View page as slide show

Matkapuhelintekniikat

GSM

  • 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-verkon arkkitehtuuri

  • 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

MS (Mobile Station)

  • 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#)

SIM-kortti (Subscriber Identity Module)

  • 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

BSS (Base Station Subsystem)

  • 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

NSS (Network Switching Subsystem)

  • 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

Rekisterit

  • 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

GSM Protokollapino

  • 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

Radiorajapinta

  • 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

Liikennekanavat

  • 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

Kontrollikanavat

  • 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.

Yhteyden muodostus radiotiellä

  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)

Yhteyden Vastaanotto radiotiellä

  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)

GSM-numerointi

  • 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

GSM-puhelun muodostaminen

  • 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:n tietoturvaongelmia

  • 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 Data

  • 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
Last modified: 2013/07/01 14:42