Το δίκτυο GSM ρ Απόστολος Γεωργιάδης Εργαστήριο Κινητών Επικοινωνιών Τµήµα Πληροφορικής & Επικοινωνιών ΑΤΕΙ Σερρών
Ιστορικό Η 1 η γενιά κινητής τηλεφωνίας ήταν αναλογική και η επιτυχία της έδειξε ότι υπήρχε η ανάγκη στις αγορές για εφαρµογές κινητή τηλεφωνίας: ARP (Auto Radio Puhelin) στην Φινλανδία NMT (Nordic Mobile Telephone) στις άλλες σκανδιναβικές χώρες Ταυτόχρονη ανάπτυξη στις Ηνωµένες Πολιτείες και στην Ευρώπη στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Το Ευρωπαϊκό σύστηµα ονοµάστηκε GSM και αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1990. GSM: Global System for Mobile Communications Οι βασικές υπηρεσίες που παρέχει: Φωνή 3.1kHz εδοµένα 9,6kbps µε ή χωρίς διόρθωση λαθών (error correction) SMS short messaging service
Η Αρχιτεκτονική του GSM
Λεξιλόγιο Mobile Station: Κινητός Σταθµός Subscriber Identity Module (SIM): Μονάδα Ταυτοποίησης Συνδροµητή Base Station: Σταθµός Βάσης Base Transceiver: Ποµποδέκτης Σταθµού Βάσης Base Station Controller: Ελεγκτής Σταθµού Βάσης Transcoding Rate & Adaptation Unit: Μονάδα Μετατροπής Ρυθµού και Προσαρµογής Mobile Switching Center (MSC): Κέντρο Μεταγωγής Κινητής Τηλεφωνίας Visitor Location Register: Μητρώο Θέσης Επισκεπτών Home Location Register: Μητρώο Θέσης Συνδροµητών Gateway MSC: Πύλη του MSC PSTN (public switched telephone system): ηµόσιο ιακοπτικό Σύστηµα Τηλεφωνίας
BSS Base Station Subsystem Υ οσύστηµασταθµούβάσης TRAU (Transcoding Rate & Adaptation Unit µονάδα µετατροπής ρυθµού και προσαρµογής) Εκτελεί µετατροπή ανάµεσα στην κωδικοποίηση PCM (pulse code modulation) 64kbps που χρησιµοποιείται στο δίκτυο κορµού και στην κωδικοποίηση AMR (adaptive multi-rate) 13kbps που χρησιµοποιείται από τον Κινητό Σταθµό BSC (Base Station Controller) Ελέγχει την ανάθεση καναλιών (time slots) που υλοποιείται από τους BTS s ιαχειρίζεται τις µεταγωγές (handovers) εντός της περιοχής κάλυψης του BSS Γνωρίζει ποιοι κινητοί σταθµοί βρίσκονται εντός της κυψέλης και ενηµερώνει τα MSC & VLR Γνωρίζει την ακριβή θέση του κινητού σταθµού πριν γίνει κάποια κλήση BTS (Base Transceiver System) Ελέγχει αρκετούς ποµποδέκτες Κάθε ποµποδέκτης διαθέτει 8 time slots (µερικές για κανάλια έλεγχου) σε µία συγκεκριµένη συχνότητα Ο µέγιστος αριθµός ποµποδεκτών (και συχνοτήτων) σε κάθε κυψέλη είναι 6, άρα η µέγιστη χωρητικότητα µιας κυψέλης είναι 6x8-3(κανάλια ελέγχου) = 45 κανάλια
Network & Switching Subsystem Υ οσύστηµα ικτύουκαιμεταγωγής Η ραχοκοκαλιά του δικτύου GSM είναι ένα κλασσικό τηλεφωνικό δίκτυο, µε κάποιες επιπλέον δυνατότητες MSC (Mobile Switching Center) Ουσιαστικά, ένας µεταγωγέας ISDN µε επιπλέον δυνατότητες ώστε να υποστηρίζει κινητές επικοινωνίες VLR (Visitor Location Register) Ουσιαστικά, µία Βάση εδοµένων Περιέχει τη θέση των ενεργών Κινητών Σταθµών GMSC (Gateway MSC) ιασυνδέει το MSC µε το PSTN και άλλους παρόχους κινητής τηλεφωνίας HLR (Home Location Register) Βάση εδοµένων, που περιέχει όλες τις απαραίτητες πληροφορίες για τους συνδροµητές, και επιπλέον τα στοιχεία ασφαλείας για το Κέντρο Αυθεντικοποίησης (AuC Authentication Center) EIR (Equipment Identity Register) Βάση εδοµένων µε τους κωδικούς IMEI (International Mobile Station Equipment Identity), για π.χ. αποκλεισµό κλεµµένων κινητών
HLR Home Location Register ΜητρώοΘέσηςΣυνδροµητών Μία Βάση εδοµένων ανά Πάροχο (εταιρία) κινητής τηλεφωνίας Περιέχει τα σταθερά στοιχεία των συνδροµητών: MSISDN (Mobile Subscriber ISDN number) είναι ο τηλεφωνικός αριθµός του συνδροµητή IMSI (International Mobile Subscriber Identity) είναι ένας κωδικός 15 ψηφίων για την ταυτοποίηση του συνδροµητή. Περιέχει τον κωδικό της χώρας και του παρόχου. Ο IMSI κωδικός συνδέει τον αριθµό MSISDN µε τον κωδικό της κάρτας SIM Πληροφορίες χρέωσης Κατάλογος εγγεγραµένων υπηρεσιών για τον συνδροµητή Location Area Code: Περιέχει την τρέχουσα θέση του συνδροµητή, και αναφέρεται στο MSC µέσα στην περιοχή του οποίου βρίσκεται.
MS Mobile Station ΚινητόςΣταθµός MS είναι η συσκευή του κινητού τηλεφώνου και αποτελείται από 2 µέρη: ME (Mobile Equipment) αποτελείται από: Radio Equipment τηλεπικοινωνιακός εξοπλισµός User Interface εξοπλισµός επικοινωνίας µε το χρήστη Processing & Memory: Επεξεργαστής & Μνήµη για διάφορες λειτουργίες του τηλεφώνου (π.χ. ιεκπεραίωση κλήσης, κρυπτογράφηση, µηνύµατα SMS κτλ) Equipment IMEI Number αριθµός IMEI της συσκευής SIM (Subscriber Identity Module)
SIM Subscriber Identity Module ΜονάδαΤαυτο οίησηςσυνδροµητή Μία µικρή έξυπνη κάρτα, που περιέχει: Τους απαραίτητους κωδικούς κρυπτογράφησης για την ταυτοποίηση του συνδροµητή Τον αριθµό IMSI του συνδροµητή Χώρο για αποθήκευση ευρετηρίου επαφών του χρήστη Εφαρµογές από τρίτους (π.χ. για mobile banking) Μπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί και σε άλλα συστήµατα. Π.χ. κάποια ασύρµατα δίκτυα (WLAN) χρησιµοποιούν ασφάλεια πρόσβασης µέσω καρτών SIM
Βοηθητικά Υποσυστήµατα OSS Operations Support System Σύστηµα Υποστήριξης Λειτουργιών Το δίκτυο ελέγχου όλου του συστήµατος GSM Συνήθως ο κάθε κατασκευαστής έχει το δικό του σύστηµα εν ορίζεται επακριβώς από το Πρότυπο GSM VAS Value Added Services Υπηρεσίες Προστιθέµενης Αξίας Voice Mail τηλεφωνητής Call Forwarding προώθηση κλήσεων Group Calls οµαδικές κλήσεις SMSC Short Messages Service Center Κέντρο Υπηρεσίας Γραπτών Μηνυµάτων Απαραίτητο για τη λειτουργία της υπηρεσίας SMS Αποθηκεύει και προωθεί τα SMS (σαν εξυπηρετητής emails) Η αρχική χρήση της υπηρεσίας ήταν για να ειδοποιείται ο χρήστης ότι έχει ένα νέο µήνυµα στον τηλεφωνητή του!
Location Update when Inactive ΑνανέωσηΘέσηςσεΑναµονή Οι κυψέλες επικαλύπτονται και συνήθως ένας κινητός σταθµός «βλέπει» ταυτόχρονα αρκετούς ποµποδέκτες (BTS s) Ο κινητός σταθµός ελέγχει συνεχώς τον κωδικό του τοπικού BSC που ελέγχει τις κυψέλες Εάν ο κινητός σταθµός ανιχνεύσει καινούργιο κωδικό περιοχής BSC, τότε κάνει αίτηση για ανανέωση της πληροφορίας θέσης του Η ανανέωση προωθείται στο MSC, εγγράφεται στο VLR, ο παλιός BSC ενηµερώνεται και ένα σήµα αποδοχής αποστέλλεται πίσω στον κινητό σταθµό (acknowledge)
Handover Μεταγωγή Η διαδικασία αλλαγής BTS κατά τη διάρκεια µιας κλήσης, όταν ο κινητός σταθµός κινείται Εντός του BSS, ο BSC (εφόσον γνωρίζει την τρέχουσα κατάσταση των καναλιών) προετοιµάζει ένα διαθέσιµο κανάλι στον καινούργιο BTS ίνεται σήµα στον κινητό σταθµό να µεταφέρει την επικοινωνία του στον καινούργιο BTS Αυτό ονοµάζεται hard handover Στο soft handover (3G), ο κινητός σταθµός συνδέεται µε 2 BTS s ταυτόχρονα
Κατηγορίες Handover Μεταξύ των κυψελών ενός BSS, το handover αναλαµβάνει ο BSC Μεταξύ διαφορετικών BSS s, ο έλεγχος γίνεται από το MSC/VLR Μεταξύ διαφορετικών MSC s (κωδικούς περιοχής), το handover αναλαµβάνει το HLR Handover µεταξύ διαφορετικών παρόχων δεν υλοποιείται προς το παρόν
Roaming ιαµεταγωγή Όταν ένας κινητός σταθµός εισέρχεται στο δίκτυο ενός ξένου παρόχου και του δίνεται η δυνατότητα να χρησιµοποιήσει κάποιες ή όλες τις υπηρεσίες του. Απαιτούνται διµερείς συµφωνίες µεταξύ των παρόχων Υψηλότερες χρεώσεις Ο κινητός σταθµός αναγνωρίζεται από τους κωδικούς της κάρτας SIM η διαδικασία ταυτοποίησης προωθείται στον οικείο πάροχο Ενηµερώνεται το οικείο HLR ώστε να περιέχει την τρέχουσα θέση του MS
Radio Multiple Access Techniques Τεχνικές Πολλα λής Πρόσβασης του Ραδιοµέσου FDMA Frequency Division Multiple Access Μία συχνότητα για κάθε χρήστη Π.χ. NMT TDMA Time Division Multiple Access Χρονοθυρίδες (time slots) στην ίδια συχνότητα Π.χ. GSM CDMA Code Division Multiple Access Ποµπός και δέκτης χρησιµοποιούν τον ίδιο κωδικό για να ξεχωρίσουν από άλλους χρήστες Πολλαπλοί δίαυλοι στην ίδια συχνότητα και στην ίδια χρονοθυρίδα Π.χ. UMTS (3G)
Περιοχές Συχνοτήτων GSM Αρχικό σύστηµα στην µπάντα των 900MHz Uplink (MS προς BTS): 890 915 MHz Downlink (BTS προς MS): 935 960 MHz Συνολικά 124 κανάλια µε 200kHz εύρος το καθένα, και 100kHz κενό προστασίας στα άκρα της µπάντας (guard band) Κάθε κανάλι φιλοξενεί 8 TDMA χρονοθυρίδες Καινούργιες µπάντες GSM: 800MHz, 1900MHz (USA), 1800MHz (Europe) Μέγιστη εµβέλεια στα 35km, λόγω απαιτήσεων χρονισµού Μέγιστη ισχύς εκποµπής για κινητούς σταθµούς: 2W
Υπηρεσίες εδοµένων στο GSM Η βασική υπηρεσία δεδοµένων µεταφέρει ψηφιακά δεδοµένα αντί φωνής, χρησιµοποιώντας ένα time slot: CSD: circuit switched data (µετάδοση µεταγωγής κυκλώµατος) 9.6kbps ή 14.4kbps ρυθµός µετάδοσης Μειονεκτήµατα: Χρονοχρέωση, Μεγάλοι χρόνοι σύνδεσης (5-30 sec) Η υπηρεσία HSCSD (high speed circuit switched data) χρησιµοποιεί περισσότερα από ένα time slots για να αυξηθεί ο ρυθµός µετάδοσης: Έως 57.6kbps GPRS (General Packet Radio Service): packet switched data (µετάδοση µεταγωγής πακέτων) Θεωρητικά έως 182,5 kbps (µε χρήση 8 time slots) Πλεονεκτήµατα: Χρέωση µε την ποσότητα των δεδοµένων (ογκοχρέωση) Allways online: δεν χρειάζεται σύνδεση αποσύνδεση ιαµόρφωση GMSK (1bit/symbol) του GSM EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): Βελτίωση ρυθµού µετάδοσης του GPRS Υπηρεσία 2,5 γενιάς (2.5G) Ταχύτητες θεωρητικά έως 473,6kbps ιαµόρφωση 8-PSK/GMSK (3bits/symbol)