Υπηρεσίες Δικτύων Κινητών Επικοινωνιών που σχετίζονται με τη θέση του χρήστη

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Υπηρεσίες Δικτύων Κινητών Επικοινωνιών που σχετίζονται με τη θέση του χρήστη ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Βενιέρη Ιωάννη 323Μ/2006015 Σάμος, Φεβρουάριος 2008

2

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Βενιέρη Ιωάννη 323Μ/2006015 Υπηρεσίες Δικτύων Κινητών Επικοινωνιών που σχετίζονται με τη θέση του χρήστη Τριμελής Επιτροπή: Δημήτριος Δ. Βέργαδος, Λέκτορας ΜΠΕΣ Γεώργιος Κορμέντζας, Επ. Καθηγητής ΜΠΕΣ Ιωάννης Αναγνωστόπουλος, Λέκτορας ΜΠΕΣ.......... Δημήτριος Βέργαδος. Γεώργιος Κορμέτζας Ιωάννης. Αναγνωστόπουλος Λέκτορας ΜΠΕΣ Επ. Καθηγητής ΜΠΕΣ Λέκτορας ΜΠΕΣ 3

4

Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θέλω να ευχαριστήσω τους γονείς μου για την αγάπη και τη στήριξη που μου παρέχουν όλα αυτά τα χρόνια Θέλω να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον Νίκο Τσελίκα που καθ όλη τη διάρκεια της εργασίας στάθηκε δίπλα μου και με βοήθησε όποτε τον χρειάστηκα Και τέλος ένα μεγάλο ευχαριστώ στον κ. Ιάκωβο Βενιέρη που με εμπιστεύτηκε για την εκπόνηση της διπλωματικής αυτής, που τα τελευταία χρόνια με καθοδηγεί και συμβουλεύει 5

0. Περιεχόμενα...6 1. Εισαγωγή...8 2. Δίκτυα κινητών επικοινωνιών...10 2.1. GSΜ...10 2.1.1. Γενικά..10 2.1.2. Χαρακτηριστικά του GSM..10 2.1.3. Αρχιτεκτονική του GSM 11 2.1.4. Πρωτόκολλα 13 2.2. GPRS.... 15 2.2.1. Γενικά..15 2.2.2. Χαρακτηριστικά του GPRS 15 2.2.3. Αρχιτεκτονική του GPRS...16 2.2.3.1. Εξυπηρετών Κόμβος Υποστήριξης GPRS (SGSN).17 2.2.3.2. Κόμβος Υποστήριξης Πύλης GPRS (GGSN)..17 2.2.3.3. Διεπαφές...18 2.2.3.4. Μονάδα Ελέγχου Πακέτων...19 2.2.3.5. Βάσεις Δεδομένων...19 2.2.3.6. Κινητοί Σταθμοί...19 2.2.4. Πρωτόκολλα..19 2.2.5. Εσωτερικές Διαδικασίες του GPRS... 20 2.2.5.1. Διαδικασίες Σύνδεσης και Αποσύνδεσης στο GPRS...21 2.2.5.2. Διαδικασίες Διαχείρισης Συνόδου στο GPRS...21 2.2.5.3. Διαδικασίες Δρομολόγησης στο GPRS...23 2.3. UMTS...26 2.3.1. Γενικά.26 2.3.2. Αρχιτεκτονική 26 2.4. Ασύρματα Τοπικά Δίκτυα (WLANs)..29 2.4.1. Γενικά.29 2.4.2. Αρχιτεκτονική.29 2.4.3. Πρότυπα ΙΕΕΕ για τα ασύρματα τοπικά δίκτυα.31 2.5. Ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WiMAX)..34 2.5.1. Γενικά.. 34 2.5.2. Αρχιτεκτονική.34 2.5.3. Χαρακτηριστικά μετάδοσης 35 3. Υπηρεσίες Δικτύων Κινητών Επικοινωνιών..39 3.1. Εισαγωγή...39 3.2. Υπηρεσίες που προσφέρονται στα GSM και GPRS δίκτυα...39 3.2.1. Υπηρεσία φωνής. 39 3.2.2. Υπηρεσίες που στηρίζονται στη σηματοδοσία...39 3.2.3. SMS (Short Message Service) 40 3.3. Προηγμένες Υπηρεσίες του GPRS δικτύου....40 3.3.1. Υπηρεσίες Διαδικτύου...41 3.3.2. Υπηρεσία MMS (Multimedia Messaging Service). 41 3.3.3. Υπηρεσία προηγμένων MMS..41 3.3.4. Υπηρεσίες Θέσης (Location Based Services).42 3.4. Ποιότητα υπηρεσίας (QoS) στο GPRS....43 3.4.1. Προτεραιότητα....44 3.4.2. Αξιοπιστία...44 3.4.3. Καθυστέρηση..45 3.4.4. Μέγιστη διεκπεραιότητα (max throughput)....45 3.4.5. Μέση διεκπεραιότητα (mean throughput)...45 4. Υπηρεσίες βάσει της Θέσης του Χρήστη..47 4.1. Κατηγορίες των LBS.47 4.2. Μέθοδοι εντοπισμού κινητού χρήστη..48 6

4.2.1. Γενικά..48 4.2.2. Network-based τεχνικές εντοπισμού θέσης 48 4.2.2.1. Cell-ID... 48 4.2.2.2. Enhanced Cell-ID 49 4.2.2.3. AOA 49 4.2.2.4. TOA 50 4.2.2.5. TDOA. 51 4.2.3. Handset-based location techniques.51 4.2.3.1. Καθολικό Σύστημα Εντοπισμού Θέσης (Global Positioning System,GPS)..51 4.3. Πρωτόκολλα και Διεπαφές (APIs) που χρησιμοποιούνται σε LBS 4.3.1. MLP.52 4.3.1.1. Σκοπός... 53 4.3.1.2. Δομή...53 4.3.1.3. Υπηρεσίες...54 4.3.1.4. Στρώμα Μεταφοράς.55 4.3.1.5. Στρώμα Στοιχείων... 56 4.3.1.6. Στοιχεία Αβεβαιότητας 57 4.3.1.7. Στοιχεία Αβεβαιότητας....57 4.3.2. OSA/Parlay Mobility API...59 4.3.2.1. Εισαγωγή 59 4.3.2.2. Αρχιτεκτονική του OSA/Parlay.. 59 4.3.2.3. Βασικοί Μηχανισμοί του OSA/Parlay Μεταξύ Πλευράς Εφαρμογών και Πλαισίου..60 4.3.2.4. Διεπαφές OSA/Parlay.....61 4.3.2.5. Κινητικότητα Mobility.62 4.3.3. Mobile Positioning Protocol (MPP)....67 4.4. Πλεονεκτήματα στη περιοχή LBS με MLP ή OSA/Parlay Mobility API. 67 5. Επίλογος-Συμπεράσματα.. 76 7

1. Εισαγωγή Τα τελευταία χρόνια υπήρξε μια επανάσταση στο χώρο της πληροφορικής των τηλεπικοινωνιών και ιδιαίτερα στο χώρο των δικτύων. Τα ασύρματα δίκτυα, με κύριο χαρακτηριστικό-πλεονέκτημα την ελευθερία κίνησης του κινητού χρήστη, εμφανίστηκαν στα τέλη του περασμένου αιώνα και η εξάπλωση τους είναι ραγδαία. Η συνεχής τεχνολογική πρόοδος και εξέλιξη στους τομείς των τηλεπικοινωνιών και των δικτύων, σε συνδυασμό με την απελευθέρωση της αγοράς των τηλεπικοινωνιών, έδωσε σημαντική ώθηση στην προσπάθεια για εδραίωση και εξέλιξη υπηρεσιών, οι οποίες θα πρέπει να ικανοποιούν τις ανάγκες της εποχής και να πληρούν τις απαιτήσεις των χρηστών, οι οποίες συνεχώς πληθαίνουν, αλλάζουν και σχετίζονται με την επικοινωνία με άλλους χρήστες και την αναζήτηση πληροφοριών. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό που κάνει ένα δίκτυο πιο ποιοτικό είναι οι υπηρεσίες που μπορεί να παρέχει. Ο εντοπισμός ενός χρήστη σε ασύρματο δίκτυο είναι μια υπηρεσία με πολλές προεκτάσεις. Η γνώση της θέσης του χρήστη ανά πάσα στιγμή δίνει τη δυνατότητα για προσφορά υψηλής ποιότητας υπηρεσιών. Δηλαδή το να μπορούμε να εντοπίσουμε τον κινητό χρήστη με ιδιαίτερη ακρίβεια είναι πολύ σημαντικό. Γνωρίζοντας λοιπόν τη θέση του χρήστη περνάμε στην επόμενη φάση, αυτής της κάλυψης των απαιτήσεων. Μπορούμε δηλαδή να παρέχουμε υπηρεσίες που έχουν να κάνουν με την παρακολούθηση και ειδοποίηση χρηστών, με την ασφάλεια, με την παροχή βοήθειας σε καταστάσεις εκτάκτου ανάγκης. Από την άλλη μπορούμε να έχουμε την παροχή υπηρεσιών που σχετίζονται με την εκάστοτε γεωγραφική θέση του χρήστη, όπως για παράδειγμα την ενημέρωση σχετικά τα κοντινά σημεία τουριστικού ενδιαφέροντος σε μια πόλη, η θέση κοντινών καταστημάτων όπως πρατήρια βενζίνης ή φαρμακεία. Τέλος μία άλλη κατηγορία υπηρεσιών που γνωρίζουν μεγάλη ανάπτυξη είναι υπηρεσίες ψυχαγωγίας. Η θέση του χρήστη συνεκτιμάται από τη λογική της υπηρεσίας για τη συμμετοχή του σε παιχνίδια Οι Location Based Services κατατάσσονται σε κατηγορίες ανάλογα με την προέλευση του σκανδαλισμού της υπηρεσίας. Μπορεί ο σκανδαλισμός της υπηρεσίας να προέρχεται από τον χρήστη (π.χ. αποστολή ενός απλού SMS, ή πλοήγηση στο Internet), από το ίδιο το δίκτυο με παρακολούθηση του κινητού χρήστη (π.χ. η αυτόματη ειδοποίηση του χρήστη με ένα SMS όταν πλησιάσει ένα σημείο τουριστικού ενδιαφέροντος) ή από το ίδιο το δίκτυο για υπηρεσίες, οι οποίες βασίζονται στην περιοδική ενημέρωσή τους για τη θέση του χρήστη από το δίκτυο(π.χ. ένας οδηγός παρακολούθησης της κίνησης στους δρόμους που ειδοποιεί συνεχώς τον χρήστη για τη βέλτιστη διαδρομή). Περισσότερες λεπτομέρειες περιγράφονται στα παρακάτω κεφάλαια. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη και παρουσίαση των υπηρεσιών που προσφέρουν τα δίκτυα κινητών επικοινωνιών και σχετίζονται με τη θέση του χρήστη. Αναλυτικότερα, στο 2 ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στα Δίκτυα Κινητών Επικοινωνιών GSM (2 ης γενιάς), GPRS (2,5 γενιάς), UMTS (3 ης γενιάς), στα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WiMAX) και στα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLANs). Μελετάται η αρχιτεκτονική κάθε δικτύου κινητών επικοινωνιών ξεχωριστά και παρουσιάζονται τα ανάλογα πρωτόκολλα. Στο 3 ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι υπηρεσίες των δικτύων κινητών επικοινωνιών 2G, 2,5G και 3G. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται οι υπηρεσίες των δικτύων κινητών επικοινωνιών μεταγωγής κυκλώματος (GSM) και μεταγωγής πακέτου (GPRS και UMTS) καθώς και ορισμένα θέματα παροχής ποιότητας υπηρεσίας (QoS). Στο 4 ο κεφάλαιο αναλύονται οι υπηρεσίες που βασίζονται στη θέση του χρήστη. Αρχικά 8

παρουσιάζονται οι κατηγορίες των Location Based Services, οι μέθοδοι εντοπισμού του χρήστη ενώ αναλυτικότερα περιγράφονται τα πρωτόκολλα και οι διεπαφές που χρησιμοποιούνται σε LB υπηρεσίες όπως το MLP και το OSA/Parlay Mobility API. Στο 5 ο και τελευταίο κεφάλαιο παρατίθενται τα συμπεράσματα και ο επίλογος της εργασίας. 9

2. Δίκτυα κινητών επικοινωνιών 2.1 GSM 2.1.1 Γενικά Το GSM (Global System for Mobile Communications) είναι το δημοφιλέστερο πρότυπο ψηφιακών κυψελωτών κινητών επικοινωνιών δεύτερης γενιάς. Η ανάγκη για τη δημιουργία ενός τέτοιου προτύπου προήλθε τη δεκαετία του 80 σε μια περίοδο που η τεχνολογική εξέλιξη άνθιζε, η παροχή προηγμένων υπηρεσιών από τα διάφορα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα συνεχώς αναπτυσσόταν, ο αριθμός των χρηστών αυξανόταν, οι απαιτήσεις των χρηστών μεγάλωναν, και λαμβάνοντας υπ όψιν την ύπαρξη ενός μεγάλου αριθμού αναλογικών συστημάτων κινητών επικοινωνιών 1 ης γενιάς στην Ευρώπη, δημιουργείται μιά ομάδα, η Group Special Mobile, η οποία συστάθηκε από την CEPT (European Committee of the Stations and Telecommunications) προκειμένου να βρει το τρόπο να αντιμετωπίσει όλα αυτά τα προβλήματα αλλά και να δημιουργήσει ένα κοινό ευρωπαϊκό πρότυπο κινητών τηλεφώνων που θα ορίζει τις προδιαγραφές για ένα πανευρωπαϊκό σύστημα κινητών επικοινωνιών. Το αποτέλεσμα της δουλειάς της ομάδας είναι το GSM, ένα σύστημα δικτύων κινητών επικοινωνιών 2 ης γενιάς το οποίο σχεδιάστηκε κυρίως για μετάδοση φωνής και λιγότερο για μετάδοση δεδομένων, για τη παροχή πανευρωπαϊκής περιαγωγής (roaming) με χαμηλό κόστος, ένα σύστημα το οποίο να παρέχει ευελιξία και να έχει τέτοια αρχιτεκτονική ώστε να μπορεί μελλοντικά να δέχεται τη προσθήκη νέων υπηρεσιών. Το 1992 το GSM βγήκε στο εμπόριο. Εκτιμάται ότι τις υπηρεσίες που παρέχει το GSM τις χρησιμοποιεί το 82% της παγκόσμιας αγοράς, πάνω από 2 δισεκατομμύρια χρηστών σε περισσότερες από 212 χώρες.[1] Μια καινοτομία που εισήγαγε το GSM είναι η κάρτα SIM (Subscribers Identity Module) γνωστή και ως έξυπνη κάρτα. Περιέχει ένα επεξεργαστή, μνήμη και έχει και υπολογιστικές ικανότητες. Η μνήμη περιέχει πληροφορίες, που αφορούν τον εκάστοτε συνδρομητή, απαραίτητες για τη διεξαγωγή της επικοινωνίας, όπως τον αριθμό του τηλεφώνου και τον αριθμό της ταυτότητας του συνδρομητή. 2.1.2 Χαρακτηριστικά του GSM Ένα από τα πλεονεκτήματα που προσφέρει το GSM, είναι η δυνατότητα να διεξάγονται ταυτόχρονα πολλές συνδιαλλαγές χρησιμοποιώντας διαφορετικές χρονικές σχισμές, χωρίς να υπάρχουν παρεμβολές. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση των μεθόδων TDMA (Time Division Multiple Access) και FDMA (Frequency Division Multiple Access). Τα GSM δίκτυα εκπέμπουν κυρίως στα 900MHz και 1800MHz. Σε ορισμένες χώρες πάντως τα GSM δίκτυα εκπέμπουν και σε άλλες συχνότητες όπως σε κάποιες πολιτείες των ΗΠΑ που οι συχνότητες των 900 και 1800 MHz είναι ήδη κατειλημμένες. Το εύρος των συχνοτήτων που χρησιμοποιεί το GSM είναι για GSM900:από 890 μέχρι 960MHz, για GSM1800:από 1710 μέχρι 1880, και για GSM1900:από 1850 μέχρι 1990MHz. Η ζώνη των συχνοτήτων για άνω ζεύξη (uplink) είναι 890-915 MHz και και κάτω ζεύξη(downlink) από 935-960 MHz. Το 10

εύρος ζώνης του GSM είναι 25 MHz και υποδιαιρείται σε 125 συχνότητες φερόντων. Η πρώτη φέρουσα δεν χρησιμοποιείται, για την αποφυγή παρεμβολών από άλλα συστήματα, συνεπώς ο αριθμός να μειώνεται στις 124. Οι υποδιαιρέσεις αυτές καλούνται κανάλια και απέχουν 200 khz μεταξύ τους.[2]. Το GSM χρησιμοποιεί τη GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying) διαμόρφωση, ένα είδος συνεχούς μετατόπισης συχνότητας, η οποία μειώνει τις όποιες παρεμβολές που μπορούν να υπάρξουν από γειτονικά κανάλια.[3]. Ο ρυθμός μετάδοσης υπολογίζεται στα 270 Kbps. Χρησιμοποιεί το Linear Predictive Coding (LPC) για κωδικοποίηση φωνής που σκοπό έχει να μειώσει το ρυθμό μετάδοσης. Η φωνή κωδικοποιείται στα 13 Kbps. Ένα πρόβλημα που εμφανίζεται στα GSΜ δίκτυα είναι η διασυμβολική παρεμβολή, η οποία αντιμετωπίζεται με έναν ισοσταθμιστή Viterbi. Η παρεμβολή λόγω πολλαπλών δρόμων αντιμετωπίζεται με διαφορική λήψη, η οποία, ανάλογα με το περιβάλλον μπορεί να περιορίσει σε μεγάλο βαθμό τις διαλείψεις. 2.1.3 Αρχιτεκτονική του GSM Το GSM δίκτυο χωρίζεται σε δύο τμήματα. Το ένα είναι το τμήμα μεταγωγής (Switching System-SS) το οποίο περιλαμβάνει το κέντρο μεταγωγής κινητών υπηρεσιών MSC (Mobile services Switching Center), τις βάσεις δεδομένων VLR (Visitor Location Register), τον κατάλογος εγχώριας θέσης HLR (Home Location Register), το κέντρο πιστοποίησης AUC (Authentication Center) και το κέντρο τεκμηρίωσης κινητών σταθμών EIR (Equipment Identity Register). To άλλο είναι το ραδιοηλεκτρικό τμήμα (Radio System-RS) το οποίο περιλαμβάνει το σταθμό βάσης (Base Station Subsystem-BSS), τον ελεγκτή σταθμών βάσεων BSC (Base Station Controler), το σταθμός βάσης πομποδεκτών BTS (Base Transceiver Station) και τον κινητό σταθμό MS (Mobile Station). Αναλυτικότερα: Κινητός σταθμός (Mobile Station-MS) Ο κινητός σταθμός είναι ο εξοπλισμός και η κάρτα SIM που χρησιμοποιεί ο συνδρομητής. Στον εξοπλισμό υπάρχει το λογισμικό με το οποίο θα γίνει η ψηφιοποίηση και κωδικοποίηση της φωνής. Στην κάρτα SIM αποθηκεύονται δεδομένα που αφορούν τον χρήστη όπως είδαμε παραπάνω, καθώς και τον αριθμό MSISDN, το κλειδί Κi, τον αλγόριθμο παραγωγής του κλειδιού κρυπτογράφησης, το ίδιο το κλειδί και τον κωδικό πρόσβασης του χρήστη PIN (Personal Identification Number). [4] Σταθμός βάσης (Base Station Subsystem BSS) Το όλο σύστημα του σταθμού βάσης σκοπό έχει να παρέχει τη ραδιοκάλυψη που απαιτείται, σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή (cell), προκειμένου να μπορεί ο κινητός χρήστης να μπορεί να επικοινωνεί. Στο σταθμό βάσης πραγματοποιείται η κωδικοποίηση και αποκωδικοποίηση της φωνής καθώς και όλες οι λειτουργίες για τον έλεγχο των ασύρματων συνδέσεων στους κινητούς σταθμούς. Αποτελείται από το BSC και BTS. Σταθμός βάσης πομποδεκτών (Base Transceiver Station - BTS) 11

Ένας σταθμός βάσης πομποδεκτών περιλαμβάνει τον ασύρματο εξοπλισμό (κεραίες, ζεύκτες, ενισχυτές, κτλ). Μια ομάδα BTS εξυπηρετεί μια συγκεκριμένη κυψέλη. Διαθέτει κυκλώματα έτσι ώστε τα σήματα να μεταδίδονται κρυπτογραφημένα και κωδικοποιημένα. Επίσης ο BTS είναι υπεύθυνος για τη μεταπήδηση συχνότητας από μία σχισμή σε μία άλλη (frequency hopping). Ελεκτής σταθμών βάσεων (Base Station Controller - BSC) Ένας ελεγκτής σταθμού βάσης συνδέεται μένα αριθμό ομάδων BTS και ελέγχει μια περιοχή εντοπισμού θέσης. Καθορίζει και απελευθερώνει συχνότητες, ελέγχει τη μεταπομπή από κυψέλη σε κυψέλη, κάνει ανακατανομή συχνοτήτων στα BTS προκειμένου να εξυπηρετηθούν κάποιες λειτουργίες-δραστηριότητες σε ώρες αιχμής ή σε συγκεκριμένες περιπτώσεις. Ένας ελεγκτής σταθμού βάσης είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση ισχύος των BTS. Επίσης ένας BSC είναι υπεύθυνος για το paging των εισερχόμενων κλήσεων. [5] Κέντρο μεταγωγής κινητών υπηρεσιών (Mobile Switching Center MSC) Κύριος στόχος του κέντρου μεταγωγής κινητών υπηρεσιών είναι να διαχειρίζεται τις κλήσεις που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή την οποία καλύπτει. Επιτυγχάνει τη σωστή δρομολόγηση των κλήσεων, παραμένοντας συνδεδεμένο με ένα αριθμό σταθμών βάσεων, με τους οποίους διατηρεί συνεχή επαφή, ενώ από την άλλη παραμένει συνδεδεμένο με το σταθερό δίκτυο δρομολογώντας τις όποιες κλήσεις προς τα εκεί. Διαχειρίζεται τις διαδικασίες που απαιτούνται για το χειρισμό και ενημέρωση της διαδικασίας εγγραφής. Παρέχει στους σταθμούς βάσης τον απαραίτητο συγχρονισμό και είναι υπεύθυνο για τις διαδικασίες που χρειάζονται ώστε να πραγματοποιείται η μεταπομπή του χρήστη (handover). Κέντρο τεκμηρίωσης κινητών σταθμών (Equipment Identity Register - EIR) Το κέντρο τεκμηρίωσης των κινητών σταθμών είναι μία βάση δεδομένων που αποθηκεύει τις ταυτότητες του διεθνή κινητού εξοπλισμού IMEI (International Mobile Equipment Identities) όλων των κινητών χρηστών του δικτύου. Το IMEI είναι μοναδικό χαρακτηριστικό του εξοπλισμού που ορίζεται από τον κατασκευαστή. Το EIR παρακολουθεί τους κινητούς σταθμούς και μπλοκάρει όσους δεν έχουν δικαίωμα να εξυπηρετούνται. Τα δεδομένα του κέντρου αυτού είναι λευκές, γκρι και μαύρες λίστες. Στις λευκές λίστες υπάρχουν οι χρήστες που είναι ελεύθεροι να επικοινωνούν. Στις γκρι είναι αυτοί που εποπτεύονται και στις μαύρες λίστες είναι όσοι είναι φραγμένοι (π.χ. περίπτωση κλοπής). Κέντρο πιστοποίησης (Authentication Center AUC) Το κέντρο πιστοποίησης είναι μία βάση δεδομένων που περιέχει αλγόριθμους για αυθεντικοποίηση των συνδρομητών καθώς και τα απαραίτητα κλειδιά Κi, για τη κρυπτογράφηση και προστασία των δεδομένων που εισάγονται για την επικύρωση του χρήστη. Τα Κi και IMSI ορίζονται με την εγγραφή του χρήστη και τον προσδιορίζουν μοναδικά. Κατάλογος εγχώριας θέσης (Home Location Register - HLR) 12

Είναι μία βάση δεδομένων που χρησιμοποιείται για τη διαχείριση των κινητών συνδρομητών. Αποθηκεύει πληροφορίες για τους συνδρομητές καθώς και πληροφορίες που αφορούν τη θέση του κινητού χρήστη. Κατάλογος θέσης επισκεπτών (Visitor Location Register VLR) Το VLR είναι μία βάση δεδομένων στην οποία αποθηκεύονται όλες οι πρόσφατες πληροφορίες που αφορούν τους κινητούς χρήστες που βρίσκονται στην περιοχή που το VLR είναι υπεύθυνο. Ελέγχει τις εισερχόμενες και εξερχόμενες κλήσεις που πραγματοποιούνται στο δίκτυο. Ένα VLR είναι συνδεδεμένο με ένα MSC στο δίκτυο. Υποσύστημα δικτύου και μεταγωγής (Network and Switching Subsystem NSS) Το υποσύστημα δικτύου και μεταγωγής είναι υπεύθυνο για τη διαπομπή των κλήσεων από ένα BSS σε ένα άλλο και εκτελεί υπηρεσίες όπως για παράδειγμα η χρέωση και ο λογαριασμός. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζονται όλα όσα περιγράψαμε παραπάνω. Σχήμα 1 Αρχιτεκτονική του GSM 2.1.4 Πρωτόκολλα Το GSM χρησιμοποιεί σύστημα σηματοδοσίας 7 (SS7) προκειμένου να υπάρχει επικοινωνία μεταξύ των τμημάτων του δικτύου. Μεταξύ του κινητού χρήστη (MS) και του σταθμού βάσης (BS) εφαρμόζεται το πρωτόκολλο LAPDm προκειμένου να υπάρξει ασφαλή μεταφορά των δεδομένων. Η μεταξύ τους διεπαφή είναι ασύρματη. 13

Το LAPDm είναι ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας, μεταξύ του BTS και BSC. Η διεπαφή ανάμεσα τους είναι το A-bis interface. Τα MTP πρωτόκολλα προσφέρουν μια αξιόπιστη υπηρεσία για τη δρομολόγηση των μηνυμάτων μέσω του SS7, ενώ το SCCP, που ανήκει στο στρώμα δικτύου σηματοδοσίας εμπλουτίζει την υπηρεσία που παρέχει το MTP, ώστε να είναι σε θέση να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις των χρηστών που θέλουν βελτιωμένη υπηρεσία για τη μεταφορά πληροφοριών σηματοδοσίας μεταξύ κόμβων. Το στρώμα διαχείρισης ασύρματων πόρων (RIL3_RR) είναι υπεύθυνο για την εγκατάσταση, τη λειτουργία, και την απελευθέρωση συνδέσεων μεταξύ κινητού χρήστη (MS) και BSC, ενώ το BSSMAP λειτουργεί ως γέφυρα μεταξύ του στρώματος RR του BSC και του MSC, μεταφέροντας μηνύματα διαχείρισης ανάμεσα στα δύο αυτά κέντρα που αφορούν θέματα που έχουν να κάνουν με έλεγχο διαπομπής, την αντιστοίχηση διαύλου και την εγκατάσταση της κλήσης.[4] Το RSM παρέχει υπηρεσίες στο επίπεδο RR μεταξύ των BTS και BSC. Το DTAP σκοπό έχει την άμεση μεταφορά μηνυμάτων μεταξύ MSC και κινητού χρήστη, μέσω του BSC. Τα μηνύματα αυτά σχετίζονται με τον έλεγχο μίας κλήσης και με τη διαχείριση κινητικότητας. Το TCAP περιέχει πρωτόκολλα και υπηρεσίες για τη πραγματοποίηση απομακρυσμένων λειτουργιών. Το πρωτόκολλο διαχείρισης κίνησης μεταξύ κινητού σταθμού και δικτύου (RIL3-MM) είναι υπεύθυνο για τη πραγματοποίηση ενημέρωσης θέσης, αναγνώρισης και πιστοποίησης του κινητού και γενικά για ανταλλαγή μηνυμάτων που αφορούν τη διαχείριση κινητικότητας. Στο ανώτερο στρώμα του μοντέλου, το πρωτόκολλο διαχείρισης κλήσεων (RIL3- CC) αναλαμβάνει την εγκατάσταση, διατήρηση και τον τερματισμό των κλήσεων μεταξύ του δικτύου και του κινητού σταθμού. Η σηματοδοσία μεταξύ MSC και εξωτερικών δικτύων, που αφορά στις κλήσεις, χρησιμοποιεί τα πρωτόκολλα ISUP (ISDN User Part) και TUP (Telephone User Part). 14

Σχήμα 2 Πρωτόκολλα σηματοδοσίας του GSM Τέλος το πρωτόκολλο ΜΑΡ παρέχει τις απαραίτητες διαδικασίες προκειμένου να καταστεί δυνατή η ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ των οντοτήτων του σταθερού μέρους του δικτύου GSM. Χρησιμοποιεί το SS7 για τη μεταφορά των πληροφοριών και το TCAP ως διεπαφή. Σχήμα 3 Οι συνδέσεις MAP του GSM 2.2 GPRS 2.2.1 Γενικά Τη στιγμή που το GSM παρείχε περιορισμένη ποιότητα όσον αφορά τη μετάδοση δεδομένων, η ανάγκη για τη δημιουργία ενός νέου συστήματος που θα υποστηρίζει τη λειτουργία αυτή κρίθηκε απαραίτητη. Έπρεπε λοιπόν να δημιουργηθεί σύστημα ικανό να προσφέρει υψηλές ταχύτητες για τη μετάδοση δεδομένων, να παρέχει υψηλή ποιότητα και αξιοπιστία στη μεταφορά δεδομένων. Έτσι δημιουργήθηκε το GPRS, μια υπηρεσία μη φωνητική, που επιτρέπει τη μετάδοση των πληροφοριών μέσω δικτύου κινητής τηλεφωνίας. Το σύστημα αυτό παρέχει αποτελεσματική χρησιμοποίηση των ασύρματων πόρων για υπηρεσίες μεταγωγής πακέτου με ασυνεχή τρόπο μετάδοσης. Το GPRS διανέμει τα πακέτα δεδομένων από διαφορετικά τερματικά στο σύστημα, κάνοντας μια πιο αποδοτική χρήση του εύρους ζώνης. Το GPRS δεν αποτελεί ένα νέο σύστημα το οποίο ήρθε για να αντικαταστήσει κάποιο από τα υπάρχοντα δίκτυα μεταγωγής. Χρησιμοποιείται ως ένας επιπλέον τρόπος μετάδοσης δεδομένων και θα μπορούσαμε να πούμε ότι αποτελεί προέκταση του GSM. Γι αυτό το λόγο έχει χαρακτηριστεί και ως σύστημα 2.5 G. 2.2.2 Χαρακτηριστικά του GPRS 15

Η βασική ιδέα πάνω στην οποία πάτησε το GPRS ήταν να εκμεταλλευτεί τις ανενεργές χρονοσχισμές της ασύρματης διεπαφής του GSM που δε χρησιμοποιούνταν για υπηρεσίες φωνής, για τη μεταφορά ασύγχρονων δεδομένων με μεταγωγή πακέτου. Για την επίτευξη του στόχου αυτού το GPRS χρησιμοποίησε την ίδια ασύρματη πρόσβαση που χρησιμοποιεί και το GSM για τη τηλεφωνία κάνοντας τις απαραίτητες τροποποιήσεις στο υλικό και στο λογισμικό του BSS και εισαγωγή στοιχείων δικτύου για μετάδοση πακέτων δεδομένων. Παρόλο που το GPRS προβλέπει ρυθμούς μετάδοσης μέχρι 160 Kbps, το εύρος ζώνης πρέπει να χρησιμοποιείται εξίσου με τις υπηρεσίες φωνής. Όμως πρώτη προτεραιότητα έχουν οι υπηρεσίες φωνής, πράγμα που σημαίνει πως αν οι ραδιοδίαυλοι είναι κατειλημμένοι από υπηρεσίες φωνής, θα εμποδίζονται οι εφαρμογές που έχουν να κάνουν με τις GPRS υπηρεσίες. Βλέπουμε λοιπόν ότι το GPRS μπορεί και προσφέρει τη δυνατότητα στο κινητό χρήστη να συνδέεται ανά πάσα στιγμή στο διαδίκτυο, να ελέγχει την αλληλογραφία του, να στέλνει e-mail, να ενημερώνεται για θέματα που τον αφορούν και να κατεβάζει δεδομένα. Κύριο λοιπόν χαρακτηριστικό γνώρισμα των GPRS δικτύων αποτελεί η μεταγωγή πακέτου που έχει να κάνει με κατανομή των πόρων. Το GPRS δηλαδή επιτρέπει τη ταυτόχρονη χρήση μιας χρονοσχισμής από πολλούς χρήστες, και με το ίδιο σκεπτικό σε ένα χρήστη μπορούν να κατανεμηθούν πολλές χρονοσχισμές του δικτύου προκειμένου να μεταδώσει, και γι αυτόν το λόγο άλλωστε αυξάνεται ο ρυθμός μετάδοσης που επιτυγχάνει το GPRS. Μια επίσης σημαντική λειτουργία του GPRS δικτύου είναι η σωστή - αποδοτική χρήση των ραδιοπόρων του δικτύου, με αποτέλεσμα όλο και περισσότεροι χρήστες να μπορούν να μοιράζονται το ίδιο εύρος ζώνης και να εξυπηρετούνται από μια μόνο κυψέλη. Τη στιγμή δηλαδή που θα χρησιμοποιούταν από έναν μόνο χρήστη ένα κανάλι για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο, τώρα θα μοιράζεται τους διαθέσιμους ραδιοπόρους και με άλλους χρήστες. Γίνεται λοιπόν μια κατανομή πόρων όπου αυτό κρίνεται απαραίτητο, όταν οι χρήστες πραγματικά στέλνουν και λαμβάνουν δεδομένα. 2.2.3 Αρχιτεκτονική του GPRS Το GPRS όπως είπαμε και νωρίτερα δεν είναι ένας τύπος δικτύου που εμφανίστηκε προκειμένου να αντικαταστήσει κάποιο δίκτυο. Απεναντίας το GPRS είναι ένα σύστημα το οποίο ήρθε να συμπληρώσει το GSM και να προσθέσει νέες υπηρεσίες. Για το λόγο αυτό θα προστίθονταν νέα στοιχεία δικτύου, διεπαφές και πρωτόκολλα για τον χειρισμό της κίνησης των πακέτων, καθώς και κάποια άλλα μέρη θα αναβαθμίζονταν προκειμένου το GPRS να κάτσει στο GSM. 16

Σχήμα 4 Αρχιτεκτονική του GPRS Τα δύο νέα στοιχειά που προστέθηκαν στο ήδη υπάρχον δίκτυο είναι: α) Ο κόμβος υποστήριξης εξυπηρέτησης GPRS (SGSN,Serving GPRS Support Node) β) Ο κόμβος υποστήριξης πύλης GPRS (GGSN,Gateway GPRS Support Node). Αναλυτικότερα: 2.2.3.1 Εξυπηρετών Κόμβος Υποστήριξης GPRS (SGSN) Ο SGSN είναι ουσιαστικά ένας δρομολογητής που είναι υπεύθυνος για τη μεταφορά των δεδομένων από και προς τους κινητούς χρήστες (MS) που υπάρχουν στη περιοχή που εξυπηρετεί. Επίσης το SGSN πραγματοποιεί και τη διαχείριση της κίνησης, πιστοποίηση, κρυπτογράφηση/αποκρυπτογράφηση, συμπίεση/αποσυμπίεση, ενώ επιπλέον αλληλεπιδρά, όποτε απαιτείται, με το HLR, στέλνοντας ερωτήσεις προς αυτό για να λάβει τα στοιχεία των συνδρομητών GPRS. Επίσης αλληλεπιδρά με το MSC/VLR και το EIR. Ανιχνεύει νέους κινητούς σταθμούς (MS) σε μια περιοχή υπηρεσιών, εκτελεί την διαδικασία καταχώρησης των νέων κινητών συνδρομητών, υποστηρίζει τη διαπομπή ενός περιπλανούμενου συνδρομητή από ένα κύτταρο σε ένα άλλο και συλλέγει τις χρεώσεις ανάλογα με τη χρήση των πόρων του εσωτερικού δικτύου και ενημερώνει την πύλη χρέωσης.[4] Στο SGSN αποθηκεύονται πολλές πληροφορίες που έχουν να κάνουν με τη θέση και το προφίλ του συνδρομητή, όπως για παράδειγμα η IMSI μόνιμη ταυτότητα του χρήστη, καθώς και η περιοχή δρομολόγησης του κινητού, η ταυτότητα της κυψέλης στην οποία βρίσκεται ο συνδρομητής, οι αλγόριθμοι πιστοποίησης και κρυπτογράφησης, κτλ. 2.2.3.2 Κόμβος Υποστήριξης Πύλης GPRS (GGSN) Το GGSN χρησιμοποιείται ως διεπαφή στα εξωτερικά δίκτυα IP, όπως το διαδίκτυο. Αποτελεί ουσιαστικά το δρομολογητή για τις διευθύνσεις IP όλων των συνδρομητών που εξυπηρετούνται από το δίκτυο GPRS. Η σύνδεση με τα εξωτερικά 17

δίκτυα δεδομένων (Packet Data Network-PDN) πραγματοποιείται με το GGSN να ανταλλάσσει πληροφορία δρομολόγησης προς τα δίκτυα αυτά και να εγκαθιστά τις συνδέσεις προς αυτά. Αυτό που κάνει δηλαδή είναι να μετατρέπει τα πακέτα GPRS που έρχονται από τον SGSN σε κατάλληλο τύπο Πρωτοκόλλου Δεδομένων Πακέτου (Packet Data Protocol-PDP), και να τα στέλνει στο ανταποκρινόμενο δίκτυο δεδομένων πακέτου. Συλλέγει τις χρεώσεις ανάλογα με τους πόρους που θα χρησιμοποιηθούν στο εξωτερικό δίκτυο. Στο GGSN υπάρχουν και πληροφορίες που θα βρίσκαμε και στο SGSN και αφορούν τους χρήστες. Εν τέλει το GGSN αποτελεί τη τελική διεπαφή προς τα εξωτερικά δίκτυα πακέτων δεδομένων για αρκετούς SGSN, ενώ ένας SGSN για τη προσέγγιση διαφορετικών δικτύων πακέτου μπορεί να δρομολογήσει τα πακέτα του μέσω διαφόρων GGSN. 2.2.3.3 Διεπαφές Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε τις νέες διεπαφές μεταξύ των νέων κόμβων του GPRS και του GSM δικτύου έτσι ακριβώς όπως έχει οριστεί από το Ευρωπαϊκό Ινστιτούτο Τηλεπικοινωνιακών Προτύπων (ETSI). Σχήμα 5 Οι διεπαφές μεταξύ των δικτυακών κόμβων H διεπαφή Gb συνδέει τον BSC με τον SGSN. Μέσω των διεπαφών Gb και Gn, τα δεδομένα του χρήστη και τα δεδομένα σηματοδοσίας, μεταδίδονται μεταξύ του χρήστη, του SGSN και του GGSN. Η διεπαφή Gn θα χρησιμοποιηθεί αν ο SGSN και ο GGSN εντοπίζονται στο ίδιο Δημόσιο Δίκτυο Κινητών Επικοινωνιών (Public Land Mobile Network, PLMN), ενώ η διεπαφή Gb θα χρησιμοποιηθεί αν βρίσκονται σε διαφορετικά PLMN. Οι διεπαφές Gn και Gp ορίζονται ανάμεσα σε δύο διαφορετικά SGSN. Έτσι επιτρέπονται στους SGSN να ανταλλάξουν προφίλ χρηστών, όταν ένας κινητός σταθμός μετακινείται από τη περιοχή του ενός SGSN στη περιοχή ενός άλλου. 18

Μέσω της Gf διεπαφής ο SGSN ζητάει μέσω της ΙΜΕΙ πληροφορίες από το EIR για κάποιο κινητό χρήστη που προσπαθεί να καταχωρηθεί στο δίκτυο. Η Gi διεπαφή είναι υπεύθυνη για τη σύνδεση του δικτύου κορμού GPRS με τα Εξωτερικά Δίκτυα Πακέτων Δεδομένων (PDN), όπως για παράδειγμα το διαδίκτυο. Η Gr διεπαφή χρησιμοποιείται για ανταλλαγή πληροφοριών μεταξύ HLR και SGSN. O SGSN μπορεί να ενημερώσει τον HLR για τη θέση του κινητού χρήστη. Όταν ένας κινητός χρήστης καταχωρείται σε ένα νέο SGSN το HLR θα στείλει το προφίλ του χρήστη στο νέο SGSN. Η διεπαφή Gc συνδέει το GGSN και το HLR, μπορεί να χρησιμοποιηθεί από το GGSN για την απόκτηση πληροφοριών που αφορούν τη θέση και το προφίλ κάποιου χρήστη, για τη μετέπειτα ενημέρωση που αφορά τη καταχώρηση της θέσης του. Η Gs διεπαφή συνδέει τις βάσεις δεδομένων του SGSN και του MSC/VLR για να έχει τη δυνατότητα το MSC/VLR να επεκταθεί με λειτουργίες και εισόδους καταχώρησης που επιτρέπουν κατάλληλο συντονισμό μεταξύ των υπηρεσιών μεταγωγής πακέτου του GPRS και της μεταγωγής κυκλώματος GSM. H Gd διεπαφή συνδέει τη πύλη SMS του MSC (SMS-GMSC) με το SGNM. Μπορεί έτσι να πραγματοποιηθεί ανταλλαγή σύντομων γραπτών μηνυμάτων. 2.2.3.4 Μονάδα Ελέγχου Πακέτων Πρόκειται για επέκταση του BSS και έχει αναλάβει εξ oκλήρου την ευθύνη της κατανομής των πόρων στη ραδιοζεύξη για το GPRS. Δηλαδή ενώ το BSC διαχειρίζεται κατά κύριο λόγο τη κατανομή των πόρων στο GSM. Το PCU αναλαμβάνει το σκοπό αυτό για το GPRS. 2.2.3.5 Βάσεις Δεδομένων Οι βάσεις δεδομένων του GPRS είναι κοινές με αυτές του GSM. Για την ακρίβεια είναι ίδιες. Το μόνο επιπλέον που υπάρχει είναι η επιπλέον αποθήκευση πληροφοριών που σχετίζονται με τις υπηρεσίες που έχουν ενεργοποιηθεί από τους συνδρομητές. 2.2.3.6 Κινητοί Σταθμοί Οι κινητοί σταθμοί κατηγοριοποιούνται σε τρεις τάξεις ανάλογα με τη χρήση των υπηρεσιών. Τάξης Α είναι οι κινητοί σταθμοί που οι διαδικασίες μεταγωγής κυκλώματος και πακέτου μπορούν να είναι σε εξέλιξη την ίδια χρονική στιγμή, για παράδειγμα την ίδια στιγμή που πραγματοποιείται μια κλήση να εκτελείται και κάποια άλλη λειτουργία. 19

Τάξης Β είναι οι κινητοί σταθμοί που έχουν πρόσβαση στις διαδικασίες μεταγωγής κυκλώματος και πακέτου, αλλά δε μπορούν να χρησιμοποιηθούν ταυτόχρονα. Τάξης Γ είναι οι χρήστες που έχουν πρόσβαση σε μια μόνο υπηρεσία. Για παράδειγμα ένα laptop αφού υποστηρίζει μόνο υπηρεσίες GPRS και όχι υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος. 2.2.4 Πρωτόκολλα Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε τη στοίβα πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται στο δίκτυο GPRS. Σχήμα 6 Πρωτόκολλα του GPRS[4] Η διαχείριση κίνησης (GMM) και συνόδου (SM) ανήκουν στο πρώτο στρώμα (SNDCP). Το στρώμα αυτό αναλαμβάνει λειτουργίες συμπίεσης, καθώς και να παρέχει άμεση επικοινωνία μεταξύ του κινητού χρήστη του GPRS με το κόμβο εξυπηρέτησης SGSN. Οι λειτουργίες αυτές είναι πολύ σημαντικές από τη στιγμή που κάθε συνδρομητής του δικτύου πληρώνει το κάθε byte μεταδιδόμενης ή λαμβανόμενης πληροφορίας, και δεδομένου ότι σε τέτοιο δίκτυο μεταγωγής πακέτου, κάθε πακέτο μεταφέρει τη δική του επικεφαλίδα με τα απαραίτητα στοιχεία δρομολόγησης, κρίνεται απαραίτητη η συμπίεση. Οι δύο μέθοδοι συμπίεσης που χρησιμοποιούνται στο GPRS είναι: α) Η RFC 1144 που είναι αποκλειστικά και μόνο για τις TCP/IP επικεφαλίδες, με την οπία 40 bytes συνολικής TCP/IP επικεφαλίδας συμπιέζονται σε 2 με 3 bytes, και β) η V.42 bis για τη συμπίεση άλλων ειδών επικεφαλίδες. Το LLC επίπεδο παρέχει κρυπτογράφηση έλεγχο ροής, έλεγχο σειράς και ενδεχόμενη ανίχνευση και διόρθωση σφάλματος μετάδοσης. Η προσαρμογή των πακέτων LLC (LLC PDU) στο ψηφιακό στρώμα πραγματοποιείται από το RLC/MAC στρώμα. Επίσης το στρώμα αυτό ελέγχει την πρόσβαση σε πόρους του δικτύου, κατανέμει τους πόρους μεταξύ των κινητών σταθμών και έχει και την ευθύνη απελευθέρωσης τους. Αυτός είναι και ο λόγος που το επίπεδο RLC/MAC επεκτείνεται ανάμεσα στο MS και PCU. 20

Το BSSGP πρωτόκολλο είναι υπεύθυνο για τον έλεγχο ροής και για μετάδοση από το PCU μέχρι το SGSN. Η διασύνδεση μεταξύ των στοιχείων του δικτύου πρόσβασης και του δικτύου κορμού εξασφαλίζεται με το πρωτόκολλο FR (Frame Relay). Η διασύνδεση των στοιχείων του δικτύου κορμού γίνεται με το πρωτόκολλο IP. Πρόκειται για μη αξιόπιστη υπηρεσία δικτύωσης χωρίς σύνδεση με κύρια ευθύνη τη δρομολόγηση πακέτων μεταξύ των SGSN και GGSN κόμβων. Το TCP και UDP, ανήκουν στο επίπεδο μεταφοράς, είναι δηλαδή υπεύθυνα για τη μεταφορά και τη σωστή απόδοση των πακέτων από το SGSN προς το GGSN ή και αντίστροφα. Τα πλεονεκτήματα του TCP είναι η παροχή αξιόπιστης μεταφοράς μέσω σύνδεσης, η εφαρμογή ελέγχου ροής για να μην υπάρχει απώλεια στη μεταφορά πακέτων, χρησιμοποιεί αλγορίθμους για την αποφυγή συμφόρησης, Μηχανισμούς μετάδοσης σε περιπτώσεις μεγάλης καθυστέρησης, διόρθωση σφαλμάτων κ.τ.λ. Τέλος το GTP παρέχει μηχανισμό σήραγγας για τη μετάδοση των πακέτων στο δίκτυο κορμού. Για κάθε πλαίσιο λειτουργίας PDP (PDP context) που έχει ενεργοποιημένο ένας κινητός σταθμός και επικοινωνεί με κάποιο εξωτερικό δίκτυο, ένα μοναδικό GTP τούνελ εγκαθίσταται προκειμένου να μεταφέρει τα δεδομένα. Άλλωστε το γεγονός ότι το GPRS συνδέεται με δίκτυα, όπως το διαδίκτυο, οφείλεται στο ότι τόσο το δίκτυο κορμού του GPRS όσο και το Internet βασίζονται στο κοινό πρωτόκολλο IP. 2.2.5 Εσωτερικές Διαδικασίες του GPRS Στο σημείο αυτό θα παρουσιάσουμε διαδικασίες οι οποίες λαμβάνουν χώρα στο GPRS. Οι διαδικασίες αυτές είναι αυτές της σύνδεσης και αποσύνδεσης (attachment και detachment), της διαχείρισης συνόδου (session management), της δρομολόγησης (routing), της διαχείρισης θέσης καθώς και της κινητικότητας του χρήστη (location and mobility management). 2.2.5.1 Διαδικασίες Σύνδεσης και Αποσύνδεσης στο GPRS Ως διαδικασία σύνδεσης έχουμε ορίσει τις ενέργειες που πρέπει να πραγματοποιηθούν προκειμένου να δοθεί στο κινητό χρήστη μια προσωρινή ταυτότητα συνδρομητή κινητής τηλεφωνίας για κάθε πακέτο που θα στέλνει. Πριν όμως γίνει αυτό θα πρέπει ο κινητός χρήστης, προκειμένου να χρησιμοποιήσει τις υπηρεσίες του GPRS, να έρθει σε επαφή και να «εγγραφεί» με έναν Εξυπηρετώντα Κόμβο Υποστήριξης GPRS (SGSN) του δικτύου. Το δίκτυο στη συνέχεια θα ελέγξει αν ο χρήστης είναι εξουσιοδοτημένος και αντιγράφει το προφίλ του χρήστη από το HLR στο SGSN. Έτσι δίνει στο χρήστη αυτή τη προσωρινή ταυτότητα συνδρομητή κινητής τηλεφωνίας για κάθε πακέτο που θα στέλνει. Αυτή η διαδικασία λέγεται GPRS σύνδεση (attach). Για κινητούς σταθμούς που χρησιμοποιούν και υπηρεσίες μεταγωγής κυκλώματος και υπηρεσίες μεταγωγής πακέτου είναι δυνατός ο συνδυασμός GPRS/IMSI διαδικασιών σύνδεσης (attach). Η αποσύνδεση από το GPRS δίκτυο λέγεται GPRS αποσύνδεση (GPRS detach) και μπορεί η διαδικασία αυτή να εκκινηθεί είτε από τον κινητό σταθμό ή από το δίκτυο (SGSN ή HLR). 2.2.5.2 Διαδικασίες Διαχείρισης Συνόδου στο GPRS 21

Για την ανταλλαγή πακέτων δεδομένων με εξωτερικά δίκτυα πακέτων δεδομένων (Packet Data Networks, PDNs), ύστερα από μια επιτυχή σύνδεση στο GPRS δίκτυο (GPRS attach), ο κινητός σταθμός πρέπει να κάνει αίτηση για μία ή περισσότερες διευθύνσεις που χρησιμοποιούνται στο PDN (π.χ. για μια IP διεύθυνση σε περίπτωση που το PDN είναι ένα IP δίκτυο). Αυτή η διεύθυνση ονομάζεται διεύθυνση Πρωτοκόλλου Πακέτων Δεδομένων (Packet Data Protocol, PDP). Για κάθε μία σύνοδο, δημιουργείται ένα PDP περιεχόμενο (PDP Context) το οποίο περιγράφει τα χαρακτηριστικά της συνόδου. Συγκεκριμένα ένα PDP context περιέχει τον τύπο του PDP (π.χ. IPv4 ή IPv6), την PDP διεύθυνση που έχει δοθεί στο κινητό σταθμό, την απαιτούμενη ποιότητα υπηρεσίας (Quality of Service, QoS) και τη διεύθυνση ενός Διαβιβαστικού Κόμβου Υποστήριξης GPRS (GGSN), το οποίο είναι και το τελικό σημείο πρόσβασης του δικτύου GPRS με το εξωτερικό δίκτυο πακέτων δεδομένων (PDN). Το περιεχόμενο αυτό (PDP context) αποθηκεύεται στον κινητό σταθμό, στο SGSN αλλά και στο GGSN. Με ένα ενεργό PDP context, ο κινητός σταθμός είναι «ορατός» στο εξωτερικό PDN και είναι σε θέση να στείλει και να λάβει πακέτα δεδομένων. Ο χρήστης μπορεί να έχει ταυτόχρονα πολλά ενεργά PDP contexts. Η ανάθεση της PDP διεύθυνσης μπορεί να είναι είτε στατική είτε δυναμική. Στην περίπτωση της στατικής, ο διαχειριστής του δικτύου θέτει μόνιμα μια PDP διεύθυνση στον χρήστη. Στη δεύτερη περίπτωση της δυναμικής, μια PDP διεύθυνση δίνεται στον χρήστη κατά την διάρκεια ενεργοποίησης ενός PDP περιεχομένου (PDP context). Η PDP διεύθυνση μπορεί να δοθεί είτε από τον διαχειριστή του GPRS δικτύου είτε από τον διαχειριστή του επισκεπτόμενου δικτύου. Για τις πιθανές εναλλακτικές λύσεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποφασίζει ο διαχειριστής του δικτύου GPRS. Στην περίπτωση δυναμικής PDP διεύθυνσης, το GGSN είναι υπεύθυνο για την δέσμευση και για την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση των PDP διευθύνσεων. Στο παρακάτω σχήμα παρουσιάζεται η διαδικασία ενεργοποίησης του PDP περιεχομένου. Χρησιμοποιώντας το μήνυμα activate PDP context request ο κινητός σταθμός ενημερώνει το SGSN για το αιτούμενο PDP περιεχόμενο. Αν έχει ζητηθεί δυναμική ανάθεση PDP διεύθυνσης, η παράμετρος PDP διεύθυνση θα είναι κενή. Στη συνέχεια συνήθεις λειτουργίες ασφαλείας ενεργοποιούνται, π.χ. πιστοποίηση του χρήστη (user authentication and authorization). Εάν υπάρχει έγκριση πρόσβασης, το SGSN θα στείλει ένα μήνυμα create PDP context request στο σχετικό GGSN. Το τελευταίο δημιουργεί μια νέα είσοδο στον πίνακα του PDP περιεχομένου, το οποίο δίνει την δυνατότητα στο GGSN να δρομολογήσει πακέτα δεδομένων μεταξύ του SGSN και του εξωτερικού PDN. Στη συνέχεια το GGSN επιστρέφει ένα μήνυμα επιβεβαίωσης create PDP context response στο SGSN, το οποίο περιέχει την PDP διεύθυνση στην περίπτωση που έχει ζητηθεί διανομή δυναμικής PDP διεύθυνσης. Το SGSN ενημερώνει τον πίνακα του PDP περιεχομένου του και επιβεβαιώνει την ενεργοποίηση του νέου PDP περιεχομένου για τον κινητό σταθμό (μήνυμα: activate PDP context accept ). 22

MS SGSN GGSN Active PDP contex request [PDP type, PDP address, QoS requested, access point,..] Create PDP context request Security functions [PDP type, PDP address, Qos negotiated, access point, ] Activate PDP contex accept Create PDP contex [PDP type, PDP address, Qos negotiated, ] [PDP type, QoS negotiated, ] Σχήμα 7 2.2.5.3 Διαδικασίες Δρομολόγησης στο GPRS Στο παρακάτω σχήμα περιγράφεται η διαδικασία δρομολόγησης. Υποθέτουμε ότι το δίκτυο πακέτων δεδομένων είναι ένα IP δίκτυο. Ένας GPRS κινητός σταθμός, που βρίσκεται στο Δίκτυο Κινητών Επικοινωνιών 1 (Public Land Mobile Network 1, PLMN1), στέλνει IP πακέτα σε κάποια οντότητα που είναι συνδεδεμένη στο IP δίκτυο, π.χ. σε ένα εξυπηρετητή Web που είναι συνδεδεμένος με το Διαδίκτυο (host στο σχήμα). Το SGSN, με το οποίο ο κινητός σταθμός έχει «εγγραφεί», ενθυλακώνει τα IP πακέτα που προέρχονται από τον κινητό σταθμό, ελέγχει το PDP περιεχόμενό τους και τα δρομολογεί μέσω του intra PLMN GPRS δικτύου κορμού στο κατάλληλο GGSN. Το GGSN αποθυλακώνει τα πακέτα και τα στέλνει στο IP δίκτυο, όπου IP μηχανισμοί δρομολόγησης χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά των πακέτων σε ένα δρομολογητή (router) πρόσβασης του δικτύου προορισμού. Το τελευταίο παραδίδει τα IP πακέτα στον host. Ας υποθέσουμε ότι το εδρεύων PLMN του κινητού σταθμού είναι το PLMN2. Μια IP διεύθυνση έχει δοθεί στο κινητό σταθμό από το GGSN του PLMN2. Με βάση το προηγούμενο, η IP διεύθυνση του κινητού σταθμού έχει το ίδιο πρόθεμα (prefix) με την IP διεύθυνση του GGSN στο PLMN2 (δεξιά στο σχήμα). O ανταποκρινόμενος υπολογιστής στέλνει IP πακέτα στον κινητό σταθμό. Τα πακέτα έχουν σταλεί από το IP δίκτυο και έχουν δρομολογηθεί στο GGSN του PLMN2 (το εδρεύων GGSN του κινητού σταθμού). Το τελευταίο εξετάζει το HLR και αποκομίζει την πληροφορία ότι η τρέχουσα τοποθεσία του κινητού σταθμού είναι στο PLMN1. Στη συνέχεια ενθυλακώνει τα νεοαφιχθέντα IP πακέτα και τα περνάει (με την τεχνική του tunneling) μέσα από το inter-plmn GPRS δίκτυο κορμού στο κατάλληλο SGSN του PLMN1. Το SGSN αποθυλακώνει τα πακέτα και τα παραδίδει στον κινητό σταθμό. 23

Σχήμα 8 Διαδικασίες Διαχείρισης Κινητικότητας και Θέσης χρήστη στο GPRS Ο βασικός σκοπός της διαχείρισης θέσης του χρήστη (location management), είναι να βρίσκει ανά πάσα στιγμή την υπάρχουσα θέση του, έτσι ώστε τα νεοαφιχθέντα πακέτα να μπορούν να δρομολογούνται στον κινητό σταθμό του. Για το σκοπό αυτό, ο κινητός σταθμός στέλνει συχνά μηνύματα για την ανανέωση της θέσης του χρήστη στο τρέχον SGSN του. Εάν ο κινητός σταθμός στέλνει τα μηνύματα αυτά με αραιό ρυθμό, τότε η θέση του (π.χ. η κυψέλη στην οποία βρίσκεται ο χρήστης) δεν είναι επακριβώς γνωστή, με αποτέλεσμα να είναι απαραίτητη η αναζήτηση (paging) για κάθε πακέτο που πρέπει να λάβει ο χρήστης. Κατά συνέπεια επέρχεται σημαντική καθυστέρηση στην συνολική παράδοση των δεδομένων. Αντίθετα, αν τα μηνύματα ανανέωσης της θέσης του χρήστη λαμβάνουν χώρα με πολύ μεγάλο ρυθμό, η ακριβής θέση του χρήστη (και άρα και του κινητού σταθμού) είναι γνωστή στο δίκτυο και τα πακέτα δεδομένων μπορούν να παραδοθούν χωρίς πρόσθετη καθυστέρηση αναζήτησης. Εν τούτοις, για την διαχείριση κινητικότητας (mobility management) σε αυτήν την περίπτωση καταναλώνεται αρκετό μέρος από την ασύρματη χωρητικότητα άνω ζεύξης (uplink radio capacity) και ισχύς της μπαταρίας του τερματικού. Κατά συνέπεια απαιτείται μία μέση λύση, μεταξύ των παραπάνω δύο ακραίων μεθόδων, ως καταλληλότερη στρατηγική για τη διαχείρισης κινητικότητας και θέσης του χρήστη στο GPRS. Στο Σχήμα 20 παρουσιάζεται ένα μοντέλο καταστάσεων, το οποίο έχει προσδιοριστεί ακριβώς για τον παραπάνω λόγο. Ένας κινητός σταθμός μπορεί να βρίσκεται σε μία από αυτές τις τρεις καταστάσεις (ΑΔΡΑΝΕΙΑΣ IDLE, ΕΤΟΙΜΟΤΗΤΑΣ READY ή ΑΝΑΜΟΝΗΣ STANDBY), ανάλογα με την τρέχουσα ποσότητα κίνησης δεδομένων. Η συχνότητα ανανέωσης θέσης εξαρτάται από την κατάσταση του κινητού σταθμού. Στην κατάσταση ΑΔΡΑΝΕΙΑΣ (IDLE) ο κινητός σταθμός δεν είναι δυνατόν να προσεγγιστεί. Εκτελώντας μια GPRS σύνδεση (attach) ο κινητός σταθμός μεταβαίνει στην κατάσταση ΕΤΟΙΜΟΤΗΤΑΣ (READY). Με μία GPRS αποσύνδεση (detach), ο κινητός σταθμός, μπορεί να αποσυνδεθεί από το δίκτυο και να επιστρέψει στην κατάσταση ΑΔΡΑΝΕΙΑΣ (IDLE). Σε αυτή την 24

περίπτωση όλα τα PDP περιεχόμενα (PDP contexts) διαγράφονται. Η κατάσταση ΑΝΑΜΟΝΗΣ (STANDBY) προκύπτει όταν ένας κινητός σταθμός δεν στέλνει καθόλου πακέτα δεδομένων για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα και συνεπώς ο μετρητής χρόνου (timer) της κατάστασης ΕΤΟΙΜΌΤΗΤΑΣ (READY), ο οποίος ξεκίνησε να λειτουργεί με την GPRS σύνδεση (attach) λήγει (timer expiration). Στην κατάσταση ΑΔΡΑΝΕΙΑΣ (IDLE), δεν εκτελείται καμιά ανανέωση θέσης, με αποτέλεσμα η τρέχουσα θέση του κινητού σταθμού να είναι άγνωστη στο δίκτυο. Ένας κινητός σταθμός στην κατάσταση ΕΤΟΙΜΟΤΗΤΑΣ (READY) ενημερώνει το SGSN του για κάθε μετακίνηση σε κάποια νέα κυψέλη. Για την διαχείριση θέσης ενός κινητού σταθμού στην κατάσταση ΑΝΑΜΟΝΗΣ (STANDBY), μια GSM περιοχή εντοπισμού θέσης (Location Area, LA) χωρίζεται σε αρκετές περιοχές δρομολόγησης (Routing Areas, RAs). Γενικά, μια περιοχή δρομολόγησης (Routing Area, RA) αποτελείται από αρκετές κυψέλες. Το SGSN θα ενημερωθεί μόνο για το αν ένας κινητός σταθμός μετακινηθεί σε μια νέα περιοχή δρομολόγησης (RA). Οι αλλαγές από μία κυψέλη σε άλλη δεν φανερώνονται. Για την εύρεση της τρέχουσας κυψέλης ενός κινητού σταθμού που βρίσκεται στην κατάσταση ΑΝΑΜΟΝΗΣ (STANDBY), πρέπει να πραγματοποιηθεί αναζήτηση (paging) του κινητού σταθμού μέσα σε μια συγκεκριμένη περιοχή δρομολόγησης (RA). Για τους κινητούς σταθμούς που βρίσκονται στην κατάσταση ΕΤΟΙΜΟΤΗΤΑΣ (READY), δεν είναι απαραίτητη η λειτουργία αναζήτησης. Κάθε φορά που ένας κινητός σταθμός μετακινείται σε μια νέα περιοχή δρομολόγησης (RA), στέλνει ένα μήνυμα «αίτησης ανανέωσης περιοχής δρομολόγησης» ( Routing Area Update Request ) στο αντίστοιχο SGSN, μέσω του Υποσυστήματος Σταθμού Βάσης (BSS). Το μήνυμα περιέχει την ταυτότητα της περιοχής δρομολόγησης (Routing Area Identifier, RAI) της προηγούμενης περιοχής δρομολόγησής του (RA). Το Υποσύστημα Σταθμού Βάσης (BSS) προσθέτει το αναγνωριστικό κυψέλης (Cell Identifier, CΙ) της νέας κυψέλης, από την οποία το SGSN μπορεί να πάρει την νέα RAI. Δύο είναι τα πιθανά διαφορετικά σενάρια: Ανανέωση της περιοχής δρομολόγησης που ανήκει στο ίδιο SGSN : Ο κινητός σταθμός έχει μετακινηθεί σε μία περιοχή δρομολόγησης (RA), η οποία υπάγεται στο ίδιο SGSN όπως και η παλαιότερη περιοχή δρομολόγησης. Σε αυτήν την περίπτωση, το SGSN έχει ήδη αποθηκεύσει το απαραίτητο προφίλ του χρήστη και μπορεί να εκχωρήσει ένα νέο πακέτο προσωρινής ταυτότητας συνδρομητή κινητής τηλεφωνίας (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity, P-TMSI) στον χρήστη μέσω του μηνύματος «αποδεκτής ανανέωσης της περιοχής δρομολόγησης» (Routing Area Update Accept). Εφόσον το περιβάλλον δρομολόγησης δεν αλλάζει, δεν είναι απαραίτητο να ενημερωθούν άλλα στοιχεία του δικτύου, όπως το GGSN ή το HLR. Ανανέωση της περιοχής δρομολόγησης που ανήκει σε διαφορετικό SGSN: Έστω ότι η νέα περιοχή δρομολόγησης (RA) διαχειρίζεται από ένα διαφορετικό SGSN σε σχέση με την προηγούμενη. Το νέο SGSN διαπιστώνει ότι ο κινητός σταθμός έχει μετακινηθεί στην περιοχή του και ζητάει από το παλαιότερο SGSN να στείλει τα PDP περιεχόμενα του χρήστη. Κατόπιν, το νέο SGSN ενημερώνει τα σχετιζόμενα GGSNs για το νέο περιβάλλον δρομολόγησης του χρήστη. Επιπροσθέτως, το HLR και (αν είναι απαραίτητο) το MSC/VLR ενημερώνονται για το νέο SGSN του χρήστη. Υπάρχουν επίσης συνδυασμένες ανανεώσεις περιοχών δρομολόγησης (RA) και εντοπισμού θέσης (LA). Κάτι τέτοιο συμβαίνει όταν ένας κινητός σταθμός χρησιμοποιεί ταυτόχρονα το GPRS αλλά και το συμβατικό GSM και μετακινείται σε μία νέα περιοχή θέσης (LA). Τότε ο κινητός σταθμός στέλνει ένα μήνυμα «αίτησης ανανέωσης περιοχής δρομολόγησης» στο SGSN. Η παράμετρος «τύπου ανανέωσης» (update type) του παραπάνω μηνύματος χρησιμοποιείται για να υποδείξει ότι η ανανέωση της περιοχής εντοπισμού θέσης (LA) είναι απαραίτητη. Για την 25

ολοκλήρωση της διαδικασίας, το μήνυμα προωθείται στο VLR, το οποίο πραγματοποιεί την ανανέωση της περιοχής εντοπισμού θέσης (LA).[4] Συνοψίζοντας, η διαχείριση κινητικότητας (mobility management) των χρηστών του GPRS αποτελείται από δύο επίπεδα: Τη λεγόμενη μικρο-διαχείριση κινητικότητας (micro mobility management), η οποία εντοπίζει την τρέχουσα περιοχή δρομολόγησης (RA) ή την κυψέλη που βρίσκεται ο κινητός σταθμός. Η μικροδιαχείριση κινητικότητας εκτελείται από το SGSN. Αφ ετέρου η μακρο διαχείριση κινητικότητας (macro mobility management) διατηρεί το στίγμα του τρέχοντος SGSN που εξυπηρετεί τον κινητό σταθμό, το οποίο προωθεί και αποθηκεύει στους HLR, VLR και GGSN. 2.3 UMTS 2.3.1 Γενικά Το Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) είναι ένα σύστημα κινητών επικοινωνιών τρίτης γενιάς (3G) που παρέχει μια σειρά ευρυζωνικών υπηρεσιών στον κόσμο των ασύρματων και κινητών επικοινωνιών. Αποτελεί εξέλιξη των δικτύων 2 ης γενιάς που χρησιμοποιούνται. Διατηρούν το υπάρχον δίκτυο κορμού που χρησιμοποιούν τα GSM και GPRS, δηλαδή ακολουθούν και μεταγωγή κυκλώματος και μεταγωγή πακέτου. Με τη χρησιμοποίηση επιπλέον ζωνών φάσματος μπορεί να υποστηρίξει ακόμα περισσότερους συνδρομητές και να ικανοποιεί τις ανάγκες τους για ασύρματες υπηρεσίες δεδομένων. Μπορεί δηλαδή κάποιος να μεταδίδει εικόνες, γραφικά, τηλεοπτικές επικοινωνίες, και άλλες πληροφορίες πολυμέσων, καθώς επίσης και φωνή και στοιχεία, στους κινητούς ασύρματους συνδρομητές. Το UMTS παραδίδει χαμηλού κόστους, κινητές επικοινωνίες με ρυθμούς δεδομένων μέχρι και 2 Mbps. [5] Το UMTS υιοθετεί μια συγχρονισμένη μέθοδο προς ένα all-ip δίκτυο με την επέκταση των δικτύων δεύτερης γενεάς (2G) GSM-GPRS και με την χρησιμοποίηση της τεχνολογίας πρόσβασης Wide-band Code Division Multiply Access CDMA. Η ικανότητα διαπομπής μεταξύ του UMTS και του GSM υποστηρίζεται. Το GPRS είναι το σημείο σύγκλισης μεταξύ των τεχνολογιών 2G και της περιοχής μεταγωγής πακέτων του 3G UMTS. 2.3.2 Αρχιτεκτονική Όπως είπαμε και νωρίτερα το UMTS δίκτυο είναι βασισμένο πάνω στα δίκτυα GSM GPRS. Λειτουργίες που παρέχει είναι η μεταγωγή, η δρομολόγηση, η μεταφορά, και λειτουργίες βάσεων δεδομένων για την κίνηση χρηστών. Το δίκτυο κορμού περιέχει συστατικά μεταγωγής κυκλώματος όπως το MSC, τοvlr, και το Gateway Msc (GMSC). Περιέχει επίσης συστατικά μεταγωγής κυκλώματος όπως τα SGSN και GGSN. Τα EIR, HLR, και AUC υποστηρίζουν και μεταγωγή κυκλώματος και μεταγωγή πακέτου. Το ATM είναι η μέθοδος μετάδοσης δεδομένων που χρησιμοποιείται μέσα στο δίκτυο κορμού UMTS. Το UMTS δίκτυο διακρίνεται στα εξής τρία μέρη: α) Το Δίκτυο Πυρήνα (Core Network-CN) β) Το επίγειο Δίκτυο Ασύρματης Πρόσβασης του UMTS (UMTS Terrestial Radio Access Network-UTRAN) 26

γ) Εξοπλισμό χρήστη (User Equipment-UE) Αναλυτικότερα: Το δίκτυο πυρήνα βασίζεται σε αυτό του GPRS. Κύρια λειτουργία του δικτύου πυρήνα είναι να παρέχει μεταγωγή, δρομολόγηση και μεταφορά της τηλεπικοινωνιακής κίνησης του χρήστη. Το δίκτυο πυρήνα περιλαμβάνει και βάσεις δεδομένων και εκτελεί λειτουργίες διαχείρισης δικτύου. Το επίγειο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης του UMTS, παρέχει τη μέθοδο πρόσβασης μέσω της ασύρματης διεπαφής (air interface access method) για τον εξοπλισμό χρήστη. Το δίκτυο πυρήνα και το επίγειο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης του UMTS συνδέονται μέσω ανοιχτής διεπαφής, η οποία καλείται Iu, ενώ ο εξοπλισμός του χρήστη επικοινωνεί με το δίκτυο ασύρματης πρόσβασης μέσω ανοιχτής ασύρματης πρόσβασης η οποία καλείται Uu. Σχήμα 9 Αρχιτεκτονική δομή του UMTS Η μέθοδος ασύρματης πρόσβασης, την οποία χρησιμοποιούν τα UMTS δίκτυα και είναι ίσως η σημαντικότερη διαφορά από τα GSM και GPRS δίκτυα, για τα δίκτυα UMTS είναι η WCDMA, η οποία έχει δύο βασικούς τρόπους λειτουργίας: FDD και TDD. Αυτή η νέα μέθοδος πρόσβασης απαιτεί ένα νέο δίκτυο ασύρματης πρόσβασης το οποίο αποκαλείται UMTS Τerrestrial Radio Access Network (UTRAN). Δύο νέα στοιχεία δικτύου εισάγονται στο UTRAN και αυτά είναι: α) Το Radio Network Controller (RNC) και β)o κόμβος Β (Node B). Τo UTRAN περιέχει πολλαπλά radio network systems (RNSs), και κάθε RNS ελέγχεται από ένα RNC. Το RNC συνδέεται με ένα ή περισσότερα στοιχεία κόμβων Β. Κάθε κόμβος Β μπορεί να παρέχει υπηρεσία σε πολλαπλά κελιά. Το RNC στα δίκτυα UMTS παρέχει λειτουργίες ισοδύναμες με αυτές του ελεγκτή σταθμών βάσεων (BSC) στα δίκτυα GSM και GPRS. Ο κόμβος Β στα δίκτυα UMTS είναι ισοδύναμος με τον BTS στα δίκτυα GSM και GPRS. Κατ' αυτό τον τρόπο, το UMTS επεκτείνει τα υπάρχοντα GSM και GPRS δίκτυα. Επιτρέπει νέες υπηρεσίες 27

δια μέσου των υπαρχόντων διεπαφών όπως το Α, το Gb, και Abis, και των νέων διεπαφών που περιλαμβάνουν τη διεπαφή UTRAN μεταξύ του κόμβου Β και του RNC (lub) και την δεπαφή UTRAN μεταξύ δύο RNCs (lur). Radio Network Controller Η μονάδα Radio Network Controller (RNC) εκτελεί λειτουργίες που είναι ισοδύναμες με αυτές του ελεγκτή σταθμών βάσεων (BSC) στα δίκτυα GSM/GPRS. Το RNC παρέχει το συγκεντρωτικό έλεγχο των στοιχείων Nobe B στην περιοχή κάλυψής του. Χειρίζεται ανταλλαγές πρωτοκόλλου μεταξύ των διεπαφών του UTRAN (lu, lur, και lub). Επειδή οι διεπαφές είναι βασισμένες σε τεχνολογία ATM, το RNC εκτελεί τη μετατροπή των κελιών του ATM μεταξύ των διεπαφών.. Το RNC παρέχει τις συγκεντρωτικές λειτουργίες και τη συντήρηση του radio network system RNS. Συμπεριλαμβανομένου της πρόσβασης σε ένα σύστημα υποστήριξης διαδικασιών Operation Support System (OSS). Το RNC χρησιμοποιεί τη διεπαφή lur. Δεν υπάρχει κάποια αντίστοιχη μονάδα για να διαχειριστεί τους ασύρματους πόρους στο GSM-GPRS δίκτυα. Στα δίκτυα GSM και GPRS, η διαχείριση των πόρων εκτελείται στο δίκτυο κορμού. Στα δίκτυα UMTS, αυτή η λειτουργία διανέμεται στο RNC, ελευθερώνοντας το κεντρικό δίκτυο για άλλες λειτουργίες. Οι λειτουργίες του RNC περιλαμβάνουν τον έλεγχο πόρων, τον έλεγχο αποδοχής, τη κατανομή καναλιών, τον έλεγχο ισχύος, τον έλεγχο διαπομπής, και τον έλεγχο συμφόρησης. Node B Η μονάδα κόμβος Β (Node B) είναι μονάδα ασύρματης μετάδοσης λήψης για την επικοινωνία μεταξύ των κελιών. Κάθε κόμβος B μπορεί να παρέχει υπηρεσίες για ένα ή περισσότερα κελιά. Μια μονάδα Node B μπορεί να τοποθετηθεί φυσικά μαζί με μία υπάρχουσα μονάδα Base Transceiver Station (BTS) ενός δικτύου GSM για να μειώσει τις δαπάνες της εφαρμογής του UMTS. Ο κόμβος Β συνδέεται με εξοπλισμό του χρήστη - (UE) μέσω της διεπαφής Uu χρησιμοποιώντας την τεχνολογία WCDMA, Η διεπαφή lub παρέχει τη σύνδεση μεταξύ του κόμβου Β και της μονάδας RNC χρησιμοποιώντας τεχνολογία (ATM). Η κύρια λειτουργία του κόμβου β είναι μετατροπή των δεδομένων όσον αφορά τη διεπαφή Uu. Αυτή η λειτουργία περιλαμβάνει την διόρθωση λαθών και η προσαρμογή του ρυθμού στην διεπαφή. Επίσης ελέγχει την ποιότητα και τη δύναμη της σύνδεσης και υπολογίζει το ρυθμό λάθους πλαισίων, διαβιβάζοντας αυτές τις πληροφορίες στο RNC για την επεξεργασία. Οι λειτουργίες του κόμβου Β περιλαμβάνουν την ασύρματη μετάδοση και λήψη, τη διαμόρφωση και απόδιαμόρφωση, τη φυσική κωδικοποίηση καναλιών CDMA, το χειρισμό λαθών καθώς και τη δυνατότητα για έλεγχο ισχύος. 28