Transcript Wykład 6
Systemy mobilne Wykład 6: System GSM dr inż. Marek Mika Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Jana Amosa Komeńskiego w Lesznie Plan • • • • • • Historia Struktura systemu GSM Stacje ruchome Segment stacji bazowych Segment komutacyjno-sieciowy Segment eksploracji i utrzymania dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 2 Historia • Analogowa telefonia komórkowa – początek lat 80-tych XX w. • 1982 – utworzenie zespołu Groupe Spéciale Mobile • 1986 - wybór pasma 900 MHz • 1991 – system pilotażowy • 1992 – pierwszy SMS; pierwsza umowa roamingu międzynarodowego • 1993 – uzupełnienie o pasmo 1800 MHz • 1995 – pasmo 1900 MHz (USA); powołanie GSM Association; 10 mln abonentów • 1996 – oferta pre-paid • 1998 – 100 mln użytkowników • 2000 – usługa GPRS dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 3 Historia cd. • • • • • • • • • 2001 – UMTS; 500 mln abonentów 2002 – MMS; pasmo 800 MHz; pasmo 2100 MHz 2003 – EDGE 2004 – 1 mld abonentów 2005 – HSDPA; 1,5 mld abonentów 2007 – HSUPA 2008 – 3 mld abonentów 2009 – LTE 2010 – 5 mld abonentów w 212 krajach • W Polsce w połowie lat 90-tych XX w. dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 4 Bloki funkcjonalne systemu GSM MS • • • • BSS NSS OMS MS (Mobile Stations) – stacje ruchome BSS (Base Station Subsystem) – zespół stacji bazowych (BTS-y i ich kontrolery) NSS (Network and Switching Subsystem) – cześć komutacyjno-sieciowa (centrle i rejestry) OMS (Operation and Meintenance Subsystem) – zespół eksploatacji i utrzymania dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 5 Struktura przestrzenna • Obszar centralowy obsługiwany przez centrale MSC (Mobile services Switching Center) • Obszary przywołań oznaczone unikalnymi identyfikatorami LAI • Komórki (kilkadziesiąt do kilkuset w jednym obszarze przywołań) LA-1 LA-6 LA-7 MSC VLR LA-10 dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 LA-13 LA-8 6 Identyfikatory w systemie GSM (1) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 7 Identyfikatory w systemie GSM (2) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 8 Stacje ruchome • Typy stacji ruchomych: – modele przewoźne – w pojazdach z zewnętrzną anteną – modele przenośne – duże – modele kieszonkowe – bezprzewodowe automaty telefoniczne – centrale PBX – moduły GSM dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 9 Funkcje stacji ruchomej • Systemowe: – pomiar i regulacja mocy w zależności od odległości od BTS-u i warunków propagacji – frequency hopping – „skakanie po częstotliwościach” umożliwiające współpracę terminala z BTS-em na odpowiednim kanale częstotliwości • Transmisja mowy • Transmisja danych • Interfejs użytkownika: – standardowe (wyświetlanie numeru, wybór operatora itp.) – niestandardowe dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 10 Nowoczesne aparaty • • • • • • • • • • Nowe aparaty Nowe systemy operacyjne Nowe i co raz bardziej funkcjonalne aplikacje Mnogość zastosowań Graficzny i dotykowy interfejs Obsługa wielu wbudowanych urządzeń Obsługa kart pamięci IrDA, Bluetooth, Wi-Fi, 3G/4G Obsługa urządzeń zewnętrznych Ciągły rozwój możliwości dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 11 Karta SIM • SIM – Subscriber Identity Module • Karta SIM to karta inteligentna – jednoukładowy komputer wyposażony w: • • • • • • • procesor koprocesor ROM EEPROM RAM porty I/O inne układy • Kody PIN i PUK chroniące przed niepowołanym dostępem dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 12 Zespół stacji bazowych • Dwa podstawowe bloki: – część transmisyjna • stacje bazowe (BTS) służące do komunikacji z użytkownikami mobilnymi i połączone ze sterownikami stacji bazowych • funkcje – obróbka sygnału, frequency hopping, szyfrowanie i deszyfrowanie komunikatów przychodzących i wychodzących – część sterująca • sterowniki stacji bazowych (BSC) położone między stacjami bazowymi a częścią komutacyjno-sieciową • funkcje – sterowanie podległymi stacjami bazowymi oraz znajdującymi się w ich zasięgu terminalami (np. sterowanie mocą), zarządzanie kanałami rozmownymi i sygnalizacyjnymi, kontrola błędów, zarządzanie frequency hopping w terminalach i stacjach bazowych, komutacja łącz, przywoływanie stacji ruchomych w momencie połączenia dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 13 Typy połączeń pomiędzy BTS • • Radiowe (bezprzewodowe) – za pomocą łącz kierunkowych wysokiej częstotliwości Przewodowe – topologia gwiazdy (BSC w centrum) – szeregowe – typowa magistrala – szeregowe z pętlą – redundantność połączeń dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 14 Centrala MSC • MSC (Mobile Switching Centre) – centrala systemu ruchomego – podstawowy element części komutacyjno-sieciowej – połączona ze sterownikami stacji bazowych BSC i innymi centralami MSC • Funkcje centrali MSC – zestawianie połączeń pomiędzy abonentami systemu GSM – taryfikacja prowadzonych przez nią połączeń • Budowa centrali – pole komutacyjne – inne moduły • Centrala tranzytowa GMSC – albo samodzielne urządzenie – albo moduły IWF w centrali MSC – łączy z abonentami innego systemu telekomunikacyjnego dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 15 Rejestr macierzysty HLR • Miejsce w systemie • HLR (Home Location Register) – przechowuje informacje o abonentach przydatne podczas zestawiania i obsługi połączeń – od kilkuset tysięcy do miliona rekordów – redundantny rejestr zapasowy • Przechowywane dane – informacje o abonencie – lokalizacja użytkownika – usługi • Funkcja – baza danych klientów sieci macierzystej – komutacja łączy i pakietów dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 16 Rejestr stacji obcych - VLR • Rejestr VLR związany jest z centralą MSC • Zawiera dane o wszystkich stacjach ruchomych, aktualnie znajdujących się w obszarze centralowym skojarzonym z daną MSC • Każdy aparat w obszarze centralowym ma w VLR własny rekord • Przechowywane dane – stan terminala (włączony, wyłączony, rozmowa) – dane lokalizacyjne (identyfikator LAI i adres rejestru HLR) – dodatkowe dane np. parametry szyfrowania i identyfikacji abonenta dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 17 Stany terminala • Wyłączony – nie pracuje w systemie GSM • W stanie czuwania – stacja ruchoma włączona, ale nie bierze udziału w połączeniu, informuje o położeniu i czeka na ewentualne wywołanie • terminal w stanie aktywnym – włączony i bierze w danej chwili udział w połączeniu dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 18 Od wyłączonego do włączonego • Rozpoznanie sygnałów w kanałach sygnalizacyjnych • Wybór najsilniejszej stacji bazowej i rozpoznanie numeru LAI • Możliwe sytuacje: – ta sama komórka – jeśli LAI=OldLAI (zapamiętany w stacji przed wyłączeniem) to w VLR zmieniany jest znacznik stanu terminala (OFFON) – inna komórka ten sam obszar przywołań – inny obszar przywołań a ten sam obszar centralowy - Jeśli LAI<>OldLAI to w VLR zmieniany jest znacznik stanu terminala (OFFON) i OldLAILAI – inny obszar centralowy - Jeśli LAI<>OldLAI i MSCA<>OldMSCA to w nowym MSCA zakładany jest rekord VLR, zmieniany jest znacznik stanu terminala (OFFON) i OldLAILAI, a w starym MSC rekord abonenta jest z usuwany VLR dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 19 Wyłączanie telefonu • Przejście ze stanu włączonego do wyłączonego – automatyczne wysłanie wiadomości z prośbą o odłączenie od systemu. – w VLR zmieniany jest znacznik z ON na OFF. – od tej pory żadne sygnały nie są przesyłane do stacji • Problemy z zachowaniem spójności – miejsce wyłączenia poza zasięgiem – sygnał może być nieodebrany – szybki rozpad aparatu na części • Rozwiązanie – okresowe potwierdzanie stanu czuwania dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 20 Okresowe potwierdzanie stanu czuwania • System może nie odebrać informacji o chęci odłączenia od systemu • Stacja ruchoma ma co pewien czas zgłaszać gotowość do przyjmowania rozmów • Jeśli system nie otrzyma w przewidywanych odstępach czasu komunikatu od stacji ruchomej, uznaje ją za wyłączoną dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 21 Transmisja sygnału mowy • Połączenie technik FDMA i TDMA • Każdy BTS dysponuje wiązką kilku kanałów częstotliwościowych, a każdy kanał podzielony jest na 8 szczelin czasowych • Wybrana szczelina (lub ½ szczeliny) czasowa na określonym kanale czasowym stanowi kanał rozmowny • W czasie rozmowy wysyłane są do sieci raporty pomiarowe o mocy sygnału z pobliskich stacji bazowych – utrata sygnału przy oddalaniu się od stacji – pogorszenie warunków propagacji w ramach jednej stacji • Na podstawie analizy pomiarów BSC może: – przełączyć na inną stację bazową – roaming – przyznać inną częstotliwość dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 22 Budowa ramki • 148 bitów – – – – – – – 3 bity dopełnienia 57 bitów danych 1 bit znacznika 26 bitów uczących 1 bit znacznika 57 bitów danych 3 bity dopełnienia dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 23 Wywołanie rozmowy • A dzwoni do B – – – – telefon (A) zgłasza do stacji BTS(A) zadanie polaczenia z telefonem (B) dociera ono do sterownika BSC(A) i centrali MSC(A) MSC(A) wysyła zapytanie do HLR o lokalizację użytkownika B HLR zwraca identyfikator MSC(B), gdzie przesyłane jest zadanie zestawienia polaczenia – MSC(B) sprawdza w VLR, identyfikator LAI telefonu (B) – wszystkie stacje w tym obszarze przywołań otrzymują od BSC B) polecenie wysyłania komunikatów wyszukujących telefon (B) – komórka BTS(B), w której zgłosi się telefon (B) informuje MSC(B) i zestawione zostaje połączenie między abonentami • Rozmowa: – telefon(A) – BTS(A) – BSC(A) – MSC(A) – MSC(B) – BSC(B) – BTS(B) – telefon(B) • Po zakończeniu rozmowy zostanie wysłany komunikat Call Data Record, niosący informacje taryfikacyjną dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 24 Wiadomości • SMS – krótka wiadomość tekstowa (do 160 znaków) – mnogość usług • EMS – możliwości multimedialne (grafika w formacie WBMP, predefiniowane animacje i dźwięki) – możliwe podstawowe formatowanie dźwięku – zgodność z SMS • MMS – wiadomość multimedialna – wysyłana w oparciu o GPRS do centrum wiadomości multimedialnych, a potem do telefonu odbiorcy dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 25 Wysyłanie SMS-a • A wysyła SMS do B • Wyszukiwanie: – podobnie jak w przypadku nawiązywania rozmowy – Telefon(A) BTS(A)BSC(A)MSC(A)HLR(B)MSCVLR(B)BSC(B)BTS(B)telefon(B) • SMS: – Telefon(A)BTS(A)BSC(A)MSC(A)SMSCM SC(B)BSC(B)BTS(B)Telefon(B) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 26 Uwierzytelnianie użytkowników • Uwierzytelnianie karty SIM – centrum uwierzytelniania (AuC) jest modułem związanym z rejestrem macierzystym HLR – przy próbie zalogowania się użytkownika do sieci w AuC generowana jest liczba losowa R – na jej podstawie oraz na podstawie klucza Ki algorytmy szyfrujące A3 i A8 generują odpowiednio podpis elektroniczny SRES i klucz szyfrujący Kc, które razem z liczbą R przesyłane są do centrali MSC, a liczba R dalej do telefonu komórkowego – algorytmy A3 i A8 zapisane na karcie SIM na podstawie zapisanego tam klucza Ki i nadesłanej liczby losowej R generują również podpis elektroniczny SRES i klucz szyfrujący Kc – podpis SRES jest przesyłany do centrali MSC i porównywany z tym wygenerowanym przez system – w przypadku zgodności kluczy telefon jest dopuszczony do systemu, a klucze Kc służą do szyfrowania transmisji bezprzewodowej dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 27 Uwierzytelnianie użytkowników (2) • Sprawdzanie aparatu – rejestr identyfikacji wyposażenia EIR zawiera dane wszystkich aparatów (stacji ruchomych) pracujących w systemie – numer IMEI telefonów są pamiętane na trzech listach, czarnej, białej i szarej – tylko telefony z białej listy sa dopuszczane do systemu i jego zasobów – rejestr EIR znakomicie nadaje się do blokowania skradzionych aparatów, niestety możliwość zmiany numeru IMEI w telefonie omija to zabezpieczenie dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 28 Zespół eksploatacji i utrzymania • Funkcje centrum OMS – baza danych o abonentach – generowanie statystyk – taryfikacja usług w sieci – lokalizacja uszkodzeń i ewentualne rozwiązywanie problemów – analiza ruchu w sieci i jego obciążenia dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 29 Dziękuję za uwagę dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014 30