GSM

1. GSM Global System for Mobile Communications

2. Uvod • Povod za razvoj novog sustava mobilne telefonije početkom 80-tih: • eksponencijalni rast broja korisnika analognih celularnih sustava • u Europi je postojala velika raznovrsnost postojećih sustava koji su se razlikovali od zemlje do zemlje, bez operativne kompatibilnosti. • nepostojanje drugih servisa osim osnovne telefonije.

3. Počeci i razvoj GSM sustava • 1982 u okviru CEPT (Conference Europeene des Postes et Telecommunications) osnovana tzv. Group Special Mobile s ciljem razvoja novog jedinstvenog mobilnog sustava u Europi na 900 MHz, koji će koristiti digitalnu tehnologiju. • 1992. novo marketinško ime: • Global System for Mobile communications – GSM • 1989. razvoj GSM-a je prebačen na Europski institut za telekomunikacije (European Telecomunication Standards Institute -ETSI). • 1992. prvi operateri su započeli rad GSM mreže

4. Počeci i razvoj GSM sustava • Osnovni zahtjevi novog sustava: • sustav mora biti pan-Europski • ISDN kompatibilnost • potreba za ugradnjom sigurnosnog mehanizma za siguran pristup i garantiranu privatnost u komunikaciji. • spektralna djelotvornost – korištenje ćelijske strukture • mogućnost upotrebe ručnih aparata (hand-held) • sustav treba imati puno veći kapacitet prometa u odnosu na analogne sustave • mora biti digitalan

5. Frekvencijska područja koje koristi GSM • GSM 900 • Prvobitno određen frekvencijski pojas za GSM bio je 900 MHz. U nekim državama, operatori koriste proširenu verziju GSM 900 koja omogućuje dodatni kapacitet mreže. Takva proširena verzija naziva se E-GSM, dok se osnovna naziva PGSM. • GSM 1800 • U nekoliko zemalja podjeljene su dozvole za frekvencijsko područje 1800 MHz, kako bi se povećala konkurencija među operatorima (područje 900 MHz bilo je već iskorišteno). Takve mreže operativne su od 1993. • GSM 1900 • U SAD-u, zbog zauzetosti ostalih frekvencijskih pojasa

6. Elementi i arhitektura GSM-a • GSM mreža sastoji se od tri osnovna podsustava: • mobilna stanica (MS-Mobile Station) • podsustav bazne stanice (BSS-Base Station Subsystem)) • komutacijski podsustav (NSS-Network Switching Subsystem) • Podsustav bazne stanice (BSS) sastoji se od dva djela, • primopredajne bazne stanice (BTS-Base Transceiver Station)) • kontrolnog djela bazne stanice (BSC-Base Station Controller). • Podsustav bazne stanice sadrži primopredajne uređaje koji svojim efektivnim dometom definiraju ćeliju te usklađuju protokole radio prijenosa s mobilnom stanicom. • Glavni elementi komutacijskog podsustava (NSS) su: • mobilni komutacijski centri (MSC-Mobile services Switching Center) • lokacijski registri (HLR-Home Location Register i VLR-Visitor Location Register).

7. OSS BTS

8. BSS – Base Station Subsystem • BTS-Base Transceiver Station • BSC – Base station controller • BCF – Base station control function • NSS – Network and switching Subsystem • MSC – Mobile services Switching Center • GMSC – Gatway Mobile services Switching center • EIR – Equipment identification register • AUC – Autentication center • HLR – Home location register • VLR – Visitors location register • OSS – Operation subsystem • NMC – Network management center • OMC – Operation & maintance center

10. BTS - primopredajna bazna stanica • sadrži prijamnik i odašiljač koji određuju ćeliju i upravlja radio vezom s mobilnom stanicom • uključuje nekoliko primopredajnika (TRX) koji pokrivaju signalom jednu ili više sektorskih ćelija (1 do 6 TRX-a po sektoru) • zahtjevi postavljeni pred bazne postaje su: robusnost, pouzdanost i minimalni troškovi održavanja • sadrži minimum opreme za ostvarivanje TDMA okvira – smanjenje troškova postavljanja • BSC - kontroler baznih stanica • sadrži konfiguracijske parametre za BTS • upravlja raspodjelom frekvencija, dodjeljivanjem kanala, hand-overom • zajednički za veći broj BTS-a

12. MSC - mobilni komutacijski centar • glavna komponenta mrežnog podsustava • radi poput fiksnog komutacijskog čvorišta, te obrađuje sve podatke o određenom pretplatniku kao što su registracija, autorizacija, obnavljanje položaja, prosljeđivanje te praćenje roaming pretplatnika. • veza je između BSC-a za hand-over • Omogućuje vezu sa fiksnom mrežom (PSTN ili ISDN) • HLR - registar domaćih pretplatnika • sadrži sve administrativne informacije o svakom pojedinom pretplatniku dotične GSM mreže, te područje u kojem se nalazi mobilni aparat. Taj se trenutni položaj zapisuje u obliku broja MSRN (Mobile Subscriber Roaming Number), a koristi se za usmjeravanje poziva na MSC na kojoj se mobilna stanica trenutno nalazi

13. VLR - registar gostujućih pretplatnika • sadrži izabrane podatke iz HLR registra nužne za kontrolu poziva i obračun pretplatničkih računa za sve pretplatnike koji se nalaze na području kontrole VLR registra. (ovi se podaci brišu kada MS izađe iz područja MSC-a) • EIR - registar za identifikaciju opreme • baza podataka koja sadrži listu mobilnih uređaja koji mogu pristupiti sustavu, gdje se svaka mobilna jedinica identificira s IMEI (International Mobile Equipment Identity) kodom. Prilikom krađe mobilne stanice vlasnik uređaja prijavljuje krađu, u EIR registru se IMEI kod označava kao nedozvoljen za uporabu. • AUC - centar za provjeru autentičnosti pretplatnika • zaštićena baza podataka koja sadrži kopiju tajnog koda Kikoji sadržava svaka preplatnička SIM kartica.

14. Identifikacijski brojevi: • MSISDN (personal number) – • telefonski broj koji identificira pretplatnika • IMSI -International Mobile Subscriber Identity • međunarodna oznaka mobilnog pretplatnika, tajni ključ pri autorizaciji . • TMSI – Temporary Mobile Subscriber Identity • koristi se umjesto IMSI, za zaštitu od prisluškivanja • IMEI –International Mobile Equipment Identity • serijski broj opreme koji identificira terminal, za zaštitu od krađe • MSRN –Mobile Suscriber Roaming Number • zapisuje se trenutni položaj MS, koristi se za usmjeravanje poziva na MSC na kojem se MS trenutno nalazi.

15. HLR sadrži sljedeće podatke (za svakog pretplatnika): • IMSI • MSISDN • informacije o vrsti pretplate • ograničenja servisa • dopunski servisi • informacije o lokaciji pretplatnika i MSRN • VLR sadrži sljedeće podatke (za svakog gostujućeg pretplatnika): • IMSI • TMSI • MSISDN • MSRN • lokalno područje gdje se MS trenutno nalazi

16. Mobile station – MS • GSM mobilna stanicase sastoji od: • Mobilnog aparata (terminala) • SIM kartice (Subscriber Identity Module) • osigurava ljudsku mobilnost, tako da svaki korisnik može imati pristup svim uslugama bez obzira na izbor terminala. • Od neautoriziranog pristupa može se zaštititi osobnim identifikacijskim brojem. Mobilna oprema je označena IMEI-om - međunarodnom oznakom mobilne opreme, dok SIM kartica sadrži IMSI - međunarodnu oznaku mobilnog pretplatnika, što je tajni ključ pri autorizaciji. IMSI i IMEI međusobno su neovisni i time osiguravaju korisnikovu sigurnost pri korištenju mobilne veze

17. Stanja mobilne stanice • MS u "idle" stanju: • Registracija - uključivanje u mrežu (attaching to the network) • kretanje mrežom (roaming in the network) • obnavljanje informacije o lokaciji MS-a (location updating) • pozivanje MS-a (paging) • kretanje stranom mrežom (international roaming) • isključivanje iz mreže (detaching from the network) • MS u aktivnom stanju: • mobilna stanica je aktivna i poziv je u tijeku: • poziv od MS-a • poziv prema MS-u • handover - kontrola poziva prebacuje s jedne ćelije na drugu dok se MS kreće između ćelija

19. SIM • - Trajne informacije: • IMSI • Identifikacijski broj SIM kartice (Intarnational Mobile Subscriber Identity)- jednoznačno određuje SIM karticu, ne može se mijenjati i kao takav najvažniji je podatak za GSM mrežu. • identifikacijski kod, Ki • PIN –Personal identification number • osobni/tajni identifikacijski broj pohranjen na SIM kartici • PUK(Personal Unblocking Key) • osobni/tajni broj za deblokiranje PIN-a • informacije o pretplatniku • klase pristupa • oznaka PLMN (Public Land Mobile Network)

20. Tijekom normalnih operacija, mreža obnavlja sljedeće SIM parametre: • ključ za šifriranje, Kc (privremeni slučajni generirani ključ za šifriranje) • TMSI broj • dopunske GSM servise • identitet LA (lokalnog područja) • Sigurnost razgovora postiže se sljedećim: • korištenjem TMSI umjesto IMSI • provjerom autentičnosti za svaku registraciju na mreži • šifriranjem informacija • provjerom valjanosti opreme (npr. max zračenje)

21. Location Area - LA • Lokacijsko područje je definirano kao skupina ćelija. • Lokacija korisnika u mreži određena je lokacijskim područjem u kojem se korisnik nalazi. • Broj/identitet lokacijskog područja u kojem je MS spremljen je u VLR kao Location Area Identity (LAI). • Kada se korisnik poziva, poziv se upućuje u čitavo lokacijsko područje u kojem se korisnik trenutno nalazi (paging), ali zazvonit će samo pozivani broj koji je prepoznat po IMSI-u.

22. MSC / VLR Service Area • Područje posluživanja jednog MSC-a je skup određenog broja lokacijskih područja (LA) i predstavlja geografski dio mreže koji poslužuje jedan MSC/VLR. • U HLR-u se nalazi podatak za svakog korisnika u kojem se MSC/VLR području posluživanja trenutno nalazi

23. PLMN Service Area • Public Land Mobile Network ili područje posluživanja jednog operatora koje operator pokriva signalom i omogućuje pristup mreži. To je najčešće područje države gdje se operator nalazi (T-mobile, VIPnet, Tele2), ali ne mora biti nužno na nacionalnoj razini. • Jedna država može imati više PLMN područja ako postoji više operatora.

24. GSM Service Area • Područje posluživanja GSM-a. Predstavlja čitavo geografsko područje u kojem korisnik može pristupiti mreži i telefonirati. Danas se to područje proteže na više od 300 zemalja širom svijeta.

26. Registracija i obnavljanje položaja • Vrši se u sljedećim situacijama: • pri promjeni lokalnog područja (LA) • kada je zatraženo periodičko obnavljanje • za vrijeme konekcije/diskonekcije • Postupak je sljedeći: • BSS će u pravilnim razmacima emitirati ID svojeg lokalnog područja. MS ih periodički zabilježi. U slučaju promjene biti će zatraženo obnavljanje položaja. • BSS šalje intervale za osvježavanje (update intervals). MS pokreće registraciju nakon isteka vremena na timeru. • ako se terminal isključuje, poslat će poruku “DETACH”. Pri ponovnom uključenju pošalje poruku “ATTACH”. • MS se registrira kod BTS sa najjačim signalom

27. Provjera autentičnosti • Vrši se u sljedećim situacijama • kod registracije usljed promjene LA ili MSRN • prije svakog poziva • prije upotrebe dodatnih servisa • Proces počinje od VLR-a • mreža traži od MS broj IMSI i prosljeđuje ga do VLR-a • VLR šalje IMSI prema HLR zajedno sa podacima o BSS u čijem se području nalazi MS • HLR traži od vlastitog AUC provjeru autentičnosti • AUC sadrži takođe Ki koji se zajedno sa slučajnim brojem (RAND) koristi u algoritmu za šifriranje (A3) za proračun SRES (signed response)

28. Postupak provjere autentičnosti

29. Slučajni broj (RAND) šalje se mobilnoj stanici, koja računa kod raspoznavanja (SRES) baziran na šifriranju slučajnog RAND broja s A3 algoritmom koristeći pretplatnički identifikacijski ključ (Ki). Nakon što mreža primi pretplatnički SRES broj, vrši se ponovno izračunavanje tako da se potvrdi identitet pretplatnika. • Ki i RAND služe i za izračunavanje ključa Kc pomoću algoritma A8, koji se koristi za šifriranje podataka na prometnom kanalu • Pretplatnički identifikacijski ključ (Ki) nikadne šalje putem radio kanala. • Identifikacijski ključ je pohranjen u SIM kartici, te u AUC centru, HLR i VLR registrima. Ukoliko se izračunati SRES podudara, mobilna stanica se uspješno prijavljuje sustavu.

30. Roaming • Područje pokriveno GSM mrežom podijeljeno je u zone, koje se dalje dijele u ćelije • Nekoliko BTS-a tvori lokalno područje (LA) • MSC sa pripadajućim VLR-om može posluživati jedno ili više lokalnih područja • Kada MS prelazi iz jednog LA u drugo, VLR je upozoren, čak i u slučaju da isti VLR poslužuje oba LA, i traži se obnavljanje lokacije. • Svaki put kada se mijenja LA doznačava se TMSI, a u isto vrijeme u VLR-u se obnavljaju informacije o lokaciji • Ukoliko promjena LA uključuje i promjenu VLR-a, o tome se obavještavaju HLR i prije “posjećeni” VLR. HLR obnavlja informacije o lokaciji MS, a u prije “posjećenom” VLR-u brišu se sve informacije koje se odnose na konkretnu MS-u. • Podaci o MS se pohranjuju u novi VLR • Routing informacije (MSRN) će biti raspoložive u HLR-u , tako da dolazni pozivi mogu dolaziti do MSC-a u LA-u gdje se mobitel nalazi

31. Uspostava poziva i routing protokol Mobile-originated poziv • Proces počinje kada MS bira broj iz pokretne ili fiksne mreže i pritisne “send button” • Zahtjev za pozivom usmjeren je na VLR, koji započinje proces provjere identiteta i priprema ključ za šifriranje koji će se koristiti u dodjeljenom prometnom kanalu. • Potom MSC rezervira krug s BSC-om i daljnji proces teče isto kao i kod fiksne telefonske mreže.

32. Dolazni poziv (incomming call)

34. Radio veza • GSM operateri definirali su sljedeće RF pojase: • 890 - 915 MHz za MS-BS (up-link) • 935 - 960 MHz za BS-MS (downlink) • Separacija dupleks kanala (odašiljač-prijemnik): 45 MHz • Širina kanala: 200 kHz • Za svaki RF nosioc definirana je TDMA vremenska struktura s 8 vremenskih intervala – 8 fizičkih kanala u vremenskom multipleksu. • Zbog regulacije “out-of-band” zračenja na oba kraja pojasa smješten je zaštitni pojas od 200 kHz. Tako da je raspoloživo 124 kanala.

35. up-link • downlink

36. Modulacija • GSM modulacijski sustav mora zadovoljiti sljedeće: • konverzija u primjeren RF pojas • relativno uski pojas da omogući dobru spektralnu djelotvornost (bit/s/Hz) • konstantna ovojnica nosioca da se omogući korištenje jednostavnih, djelotvornih pojačala (npr. klasa C) • niska “out-of-band” radijacija da se reducira interferencija na susjednim kanalima

37. MSK (binarna FSK s indeksom modulacije 0.5) zadovoljava prva tri zahtjeva, ali se ne slaže sa četvrtim (proizvodi veliku vanpojasnu radijaciju). • filtriranjem prije modulacije, moguće je reducirati vanpojasno zračenje, očuvanjem konstantne ovojnice. • Željena karakteristika postignuta je Gaussian pre-modulacijskim filterom • takva modulacija poznata je kao GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) • odabrana vrijednost BT parametra je 0.3, gdje je B širina pojasa, a T je bit period

38. TDMA struktura • Svaki RF nosioc podjeljen je u vremenske intervale (pakete) trajanja 577 s • 8 paketa tvori jedan TDMA okvir • okviri se grupiraju i tvore dvije vrste multiokvira: • multiokvir od 26 okvira, trajanja 120 ms; koristi se za prometne kanale i njihove kontrolne kanale • multiokvir od 51 okvira, trajanja 235.5 ms; isključivo ih koriste kontrolni kanali • Fizički kanal je definiran kombinacijom RF kanala i TDMA vremenskog intervala. To znači da svaki RF nosioc ima 8 fizičkih kanala

39. Multiokvirne strukture u svakom fizičkom kanalu međusobno su nezavisne (preciznije za kanale na istom RF nosiocu i različitom vremenskom slotu) • Fizički kanali koji koriste iste RF frekvencije (8 fizičkih kanala s različitim vremenskim slotovima) ne moraju koristiti isti tip multiokvira • Udruživanjem multiokvira nastaje super-okvir trajanja 6.12 s • Super-okvir može sadržavati sljedeće: • 51 multiokvir od 26 okvira • 26 multiokvira od 51 okvira • viši hijerarhijski nivo hyper-frame sadrži 2048 superokvira (2715648 TDMA okvira) i traje 12533.76 s (3h 28min 53s 760ms) • ovako dugačak hyper-frame period potreban je da podrži GSM sustav šifriranja

40. TDMA struktura okvira signalizacijski kanali prometni kanali

41. Logički kanali • u GSM-u postoje dvije osnovne vrste kanala: • prometni (govorni) kanali (Traffic channels - TCH) • kontrolni (signalizacijski) kanali (Control channels - CCH) • neki od ovih kanala su dvosmjerni, dok su drugi jednosmjerni Prometni kanali: • koriste se za prijenos šifriranih podataka ili glasa • full-rate (TCH/F), 22.8 kbps • half-rate (TCH/H), 11.4 kbps

42. Kontrolni kanali: • Preko 8 fizičkih kanala u svakom RF nosiocu osim podataka i govora, prenose se i kontrolne informacije • 3 vrste kontrolnih kanala kanala: • BCH (Broadcast CHannels) - zbirni kontrolni kanali • Služi za informacije koje BTS šalje za sve MS • CCCH (Common Control CHannels) – opći kontrolni kanali • Koriste se pri uspostavljanju veze bazne s mobilnom postajom ili obratno • DCCH (Dedicated Control CHannels) – namjenski kontrolni kanali • služe za izmjenu poruka između bazne postaje i mobilne postaje s kojom je već stupila u vezu

43. BCH (Broadcast CHannels) - zbirni kontrolni kanali • Jednosmjerni kanali, uvijek se emitiraju (i u odsustvu prometa) • BCCH (Broadcast Control Channel) –zajednički kontrolni kanal • prenosi opće informacije: identifikacija države, lokalnog područja, operatera, frekvencije kanala susjedne ćelije, parametre potrebne za pristup mreži, ... • FCCH (Frequency Correction Channel) • ove kanale koriste MS-e za korekciju frekvencije • SCH (Synchronization Channel) • svrha mu je omogućiti sinkronizaciju okvira u svim mobilnim jedinicama, također uključuje BTS identifikacijske podatke

44. Opći kontrolni kanali - CCCH • Također su jednosmjerni, koriste se na početku svake komunikacije, tri su vrste: • PCH (Paging Channel) –pozivni kanal • koristi se za pozivanje MS na komunikaciju • RACH (Random Access Channel) –kanal za slučajni pristup • koristi ga MS kada upućuje zahtjev za pristup mreži • AGCH (Access Grant Channel) – slučajni kanal za dodjeljivanje • koristi ga BS da naznači dodjeljeni signalni kanal za MS

45. Namjenski kontrolni kanali -DCCH: • Dvosmjerni • SDCCH (Stand Alone Dedicated Control Channel) – jednokratno dodijeljeni kontrolni kanal • služi za izmjenu službenih poruka prije prelaska na TCH kanal. Tim s ekanalom verificira preplatnik, registrira i potvrđuje njegova vjerodostojnost • SACCH (Slow Associated Control Channels) – pridruženi spori kontrolni kanal • uvijek pridružen TCH ili SDCCH kanalu. Prema mobilnoj postaji tim se kanalom šalju naredbe iz bazne postaje o namještanju razine snage mobilnog odašiljača i korekciji vremena odašiljanja. Iz mobilne postaje šalju se tim kanalom podaci o prijamnoj razini i kvaliteti TCH kanala, te rezultat mjerenja BCH kanala susjednih ćelija • FACCH(Fast Associated Control Channels) • Vezan je uz određeni TCH kanal i služi za hitne poruke. Odašilje se po fizičkom kanalu tako da se TCH kanalu oduzme jedan paket od 5 ms

47. Uspostava poziva

48. Sadržaj paketa (bursta) • Brzina prijenosa je 270.838 kbps, u vremenskom intervalu od 577 s, u jednom paketu, prenese se ukupno 148 bitova • 270.838˙103˙577˙10-6156.25 bita • Radi vremenskog usklađivanja, burst period kod slanja podataka je kraći paketa i traje 148 umjesto omogućenih 156.25 bit perioda • Burst sadrži aktivni (korisni) dio i zaštitno vrijeme.Korisni dio sadrži podatke za prijenos, središnji dio (training sequence) i završne bitove (tail bits) • Zaštitno vrijeme je period u kojem nema transmisije. Tako se reducira djelomično preklapanje transmisije na susjednim vremenskim intervalima (slotovima) • Ako se preklapanje između dva bursta za redom ipak dogodi dolazi do gubitka informacije. Da bi se to izbjeglo koristi se “vremenski prilagodljiv sustav poravnavanja” (adaptive time alignment system) • Svaki burst informacije sadrži 26 (ili proširenu 64) bitnu trening sekvencu koja na dekoderu omogućava tkz. ekvalizaciju prijenosne karakteristike kanal

49. Vrste bursta u GSM-u

50. Kodiranje i prijenos govora