Wykład 6: System GSM
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. 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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
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 dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
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 LA-13 LA-8 dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
Identyfikatory w systemie GSM (1) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
Identyfikatory w systemie GSM (2) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
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
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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
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
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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
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
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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie Budowa ramki 148 bitów 3 bity dopełnienia 57 bitów danych 1 bit znacznika 26 bitów uczących dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie 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)SMSCMSC(B)BSC(B)BTS(B)Telefon(B) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014
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
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
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
dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie Dziękuję za uwagę dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie © 2014