Systemy mobilneSystemy mobilne
dr inż. Marek MikaPaństwowa Wyższa Szkoła Zawodowaim. Jana Amosa Komeńskiego w Lesznie
Wykład 6:System GSM
Plan
• Historia
• Struktura systemu GSM
• Stacje ruchome
• Segment stacji bazowych
• Segment komutacyjno-sieciowy
• Segment eksploracji i utrzymania
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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.
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 4
Bloki funkcjonalne systemu GSM
• 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
© 2014 5dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie
MS BSS NSS OMS
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)
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 6
LA-1LA-1 LA-7LA-7LA-6LA-6
LA-10LA-10 LA-13LA-13 LA-8LA-8
MSCMSCVLR
Identyfikatory w systemie GSM (1)
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 7
Identyfikatory w systemie GSM (2)
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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)MSC-VLR(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)
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 29
Dziękuję za uwagę
© 2014dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 30
Top Related