GSM

1. Maros Dóra GSM 2012

2. GSM frekvenciasávok GSM900 : uplink: 890~915MHz downlink: 935~960MHz duplex távolság: 45MHz sávszélesség: 25MHz fr. raszter: 200KHz 124 duplex vivő csatornaszámok: 1-124 EGSM900 : uplink: 880~890MHz downlink: 925~935MHz duplex távolság: 45MHz sávszélesség: 10MHz fr. raszter: 200KHz GSM1800 : uplink: 1710-1785MHz downlink: 1805-1880MHz duplex távolság: 95MHz sávszélesség: 75MHz fr. raszter: 200KHz 374 duplex vivő csatornaszámok: 512-885 GSM1900MHz: uplink:1850~1910MHz downlink:1930~1990MHz duplex távolság: 80MHzsávszélesség: 60MHz fr. raszter: 200KHz

3. GSM rádiós interfész Fizikai csatorna: Egy vivőfrekvencia egy időrése - fxTy 1 TDMA keret = 8 időrés 0 1 2 3 4 5 6 7 IDŐ TS0-TS7 DL és UL időzítés Bázisállomás

4. GSM antennák Omni-directional antenna (körsugárzó) 360 fokos sugárzás Directional antenna (szektorsugárzó) Egy szektorban sugároz pl. 120 fok, 60 fok

5. Hexagonális cellaminta Körsugárzó antennák R R R Zöld vonalon egyforma térerő a két antenna felől

6. A frekvencia újrafelhasználás elve (Frequencyreuse) Két egymás melletti cellában nem lehet azonos frekvencia! Azonos vivőfrekvenciát használó cellák, reusefactor:7 Körsugárzó antennákat alkalmazunk

7. 3/9-es cluster 120 fokos szektorsugárzóval Reuse factor = 9

8. 4/12-es cluster 120 fokos szektorsugárzóval Reuse factor = 12

9. Szomszédos csatorna interferencia Két frekvenciasáv között nincs átlapolódás. 200 KHz f 200 KHz Két frekvenciasáv átlapolódik, zavarja egymást! (C/A) f

10. C/I és C/A hányados Azonos csatorna interferencia Szomszédos csatorna interferencia

11. GSM logikai csatornák 14.4Kbit/s FR TCH 9.6Kbit/s FR TCH Forgalmi csatornák (TrafficChannels) Data CH 4.8Kbit/s FR TCH 4.8Kbit/s HR TCH (TCH/H4.8) TCH FR (Full Rate, 13Kbit/s)) Voice CH HR (Half Rate, 6.5 Kbit/s) FCCH (DL): Frequency Correction CH. SCH (DL): Synchronization CH. BCH Kontrol csatornák (ControlChannels) BCCH (DL): Broadcast Control CH. RACH (UL): Random Access CH. AGCH (DL): Access Grant CH. CCH CCCH PCH (DL): Paging CH. SDCCH: Stand-alone Dedicated CCH. DCCH FACCH: Fast Associated CCH. SACCH: Slow Associated CCH.

12. Szóró (Broadcast) csatornák típusai BroadcastChannels (BCH): Szóró csatornák. Ezek csak downlink irányú csatornák. Felelősek főleg a szinkronizációért, frekvencia korrekcióért, valamint a BTS ezeken sugározza pl. a celláról és a hálózatról szóló általános információkat. Mivel ez szórócsatorna, nem pont-pont között valósul meg, hanem pont-multipont, mivel a cellában lévő összes MS veszi ezt a csatornát. A BCH-ba tartoznak a következő csatornák: BroadcastControlChannel (BCCH): Általános szóró csatorna. A BCCH-n sugározza a BTS az általános információkat, mint pl. a hálózat kódját, a cellában használatos frekvenciákat, cella azonosítót, környező cellák információit és még sok egyéb dolgot (maximális teljesítmény a cellában, LAC stb.). FrequencyCorrectionChannel (FCCH):Frekvencia korrekciós csatorna. Olyan információt tartalmaz, melynek segítségével az MS a BTS BCCH vivőjére tud hangolni. Az FCCH egy modulálatlan szinusz jel (csupa nulla), melyre az MS bekapcsolás után vagy másik cellába történő átlépéskor ráhangolódik. SynchronizationChannel (SCH):Szinkronizációs csatorna. A BTS ezen a csatornán sugározza az MS felé a BTS kódját, valamit a TDMA keretszámot, melyet az MS felhasznál a titkosítási algoritmushoz. A csatorna csak downlink irányú.

13. Közös kontrol (CommonControl) csatornák típusai CommonControlChannels (CCCH):Közös kontrol csatornák. A BTS vagy az MS elérésére használják. A csatornákat az mobil készülékek közösen használják, azonban az információ csak egy MS-re vonatkozik. A CCCH magába foglalja a következő csatornákat: PagingChannel (PCH):Kereső csatorna. Downlink irányú, a BTS ezen értesíti az MS-t, ha bejövő hívása van. Access Grant Channel (AGCH): Hozzáférést felkínáló csatorna. Downlink irányú. Hívás felépítésekor a BTS kioszt egy SDCCH csatornát az MS számára, amelyen keresztül a jelzésváltás történik Random Access Channel (RACH):Véletlen elérésű csatorna. Uplink irányú. Híváskezdeményezéskor, vagy egy hívásértesítésre válaszoláskor ezen keresztül éri el az MS a BTS-t.

14. Dedikált kontrol (DedicatedControl) csatornák típusai DedicatedControlChannels (DCCH):Dedikált jelzéscsatornák. A dedikált azt jelenti, hogy a csatorna egy bizonyos MS-hez van társítva. Ezt a csatornát használják hívás felépítéshez, fenntartáshoz szükséges jelzések átviteléhez, mint pl. handover. A DCCH csatornák kétirányúak. Három csatorna tartozik ebbe a csoportba: Stand-aloneDedicatedControlChannel (SDCCH):Önálló dedikált jelzéscsatorna. Ezen a csatornán történik a hívás felépítéséhez szükséges jelzésátvitel az MS és a BTS között, mint pl. IMEI ellenőrzés, Autentikáció, titkosítás, TCH kijelölés. Amint az MS-nek kiosztásra került egy TCH, a mobil készülék elhagyja ezt a csatornát. SlowAssociatedControlChannel (SACCH):Lassú kisegítő jelzés csatorna. Ezen a csatornán küldi az MS a BTS felé az aktuális és a szomszédos cella mérési értékeit. Ezen értékek alapján dönt a BSC a csatornaváltásról, valamint vezérli az MS kimeneti teljesítményét és időzítését. TCH-hoz és SDCCH-hoz társul. FastAssociatedControlChannel (FACCH):Gyors kisegítő jelzéscsatorna. Hasonló az SACCH-hoz, csak ezt akkor használják, amikor pl. sürgős handoverre van szükség, hogy elkerüljék a kapcsolat megszakadását. Ha a TCH időrésben a StealingFlags (F) bit jelzi, akkor a TCH-na titkosított beszéd bitek helyett jelzéseket visznek át. A folyamat olyan gyors, hogy a beszéd minőségét nem zavarja. TCH-hoz társul.

15. GSM burstöktípusai

16. FC, S és A burst FCCH 148 bit SCH RACH 86 bit 0,577 ms, 156,25 bit Guard periódus: védősáv G T Tail bitek:000

17. N és D burst BCCH, PCH, AGCH, SDCCH, SACCH, FACCH, TCH IDLE: „csak kitöltésre”, nem információ! 0,577 ms, 156,25 bit F StealingFlag

18. A Guard periódus idő jellemzője Guard periódus Burst tartalom

19. TCH keretszervezés

20. Control csatornák keretszervezése BCCH vivő TS0 Downlink F:FCCH S:SCH C:Common Uplink Ez a struktúra a BCCH vivő 0. időrésében levő információkat tartalmazza. Az ismétlődés 51 keretenként történik.

21. Controlcsatornák keretszervezése BCCH vivő TS1 A Dowlink irányú csatornaszervezéshez képest az Uplink irány megegyezik, de időben el van tolva!

22. Keretszervezés

23. Rádiós átviteli jellemzők I. A hullámhossz és a frekvencia összefüggése • A kisugárzott jel hullámhossza a kialakult elektromágneses hullám egy periódusának hossza. A frekvencia és a hullámhossz összefüggése: • λ = c/f, ahol • λ- hullámhossz (m) • c - az elektromágneses hullám terjedési sebessége (vákuumban ill. levegőben körülbelül 3*108; pontosan 299792458 m/s) • f - frekvencia (Hz) • Példa: • 1. f=900 MHz (9*108 Hz) λ=? • 3*108 / 9*108 = 3/9 [m] ~ 0,33 [m] • f=2,6 GHz (2,6*109) • 3*108 / 2,6*109 = 1,154 * 10-1 ~ 0,1154 [m]

24. Rádiós átviteli jellemzők II. Rádióhullámok szabadtéri terjedése (Pathloss) A szabadtéri csillapítás általános leírása: RSL Teljesítményszint a vevőben (dB) a0 = 20 log (4Πd/λ) a0 = 20 log (df) + 28,14 d (távolság az adóantennától)

25. Rádiós átviteli jellemzők III. Terjedési modellek • Makrocellásterjedésimodellek: • Kevésbé forgalmas, elővárosi és vidéki környezet, laza beépítettséggel, nagyobb mozgási sebességgel • Hata, COST231 • Mikrocellásterjedésimodellek: • Forgalmas, nagyvárosi, sűrűn beépített környezet, kisebb mozgási sebességgel • Walfish-Ikegami modell, COST 231 • Beltéri(indoor) terjedésimodellek • Mootley-Keenan (félempirikus) • Ray-tracing

26. Rádiós átviteli jellemzők IV. Árnyékolás, shadowing Átlagérték RSL (dB) Árnyékolás okozta változás (lassú fading) d = Távolság az adóantennától

27. Rádiós átviteli jellemzők V. Többutas terjedés (multipathfading) Verődések okozta változás (gyors fading)

28. Rádiós átviteli jellemzők VI. A frekvencia ugráltatás elve (frequency hopping) • A különböző keretekben lévő burst-ök más-más frekvencián kerülnek átvitelre • Az ugratás sebessége 217/mp • 4 frekvencia • Más hullámhossz • Fading völgyek eltolódnak!

29. Rádiós átviteli jellemzők VII. Szimbólumok közötti áthallás (ISI) Bithiba a vevőben! 1? 0? A terjedési késleltetésből adódóan (> 1 bitidő) az egymás után küldött szimbólumok azonos időben érnek a vevőbe!

30. Rádiós átviteli jellemzők VIII. A VITERBI demodulátor és dekódoló Rádiós csatornán érkezett időrés tartalma Eredeti bitsorozat Viterbikiegyen-lítő Módosult training sequence Rádió csatorna Módosított csatornamodell Korrelátor Vevőben található eredeti training sequence

31. Rádiós átviteli jellemzők IX. Interleavingelve Eredeti jelfolyam Kevert jelfolyam Csomagvesztés Rekonstruált jelfolyam Az eredeti jelfolyam azonos hosszúságú blokkokra van osztva, az egymás utáni blokkok elküldése különböző időkben történik!

32. Rádiós átviteli jellemzők X. Interleaving elve a GSM beszédcsatornán 20 ms csatornakódolt beszédminta (456 bit) 8 blokkra van bontva 57 bit Egy blokk egy keretben van elküldve (B blokk) Egy burst-be két minta egy-egy blokkja kerül

33. Az GSM védelmi jellemzői I. • A biztonsági funkciók ellátásában a következő funkcionális elemek vesznek részt: • Mobil állomás (MS) • Bázisállomás (BTS) • Mobil kapcsolóközpont (MSC/MSS) • Autentikációs központ (AUC) • Honos helyregiszter (HLR) • Látogató helyregiszter (VLR).

34. Az GSM védelmi jellemzői II. A SIM kártyacsak a személyes azonosító szám (PIN = PersonalIdentity Modul) megadásával működik, ez kellő biztonságot nyújt a kártya ellopása (klónozása) esetén is. A hitelesítés vagy autentikációaz IMSI érvényességének ellenőrzésére szolgál. A hitelesítés az előfizetői kártya (SIM) segítségével történik, számított paraméter alapján. A titkosításteljes bizalmasságot biztosít a rádiós csatornán az előfizetői információnak (beszédnek vagy adatnak). A titkosítás csak a mobilkészülék és a bázisállomás között valósul meg, a központban az információ már nincs titkosítva. Minden mobiltelefon rendelkezik egy IMEI azonosítóval, amely alapján a hálózatok ellenőrizhetik a készülék státusát. Ha lopott készülékről van szó, a hálózathoz való hozzáférést le lehet tiltani, vagy más intézkedést lehet életbe léptetni.

35. Az AUC feladata: a TRIPLET előállítása AUC Ki SignedResponse IMSI1 – Ki1 IMSI2 - Ki2 IMSI3 – Ki3 A3 algoritmus SRES Ki A8 algoritmus Kc Véletlenszán generátor RAND RAND Ciphering Key RAND Random Number

36. Az autentikációfolyamata SIM

37. A Kc generálása SIM

38. A titkosítás folyamata Mobil készülék (ME)

39. BCCH vivő 2 BCCH vivő 3 BCCH vivő 1 Kiszolgáló (serving) BTS A kiszolgáló cella kiválasztása (IDLE mód) RSL vivő1 > RSL vivő2 > RSL vivő 3

40. IMSI Attach/Detach, az IMSI flag IMSI rekord 1 VLR 0 Bekapcsoláskor: IMSI attached Kikapcsoláskor: IMSI detached SDCCH

41. A LocationArea LocationArea 2 (LAC2) LocationArea 1 (LAC1) LocationArea 3 (LAC3) MSC/MSS

42. A LocationArea jelentősége (paging) A Paging üzenet a kijelölt LA-n belül az összes cellában kiküldésre kerül!

43. Location update eljárás BCCH-n az új cella más LAC-t (LAC2) közvetít Location Area 2 (LAC2) Location Area 1 (LAC1) IMSI rekord LAC1 LAC2 VLR A Location Update eljárás frissíti a LAC-t a VLR IMSI rekordon!

44. VLR (1) new LAI MSC Location update eljárás MSC/MSS szolgáltatási területen belül BSC1 LA1 LA2 (6) IMSI: LA1 LA2 (5) Loc. Upd, Req. (SDCCH) (4) Immediate Assign. (AGCH) (2) ChannelReq. IMSI (RACH) (3) Channel required BSC2 (7) Loc. Upd. Accept. (SDCCH) (7)Loc. Upd. Accept.

45. VLR VLR (1) new LAI (7) Location Cancellation BSC1 LA1 LA2 (5) MSC2 MSC1 IMSI: VLR1 VLR2 HLR (2) Loc. Upd. Req. (SDCCH) (3) IMSI  MGT (4) Suscriber Information Request (2) Loc. Upd. Request BSC2 (6) Subscriber Information (6) Loc. Upd. Acknowledge Location update eljárás MSC/MSS szolgáltatási területek között (8) Loc. Upd. Ack (SDCCH)

46. Handover (handoff) típusai • Rescuehandover: • A cél a kapcsolat megmentése (pl. a BTS-től való távolság miatt, a MR alapján a BSC handover parancsot ad MS-nek) • Traffichandover: • Forgalmi okok miatti áthangolás (pl. hirtelen megnő a forgalom a kiszolgáló cellában, torlódás következhet be) • Confinementhandover: • S/N optimalizálása, adási teljesítmény optimalizálása

47. Szomszédos cella mérése A multikeret végén 12 időrésnyi idő áll rendelkezésre a BSIC ellenőrzésére a szomszédos cellában!

48. A mérési report (measurementreport) BSC Kiszolgáló (serving) BTS Összevont jelentés BCCH vivő BCCH vivő TCH Szomszédos cellák TCH-n végzett mérések a serving cellában: RXLEV RXQUAL DISTANCE Szomszédos cellák mérése a BCCH vivőn: RXLEV Mérési jelentés (measurementreport) SACCH TCH-n végzett mérések RXLEV RXQUAL DISTANCE

49. Jelerősség (SS) Jelerősség (SS) HO. MARGIN (B) SS MIN. (A) SS MIN. (B) a c b BTSB BTSA A handovermarginjelentése

50. A handover esetek I. Intracellhandover Forrás: AlienCoders: Basics of GSM indepth