Wykład 6: System GSM

1. Wykład 6:System GSM

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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

6. 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-7 LA-1 LA-6 MSC VLR LA-10 LA-8 LA-13 dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

7. Identyfikatory w systemie GSM (1) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

8. Identyfikatory w systemie GSM (2) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

9. 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

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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 (OFFON) • 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 (OFFON) i OldLAILAI • inny obszar centralowy - Jeśli LAI<>OldLAI i MSCA<>OldMSCA to w nowym MSCA zakładany jest rekord VLR, zmieniany jest znacznik stanu terminala (OFFON) i OldLAILAI, aw starym MSC rekord abonenta jest z usuwanyVLR dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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)SMSCMSC(B)BSC(B)BTS(B)Telefon(B) dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

27. 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 Kcsłużą do szyfrowania transmisji bezprzewodowej dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie

28. 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

29. 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

30. Dziękuję za uwagę dr inż. Marek Mika, PWSZ im. J.A. Komeńskiego w Lesznie