Sieci urządzeń mobilnych
Część 3 wykładu
SKO2
SKO2
Mobilne-1
Mapa wykładu
Wprowadzenie
Dlaczego mobilność?
Rynek dla mobilnych urządzeń
Dziedziny badań
Transmisja radiowa
Protokoły wielodostępowe
Systemy GSM
Systemy satelitarne
Bezprzewodowe sieci lokalne
SKO2
Mobilne-2
Telefonia mobilna na świecie
1200
1000
GSM
800
TDMA
CDMA
600
PDC
Analogue
Bezprzewodowe
400
Prognoza (1998)
200
0
rok
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002
SKO2
Mobilne-3
Abonenci [miliony]
Rozwój mobilnych systemów telekomunikacyjnych
CT0/1
AMPS
CT2
NMT
IMT-FT
DECT
IS-136
TDMA
EDGE
IMT-SC
D-AMPS
IS-136HS
GSM GPRS
UWC-136
PDC
IMT-DS
UTRA FDD / W-CDMA
IMT-TC
UTRA TDD / TD-CDMA
IMT-TC
TD-SCDMA
IS-95 IMT-MC
cdma2000 1X
cdmaOne cdma2000 1X EV-DO
1X EV-DV
(3X)
1G 2G 2.5G 3G
SKO2
Mobilne-4
FDMA
TDMA
CDMA
Historia GSM
" We wczesnych latach 1980tych, szybki wzrost
analogowej telefonii komórkowej w Europie
" Różne kraje mają niekompatybilne urządzenia i
działanie
" Groupe Spécial Mobile (GSM) (1982)
" Dobra jakość mowy
" Mały koszt terminali i usług
" Obsługa międzynarodowego roamingu
" Obsługa naręcznych terminali
" Obsługa wielu nowych usług
" Wydajność spektralna
" Kompatybline z ISDN
" Global System for Mobile Communication
" Usługi komercyjne rozpoczęte w połowie 1991 roku
" w 1993 było 36 sieci GSM w 22 krajach
" Ameryka Północna weszła z opóz
nieniem w dziedzinÄ™
GSM z wariantem GSM zwanym PCS1900
SKO2
Mobilne-5
Historia: c.d.
DziÅ›:
swobodny roaming w całej Europie
wielu dostawców na całym świecie używa GSM
(ponad 184 krajów w Azji, Afryce, Europie,
Australii, Ameryce)
ponad 747 milionów abonentów
ponad 70% wszystkich cyfrowych telefonów używa
GSM
ponad 10 miliardów SMSów miesięcznie w
Niemczech, > 360 miliardów/rocznie na świecie
SKO2
GSM a telefonia tradycyjna (PSTN)
Komunikacja
mobilna, bezprzewodowa (tradycyjna telefonia w
ograniczonym zakresie)
obsługuje komunikację głosu i danych  ale tradycyjna
telefonia też
Globalna mobiliność
międzynarodowy numer telefoniczny
karta SIM daje niezależność od aparatu, operatora
sieć zajmuje się prezentacją dostosowaną do warunków
lokalnych
SKO2
Mobilne-7
GSM a telefonia analogowa (mobilna)
Większa ilość użytkowników
wydajniejsze wykorzystanie częstotliwości, mniejsze
komórkie, więcej użytkowników w komórce
Wysoka jakość trasnmisji
wysoka jakość i odporność dz
więku dla bezprzewodowych,
nieprzerwanych rozmó, także przy wysokiej prędkości
ruchu (n.p., z samochodów, pociągów)
Usługi ochrony informacji
kontrola dostępu, uwierzytelnienie za pomocą karty SIM i
numerów PIN/PUK
SKO2
Mobilne-8
Wady GSM
Nie ma doskonałych systemów!!
brak szyfrowania od końca do końca
brak pełnej przepustowości ISDN (64 kb/s) do
użytkownika
zmniejszanie koncentracji przy prowadzeniu pojazdów
promieniowanie elektromagnetyczne
utrata prywatności
dostępność informacji o lokalizacji
duża złożoność systemu
braki kompatybilności w standardach GSM
SKO2
Mobilne-9
Usługi udostępniane przez GSM
" usługi nośne: usługi komunikacji danych pomiędzy
punktami dostępowymi
" komunikacja danych do 9,6 Kb/s
" usługi telekomunikacyjne:
" telefonia
" numery awaryjne
" SMS: Short Messages Service (do 160 bajtów)
" poczta głosowa
" faks Group 3
" poczta elektroniczna
" usługi uzupełniające
" Identyfikacja
" blokowanie połączeń
" przekazywanie połączeń
SKO2
Mobilne-10
Architektura systemu GSM
GSM jest sieciÄ… PLMN (Public Land Mobile Network)
wielu dostawców może tworzyć sieci w standardzie
GSM w jednym kraju
składniki:
" MS (stacja mobilna): noszona przez abonenta,
zawiera
" urzÄ…dzenie mobilne (terminal)
" kartÄ™ smart card zwanÄ… Subscriber Identity Module
(SIM)
" użytkownik może mieć dostęp do usług objętych
abonamentem niezależnie od terminala
SKO2
Mobilne-11
Architektura systemu GSM
" BS (stacja bazowa, base station): steruje
Å‚Ä…czem radiowym do stacji mobilinej MS
" MSC (mobile switching center): przełącza
połączenia mobilnych użytkowników, także
pomiędzy użytkownikami mobilnymi i PSTN
" LR (location register)
podsystemy
" RSS (radiowy): obejmuje wszystkie aspekty
radiowe
" NSS (sieci): przełączanie, przekazywanie
połączeń, przekazywanie między komórkami
" OSS (operacyjny): zarzÄ…dzanie sieciÄ…
SKO2
Mobilne-12
Architektura systemu GSM
Location
Sieć
Mobile
Register
radiowa
Switching
(baza danych)
Base Station
Center
MSC
Controller
Interfejs
Szkieletowa
sieć (przewodowa)
Um
Interfejs
Abis
Stacja
mobilna (MS)
Interfejs
A
Stacja bazowa
(BS)
Komórka
SKO2
Mobilne-13
Architektura systemu GSM
Home Location Register
(HLR)
SZKIELETOWA SIEĆ TELEFONICZNA
Visitor Location Register
(VLR)
Mobile Switching Center
MSC
(MSC)
VLR EIR AuC
Mobile Terminal
(MT)
Sygnalizacja lokalna Sygnalizacja  zamiejscowa
SKO2
Mobilne-14
Architektura systemu GSM
SKO2
Mobilne-15
Podsystem radiowy
Podsystem radiowy obejmuje sieć komórkową aż do
przełączników
Składniki
podsystem stacji bazowej (Base Station Subsystem, BSS):
" Base Transceiver Station (BTS): składniki radiowe, w tym
nadajnik, odbiornik, antena
" Base Station Controller (BSC): przełączanie pomiędzy
BTS, sterowanie BTS, zarzÄ…dzanie zasobami radiowymi
" BSS = BSC + suma(BTS) + połączenia
Stacje mobilne (MS)
SKO2
Mobilne-16
GSM: sieć komórkowa
podział obszaru na komóki
zasięg radiowy komórki
obszar zakłóceń komórki
uproszczony kształt komórki
cell
używa wielu częstotliwości nośnych
różne częstotliwości w sąsiednich komórkach
rozmiary komórek wahają się od 100 m do 35 km zależnie od
gęstości użytkowników, geografii, mocy nadajnika itd.
sześciokątny rozmiar komórek to uproszczenie (komórki
nakładają się, rozmiary zależą od geografii)
jeśli mobilny użytkownik zmienia komórkę:
przekazanie (handover) połączenia do sąsiedniej komórki
SKO2
Przykładowy zasięg sieci GSM
Vodafone (GSM-900/1800)
T-Mobile (GSM-900/1800) Berlin
e-plus (GSM-1800) O2 (GSM-1800)
SKO2
(www.gsmworld.com)
Mobilne-18
BTS a BSC
Funkcja BTS BSC
Zarządzanie kanałami radia X
Skakanie po częstotliwościach X X
Zarządzanie kanałami naziemnymi X
Odwzorowanie kanałów naziemnych na radiowe X
Kodowanie i dekodowanie kanału X
Adaptacja przepustowości X
Szyfrowanie X X
Paging X X
Pomiar sygnału uplink X
Pomiary ruchu X
Uwierzytelnienie X
Rejestrowanie i aktualizacja położenia X
Przekazywanie (Handover) X
SKO2
Mobilne-19
Stacja mobilna
Terminal do usług GSM
Stacja mobilna (MS) składa się z:
MT (Mobile Termination):
" oferuje funkcje wykorzystywane przez wszystkie usługi
MS
" odpowiada punktowi zakończenia sieci (Network
Termination, NT) w sieci dostępowej ISDN
" punkt końcowy interfejsu radiowego (Um)
" Wykonuje wszystkie czynności multipleksacji (TDMA,
FDMA)
SKO2
Mobilne-20
Stacja mobilna
TA (Terminal Adapter):
" adaptacja terminala,
TE (Terminal Equipment):
" urządzenie peryferyjne MS, oferuje usługi użytkownikowi
" nie zawiera funkcji GSM
" przykład: aparat fotograficzny
SIM (Subscriber Identity Module):
" personalizuje stację mobilną, zapisuje parametry użytkownika
" Zawiera: PIN, PUK, Klucz uwierzytelnienia Ki, międzynarodowy
identyfikator użytkownika IMSI
Dynamiczne informacje przechowywane przez MS
" Klucz szyfrowania Kc, tymczasowy identyfikator TMSI,
identyfikator obszaru LAI
SKO2
Mobilne-21
Podsystem sieci
Network Switching Subsystem NSS jest głównym
składnikiem sieci GSM
przełączenie, zarządzanie mobilnością, połączenia z innymi
sieciami, sterowanie systemem
Składniki
Mobile Services Switching Center (MSC)
steruje wszystkimi połączeniami do/z mobilnego terminala w
domenie MSC przez oddzielną sieć
wiele BSC może być zarządzanych przez jednego MSC
SKO2
Mobilne-22
Podsystem sieci
Bazy danych
" ważne: skalowalność, duży rozmiar, małe opóz
nienie
Home Location Register (HLR)
centralna baza danych z danymi użytkownika, stałe i pół-stałe
dane użytkownika są przypisywane do HLR (jeden operator
może mieć wiele HLR)
" Dane o użytkowniku: numer ISDN (MSISDN), zamówione
usługi (przekazywanie połączeń, roaming, GPRS),
międzynarodowy identyfikator (IMSI), aktualny obszar
(LA), numer roamingu (MSRN), aktualny VLR i MSC.
Visitor Location Register (VLR)
lokalna baza dla podzbioru danych użytkownika, w której są
dane wszystkich użytkowników znajdujących się aktualnie w
domenie VLR
" TrochÄ™ jak cache dla danych z HLR
SKO2
Mobilne-23
Mobile Services Switching Center
MSC (mobile switching center) ma centralnÄ… rolÄ™ w
GSM
funkcje przełączania
zarzÄ…dzanie zasobami sieci
funkcje intersieci przez Gateway MSC (GMSC)
integracja wielu baz danych
funkcje pagera i przekazywania połączeń
rejestracja położenia i przekazywanie informacji o położeniu
nowe usługi (faks, komunikacja danych)
usługa SMS
tworzenie i przekazywanie informacji księgowej i bilingowej
SKO2
Mobilne-24
Podsystem operacyjny
OSS (Operation Subsystem) pozwala na centralne
zarzÄ…dzanie wszystkimi podsystemami GSM
Używa koncepcji TMN!
Składniki
Centrum uwierzytelnienia (AUC)
" generuje parametry uwierzytelnienia na żądanie VLR
" parametry uwierzytelnienia są używane do
uwierzytelnienia terminala mobilnego i szyfrowania
informacji przez interfejs radiowy systemu GSM
Rejestr identyfikacji urządzeń (EIR)
" rejestruje terminale mobilne GSM i uprawnienia
użytkowników
" skradzione lub uszkodzone terminale mogą być
zablokowane i niekiedy zlokalizowane
Centrum operacyjne i utrzymaniowe (OMC)
" różne możliwości sterowania podystemem radiowym i sieci
SKO2
Mobilne-25
GSM-900 - TDMA/FDMA
935-960 MHz
124 kanałów (200 kHz) downlink
890-915 MHz
124 kanałów (200 kHz) uplink
czas
ramka TDMA GSM
1 2 3 4 5 6 7 8
4.615 ms
szczelina czasowa GSM (normal burst)
przestrzeń
ochronna
ogon dane S trening S dane ogon
przestrzeń3 bity 57 bitów 1 26 bitów1 57 bitów 3
546.5 µs
ochronna
577 µs
SKO2
ć
Å›
o
w
i
l
t
o
t
s
Ä™
z
c
Protokoły sygnalizacyjne GSM
Um Abis A
MS
BTS BSC MSC
CM CM
MM
MM
BSSAP
BSSAP
RR
RR
RR BTSM
BTSM
SS7 SS7
LAPDm LAPDm
LAPD LAPD
radio radio PCM PCM PCM PCM
16/64 kb/s 64 kb/s /
2.048 Mb/s
SKO2
Mobilne-27
Rozmowa ze stacjÄ… mobilnÄ…
1: połączenie z abonentem GSM
2: przekazywanie połączenie do
4
HLR VLR
GMSC
5
8 9
3: sygnalizacja o połączeniu do
3 6
14 15
HLR
7
calling
PSTN GMSC MSC
station
1 2
10 13 10
4, 5: żądanie MSRN od VLR
10
16
6: przekazanie adresu MSC do
BSS BSS BSS
GMSC
11 11 11
7: przekazanie połączenia do
11 12
odpowiedniego MSC
17
8, 9: pobranie statusu MS
MS
10, 11: paging MS
12, 13: MS odpowiada
14, 15: kontrola bezpieczeństwa
SKO2
16, 17: tworzenie połączenia
Mobilne-28
Przekazywanie połączeń
qð
Stacja mobilna wychodzi poza zasięg BTS
qð
Równoważenie obciążenia
qð
przekazywanie wewnątrz komórki:
zakłócenia na jednej częstotliwości mogą
spowodować, że BSC zmieni częstotliwość
nośną
SKO2
Mobilne-29
Decyzja o przekazywaniu
moc odbieranego
moc odbieranego
sygnału
sygnału
BTSnowe
BTSstare
HO_MARGIN
MS MS
BTSstare BTSnowe
SKO2
Mobilne-30
Uwierzytelnienie
qð
dwie jednostki funkcjonalne,
o
karta SIM w stacji mobilnej,
o
centrum uwierzytelnienia (AuC)
qð
abonent otrzymuje tajny klucz
qð
AuC generuje losowy numer i wysyła do terminala
qð
Oba używają losowego numeru, razem z tajnym
kluczem abonenta oraz algorytmem szyfrujÄ…cym
zwanym A3, żeby wygenerować podpisaną odpowiedz

(SRES), która jest wysyłana spowrotem do AuC
qð
Stacja zostaje uwierzytelniona, jeśli obie wartości się
zgadzajÄ…
SKO2
Mobilne-31
Ochrona informacji w GSM
Usługi
poufność
" głos i informacje sygnalizujące są szyfrowane na łączu
radiowym (po pomyślnym uwierzytelnieniu)
anonimowość
" tymczasowy identyfikator TMSI
(Temporary Mobile Subscriber Identity)
" przydzielany na nowo po każdej zmianie położenia
" szyfrowana transmisja
3 algorytmy określone dla GSM
A3 dla uwierzytelnienia ( sekret , otwarty interfejs)
A5 dla szyfrowania (standardyzowane)
A8 dla generacji klucza ( sekret , otwarty interfejs)
SKO2
Mobilne-32
Komunikacja danych w GSM - 1
W standardzie, możliwość transmisji tylko 9.6 kb/s
zaawansowane kodowanie pozwala na 14,4 kb/s
nie wystarcza dla aplikacji Internetu i multimedialnych
HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data)
jest to głównie aktualizacja oprogramowania
łączy szereg szczelin czasowych w celu zwiększenia
przepustowości
zaleta: łatwe w użyciu, stała jakość, proste
wada: blokowane są kanały do transmisji głosu
SKO2
Mobilne-33
Komunikacja danych w GSM - 1
GPRS (General Packet Radio Service)
komutacja pakietów
używa wolnych ramek tylko, gdy musi wysłać pakiet
(n.p., 50 kb/s używając chwilowo 4 szczelin)
standard gotów w 1998, wchodzi w użycie w 2001
zaleta: bardziej elastyczne
wada: potrzebna większa inwestycja (nowy sprzęt)
SKO2
Mobilne-34