Matkapuhelintekniikat

• Toisen sukupolven (2G) matkapuhelinjärjestelmä
• 1980-luvun alussa Euroopassa oli käytössä useita eri matkapuhelinverkkoja, esim.
  • Saksassa Netz-C, Englannissa TACS (Total Access Cellular System), Pohjoismaissa NMT
• Tarvetta kansainvälisesti toimivalle ja suuremman kapasiteetin tarjoavalle matkapuhelinjärjestelmälle
• Vuonna 1982 alettiin kehittää kansainvälisesti (Euroopan laajuisesti) toimivaa ja suuremman kapasiteetin tarjoavaa matkapuhelinjärjestelmää (Groupe Spécial Mobile, GSM)
  • Nimi vaihdettiin myöhemmin à Global System for Mobile communications

• Taajuudet varattiin eurooppalaisena yhteistyönä 900 MHz:n alueelta
  • GSM:n standardointityö meni ETSI:n (European Telecommunications Standardisation Institute) alaiselle SMG-ryhmälle (Special Mobile Group) vuonna 1989
  • GSM-standardi valmistui 1991
• Vuoden 1993 lopussa jo yli miljoona käyttäjää 48 maassa
  • 900 MHz:n taajuudet ruuhkautuivat nopeasti
  • käyttöön myös 1800 MHz
• Nykyään yli 2 miljardia käyttäjää yli 210 maassa

• GSM-verkko toimii samojen pääperiaatteiden mukaan kuin NMT-verkko
  • Perustuu kuitenkin uuteen digitaaliseen tekniikkaan
  • Kaikki liikenne siirtyy radiotiellä salatussa muodossa
  • Parempi äänenlaatu
  • Uusia palveluita (esim. GSM Data, GSM Fax, SMS)

• Datan siirto mahdollista (tosin hidasta)
  • Yhteydellinen: GSM Data, GSM Fax
  • Yhteydetön: SMS/MMS – viestit

• Suurin osa GSM-verkoista käyttää 900 MHz ja 1800 MHz:n taajuusalueita
  • Joissakin maissa (esim. USA ja Kanada) nämä taajuudet on varattu muuhun käyttöön, jolloin käytetään muita (850 MHz:n ja 1900 MHz) taajuusalueita)
    • Yhteenopivuusongelmia
    • paljon matkaavilla henkilöillä tarve kolmi tai jopa nelitaajuuspuhelimille

• GSM-verkko koostuu
  • Liikkuvista päätelaitteista
  • Tukiasemista
  • Verkon keskuksista
  • Useista tietojärjestelmistä ja rekistereistä

MS Mobile Station, liikkuva päätelaite, esim. Matkapuhelin
BSS Base Station Subsystem, tukiasema-alijärjestelmä (tukiasema + ohjain)
MSC Mobile Swiching Center, verkon keskus
HLR Home Location Register, kotipaikkarekisteri
VLR Visitor Location Register, vierailijarekisteri
PSTN Public Switched Telephone Network, yleinen puhelinverkko

• Päätelaitteena toimii pääsääntöisesti matkapuhelin
  • GSM tuki voidaan lisätä myös muihin laitteisiin
    • PCMCIA ja CF kortit
  • Data yhteys voidaan muodostaa tietokoneella myös puhelimen kautta
    • Langallinen yhteys esim. sarjaliitännän kautta
    • Langaton yhteys esim. Bluetooth:n avulla
• Jokaisella päätelaitteella on yksilöllinen tunniste (IMEI-koodi, International Mobile Equipment Identity)
  • IMEI-koodi löytyy yleensä puhelimen akun alta, (näytölle koodin saa näppäilemällä *#06#)

• Älykortti, joka pitää sisällään asiakkaaseen liittyvää tietoa
  • Päätelaite lukee SIM-kortilta käyttäjä tiedot
  • Operaattorikohtainen
• Matkapuhelinverkko tunnistaa käyttäjät SIM kortin pohjalta ei puhelimen pohjalta
  • Mahdollistaa helpon puhelimen tai operaattorin vaihdon
  • Ilman SIM:iä päätelaitetta voi käyttää ainoastaan hätäpuheluihin
• Kortti voidaan suojata PIN (personal identity number) koodilla
  • Lukittuminen kolmen virheellisen PIN syötön jälkeen.
  • Lukittunut SIM avataan PUK (PIN unblocking key) koodilla
• On käytännössä estänyt liittymien luvattomat käyttöönotot

• Sim kortti sisältää
  • IMSI tunniste (Internationational Mobile Subscriber Identity)
    • Käyttäjän tunnistus erillään laitteen tunnistuksesta
  • Palveluntarjoajan tiedot asiakkaasta
    • Esim. liittymätyyppi
  • Operaattorin salaiset avaimet
    • Yhteydenoton alkaessa operaattori tarkistaa avaimet ja auktorisoi oikeilla avaimilla toimivan puhelimen soiton verkossaan
  • Asiakkaan itsensä tallentamia tietoja
    • Mm. puhelinluettelo, halutut palveluntarjoajat jne.
    • Saapuneet tekstiviestit

• Koostuu kahdesta osasta
  • Tukiasema (BTS, Base Tranceiver Station)
    • Sisältää lähetys- ja vastaanottolaitteet, joilla signaali saadaan kulkemaan langattomasti päätelaitteen ja tukiaseman välillä
    • Tukiasemat pidetään taloudellisista syistä mahdollisimman yksinkertaisina (koska niitä tarvitaan paljon - maaseudulla n. 10 kilometrin välein ja kaupungissa lähes joka kortteliin)
  • Tukiasemaohjain (BSC, Base Station Controller)
    • Ohjaa tyypillisesti kymmeniä tai satoja tukiasemia
    • Hoitaa radiokanavien varaamisen ja vapauttamisen, taajuushyppelyn ja käyttäjien siirrot solujen välillä
  • A-bis rajapinta
    • BTS-BSC välinen rajapinta, joka mahdollistaa eri valmistajien laitteistojen käytön
    • Kommunikointi ISDN protokollilla

• Kytkentäalijärjestelmä, koostuu useista komponenteista
  • Matkapuhelinkeskus (MSC, Mobile services Switching Center)
    • Toimii linkkinä kiinteään verkkoon
    • Tarjoaa rekisteröitymis- ja autentikointumispalvelut alueellaan oleville päätelaitteille
    • Mahdollistaa käyttäjän liikkuvuuden
      • Pitää kirjaa käyttäjän sijainnista
      • Reitittää piirikytkentäiset yhteydet oikeaan paikkaan

• Todennuskeskus (AUC, Authentication Centre)
  • Varmentaa jokaisen SIM-kortin, joka yrittää yhteyttä verkkoon (tyypillisesti silloin kun päätelaite kytketään päälle)
  • Jos autentikointi onnistuu, laite voi liittyä verkkoon
  • Samalla alustetaan salausavain, jolla yhteys salataan
• Tekstiviestikeskus (SMSC, Short Message Service Centre)
  • Välittää tekstiviestit päätelaitteille
  • Hyödyntää toiminnassaan VLR:ää ja HLR:ää

• Laskutuskeskus (BC, Billing Centre)
  • Kerää verkon laskutustietoja
  • Hoitaa määrävälein liittymän haltijan laskutuksen
• Rekisterit: kotirekisteri, vierailijarekisteri ja laiterekisteri

• Kotirekisteri (HLR, Home Location Register)
  • Kun uusi matkapuhelinliittymä otetaan käyttöön, sille määräytyy kotirekisteri eli operaattorin ylläpitämä tietokanta, jossa on tietoja

puhelimen liittymästä

• Pitää kirjaa kaikista asiakkaista, jotka ovat rekisteröityneet kyseiseen verkkoon
• Säilyttää tiedon käyttäjän nykyisestä sijainnista (yleensä VLR-osoite)
• Kun matkapuhelimeen yritetään soittaa, puhelu ohjataan kotirekisterissä olevan tiedon avulla oikean keskuksen alueelle

• Vierailijarekisteri (VLR, Visitor Location Register)
  • Pitää sisällään tiedon kaikista kyseisen keskuksen alueella olevista päätelaitteista
  • Kun päätelaite liikkuu verkossa toisen keskuksen alueelle, tieto uudesta sijainnista päivitetään uuden keskuksen vierailijarekisteriin sekä sieltä kotirekisteriin
  • Sijainti päivitetään myös aina, kun puhelin avataan sekä tietyin säännöllisiin väliajoin, jos päivitystä ei muuten ole tapahtunut (puhelin on ollut päällä ja pitkään samalla alueella)
• Laiterekisteri (EIR, Equipment Identity Register)
• Pitää sisällään listan kaikista asianmukaisista laitteista verkossa (IMEI koodit)
• Voidaan käyttää myös varastettujen laitteiden seurantaan

• CM Connection management
• MM Mobility management
• RR Radio resources management
• LAPDm link access protocol for D channel, modifoitu ISDN:nstä
• MTP Message Transfer Part
• SCCP Signaling Connection Control Part
• MAP Mobile Application Part

• Käytetään aika- ja ja taajuusjakoa

• Taajuusjako GSM 900
  • Uplink 890-915 MHz (päätelaitteelta tukiasemalle)
  • Downlink 935-960 MHz (tukiasemalta päätelaitteelle)
    • uplink matalammalla taajuudella jotta päätelaitteen virtaa säästyy
  • Kumpikin 25 MHz:n taajuusalue on jaettu 124 kantoaaltoon 200 kHz:n välein
    • up- ja downlinkin välinen ero yhteydellä on 45MHz
  • Taajuusalueet jaetaan operaattorikohtaisesti

• Aikajako
  • Käytetään TDM:ää (Time Division Multiplexing) jakamaan jokainen kanava 8 (Full-Rate) tai 16 (Half-Rate) aikaviipaleeseen (timeslot)
  • Aikaviipaleen Kesto: 0.577 msec jossa 0.031 msec suoja aluetta ja 148 bittiä (0.546 msec) pitkä GSM purske
  • purskeen rakenne: 3 tailingbittiä, 57 data bitti, lippubitti, 26 training bittiä, lippubitti, 57 databittiä ja 3 tailing bittiä
    • alussa ja lopuss siis nollia
    • Lippubitti kertoo onko kyseessä ääntä vai dataa
    • Training bitit ovat radiotien ominaisuuksien huomioon ottoa varten
• Yhteensä 124 kanavaa * 8 Full-Rate – aikaviipaletta = 992 yhtäaikaista yhteyttä (teoriassa)

• Kahdentyyppisiä loogisia kanavia
  • Liikennekanavat (TCH, Traffic CHannel)
    • Tiedonsiirtoon
  • Kontrollikanavat (CCH, Control CHannel)
    • Yhteyden hallintaan

• Kanavia käytetään äänen tai datan siirtoon
• Full-rate TCH (TCH/F)
  • 13 kbps siirtonopeus äänelle
  • 9.6,4.8,2.4 kbps datalle
• Half-rate TCH (TCH/H)
  • 6.5kbps ääni
  • 4.8 tai 2.4 kbps data

• kolme tyyppiä: Common control channels, dedicated control channels, broadcast channels
• Common control channels (CCCH)
  • Paging channel (PCH)
    • Verkko hakee päätelaitetta tätä kanavaa käyttäen
  • Access Grant Channel (AGCH)
    • Verkko kertoo päätelaitteelle sille määritellyt kommunikointi kanavat
  • Random Access Channel (RACH)
    • päätelaite ottaa yhteyden verkkoon
    • törmäyksistä selviämiseen käytetään slotted aloha protokollaa

• Dedicated Control Channels
  • Standalone Dedicated Control Channel (SDCCH)
    • Signalointiin ja SMS viesteihin
  • Slow Associated control channel (SACCH)
    • Liittyy joko liikenne kanavaan tai SDCCH:n
    • käytetään ei kiireellisiin proseduureihin kuten päätelaitteen mittausten välitykseen

• Fast associated control channel (FACCH)
  • kiirellisten ja aika kriittisten signaalien välitykseen
  • Yhteyden muodostukseen
  • Käyttäjän autentikointiin
  • kanavanvaihtoon (handoff)
  • FACCH käyttää TCH:ta
    • siirtonopeus laskee FACCH viestien aikana.
• Cell Broadcast Channels (CBCH)
  • SMS viestin broadcast solun alueella
  • SDCCH:n kanssa sama timeslot

• Broadcast Channels (BCH)
  • Frequency Correction Channel (FCCH) ja Synchorinization channel (SCH)
    • tukiasema lähettää päätelaitteelle informaatiota jotta päätelaite pysyy synkronissa verkon kanssa
  • Broadcast Control Channel (BCCH)
    • Tukiaseman lähettämää järjestelmä informaatiota varten
    • tietoa mm. naapuri soluista, paikanrekisteröinti proceduureista, pääsynhallinnasta jne.

1. MS ottaa yhteyttä tukiasemaan ja pyytää signalointi kanavaa: RACH(request signaling channel)
2. BSC määrittää vapaan signalointi kanavan SDCCH viesteille: AGCH (assign signal channel)
3. MS pyytää puhelun muodostamista SDCCH viestillä: SDCCH (request call setup)
4. MSC BSC:tä määrittelemään liikennekanavan (TCH) puhelua varten
5. BSC näärittelee TCH:n ja tiedottaa siitä MS:lle: SDCCH (assign TCH)
6. MS ilmoittaa saaneensa kanavan: FACCH (complete assignment)

1. MSC käskee tukiaseman kutsumaan MS:ää
2. BSC kskee BTS:n lähettämään paging viestiä: PCH (page MS)
3. MS pyytää signalointi kanavan: RACH (request signaling channel)
4. BSC määrittää vapaan signalointi kanavan SDCCH viesteille: AGCH (assign signal channel)
5. SDCCH (respond paging)

• MSISDN - Mobile Subscriber International ISDN number
  • maatunnus (3 nroa) + verkon tunnus (2) + käyttäjän numero (Suomessa 7 nroa)
  • Esim. +358 40 123 4567
• IMSI-numero (International Mobile Subscriber Identity)
  • maatunnus (3 nroa) + verkon tunnus (2 nroa) + käyttäjän tunnusnumero (10 nroa)
  • Tarvitaan, koska eri maissa maakoodien, operaattorien tunnuksien ja käyttäjien numeroiden pituus voi vaihdella (GSM-verkko ei voisi siis päätellä saamastaan MSISDN-numerosta sen eri osia)

• MSRN - Mobile Station Roaming Number
  • maatunnus + verkon tunnus + käyttäjän numero
  • Roaming-numeroa ja tavallista IMSI-numeroa käytetään eri tarkoituksiin
    • Tavallisen numeron avulla löydetään kotirekisteri
    • Reititysnumeron avulla löydetään se keskus, jonka alueella puhelin on

• Soittaja näppäilee vastaanottajan numeron (MSISDN) ja painaa soittopainiketta

Vaihe 1: yhteys matkapuhelinkeskukseen

• Yhteyspyyntö kyseiseen MSISDN-numeroon välittyy senhetkisen operaattorin matkapuhelinkeskukselle (Gateway MSC, GMSC)

Vaihe 2: yhteys vastaanottajan kotirekisteriin

• Vastaanottajan laite voi sijaita missä tahansa sen oman operaattorin tai operaattorin sopimuskumppanien verkossa
• Paikkatieto löytyy aina vastaanottajan kotirekisteristä
• GMSC muuntaa MSISDN-numeron IMSI-numeroksi ja ottaa numeron perusteella yhteyden vastaanottajan liittymän kotirekisteriin (HLR)

Vaihe 3: etsitään vastaanottaja

• Kun yhteyspyyntö saapuu vastaanottajan kotirekisteriin, se tarkistaa mitä puhelulle tehdään

a) Ohjataanko puhelu toiseen numeroon (siirretty puhelu, divert)?

• Jos käyttäjä on tehnyt puhelujen siirron, kotirekisteri palauttaa uuden kohdenumeron soittajan matkapuhelinkeskukseen, joka aloittaa reitityksen uudelleen

b) Ohjataanko puhelu suoraan kyseiseen numeroon?

• Tarkistetaan löytyykö puhelimen sijaintitietoa (eli tieto nykyisestä vierailijarekisteristä)
  • Jos ei löydy (puhelin on pois päältä tai kuuluvuusalueen ulkopuolella), niin kotirekisteri palauttaa soittajan matkapuhelinkeskukselle Call Forward Not Reachable (CFNRc) – numeron, johon puhelu ohjataan (tyypillisesti käyttäjän puhepostilaatikon numero)
• Näiden tarkistusten jälkeen, jos kotirekisteristä löytyi tieto vastaanottajan sijainnista, kotirekisteri pyytää vierailijarekisteriltä kyseiselle numerolle (IMSI) väliaikaisen Roaming-numeron (MSRN)

Vaiheet 4-6: yhteys vastaanottajan matkapuhelinkeskukseen

• Vastaanottajan vierailijarekisterillä on käytössään väliaikaisia Roaming-numeroita, joilla voidaan muodostaa yhteyksiä kyseisen rekisterin matkapuhelinkeskukseen
• Vierailijarekisteri luo uuden Roaming-numeron ja välitettää sen vastaanottajan kotirekisterin kautta soittajan matkapuhelinkeskukseen (4,5)
• Kun soittajan matkapuhelinkeskus saa reititysnumeron, se pystyy ottamaan suoran yhteyden vastaanottajan verkon matkapuhelinkeskukseen (6)

Vaihe 7: vastaanottajan tavoittaminen

• Kun yhteyspyyntö saapuu vastaanottajan matkapuhelinkeskukseen, se löytää vastaanottajan sijaintitiedon omasta vierailijarekisteristään Roaming-numeron perusteella
• Matkapuhelinkeskus lähettää vastaanottajaa hakevan Paging-sanoman kaikille alueen tukiasemille (BTS)
  • Kun puhelin vastaa sanomaan, matkapuhelinkeskus saa puhelimen tarkan sijainnin
• Matkapuhelinkeskus ohjaa yhteyspyynnön oikean tukiasemaohjaimen (BSC) ja tukiaseman kautta vastaanottajan puhelimelle, jolloin se alkaa soida
• Jos vastaanottaja hyväksyy yhteyspyynnön, luodaan suora yhteys soittajan ja vastaanottajan matkapuhelinkeskusten välille ja keskustelu voi alkaa
• On kuitenkin mahdollista, ettei vastaanottaja vastaa puheluun
  1. Puhelin voi olla varattu (ja koputustoiminto pois päältä) → matkapuhelinkeskus ohjaa puhelun Call Forward Busy (CFB) – numeroon
  2. Vastaanottaja ei vastaa puheluun ajoissa (tyypillisesti 30 sekuntia) → matkapuhelinkeskus ohjaa puhelun Call Forward No Reply (CFNRy) – numeroon

• GSM-yhteydet ovat salattuja vain matkapuhelimen ja tukiaseman välillä
  • Tukiasemien ja tukiasemaohjaimen välisten mikroaaltolinkkien kuuntelu (esim. satelliitilla… ) paljastaa kaikki kyseisen alueen puhelut
• GSM-algoritmeissa on heikkouksia
  • Nykyisellä PC-laitteistolla voi purkaa reaaliajassa muutaman yhtäaikaisen puhelun
  • Sopii yksittäisten puheluiden seuraamiseen, mutta laajamittaisemmassa kuuntelussa laskentateho voi tulla muodostua ongelmaksi
• Verkko ei todenna itseään
  • Mahdollistaa periaatteessa tukiaseman väärentämisen
• Datan eheyttä ei tarkisteta
  • Mahdollistaa datan muuntamisen

• GSM tukee datayhteyksiä
  • Toimivat koko GSM-verkon kuuluvuusalueella
• Nopeudet maksimissaan 9,6 kbps
• Nopeuksia parannettu jälkikäteen usealla päivityksellä, esim. HSCSD (MultiSlot)
  • Käytetään yhden sijasta useita aikaviipaleita
  • Hyödynnetään tehokkaampia koodausmenetelmiä
    • yhdellä aikavälillä 9,6 kbps → 14,4 kbps
    • useita aikavälejä käyttämällä esim. 4 * 14,4 kbps = 57,6 kbps
• Suuri ongelma on kuitenkin piirikytkentäisyys
  • Aikaperustainen laskutus