSM L1bis RF BSS

IP

IP

UDP/ TCP

UDP/ TCP

IP

IP

FR

L2

L2

L2’

L2’

L1bis

L1

L1

L1’

L1’

LLC

LLC

Um mobiel GPRS-station

GTP

SNDCP GTP

SNDCP

BSSGP

FR

Gb

SGSN

Gn

GGSN

Gi

host

Figuur 2.29 OSI-lagen Protocollen voor de Gi- en Gn-interface L1’ en L2’ zijn de fysieke en datalinklaag in de host en Gateway GPRS Support Node. Het GPRS Tunneling Protocol (GTP) vormt een virtuele tunnel door het back bone-netwerk. Via deze tunnel versturen applicaties hun IP-frames langs het back bone-netwerk. Transport van GTP-frames gebeurt op basis van het TCP/IP-protocol. L1 en L2 zijn de fysieke en datalinklaag van de netwerkkaarten die op het back bone-netwerk zijn aangesloten. Protocollen voor de Gb-interface Het Subnetwork Dependent Convergence Protocol (SNDCP) comprimeert en segmenteert IP-frames die een applicatie verstuurt. Aan de ontvangstzijde voert het SNDCP-protocol de tegenovergestelde bewerking uit. De Logical Link Control-laag (LLC) zorgt voor een versleutelde verbinding tussen het mobiele GPRS-station en de Serving GPRS Support Node. Het BSS GPRS-protocol (BSSGP) transporteert LLC-frames, routerings-informatie en QoSparameters tussen het Base Station Subsystem en de Serving GPRS Support Node. Transport van BSSGP-pakketen gebeurt met frame relay-frames (FR). L1bis is de fysieke laag van de Gb-interface. Deze laag is gebaseerd op E1/T1-technologie (PCM30/PCM24). Protocollen voor de Um-interface De Radio Link Control-laag (RLC) corrigeert transmissiefouten die optreden via de radio interface. Daarnaast segmenteer en assembleert LLC-frames. De RLC-laag gebruikt voor de gesegmenteerde LLC-frames één of meerdere tijdsloten binnen een TDMA-frame.


26

De Medium Access Control-laag (MAC) regelt toegang tot de tijdsloten. Het is namelijk mogelijk dat meerdere mobiele GPRS-stations tegelijkertijd toegang proberen te krijgen tot dezelfde tijdsloten. De GSM Radio Frequency (GSM RF) is het fysieke kanaal dat gebruikt wordt om data te versturen via de GSM-radio-interface.


27

Voor het 2,4 GHz-spectrum is geen licentie nodig. Toch worden er eisen gesteld aan het gebruik van dit spectrum, zoals:

Recommend Documents