INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK MENEDZSMENTJE

Átírás

1 BME Gazdaság- és Társadalomtudományi Kar Műszaki menedzser alapszak (BSc) INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK MENEDZSMENTJE Mobil kommunikáció (Beszéd, SMS, GPRS, UMTS) Dr. Babarczi Péter - Dr. Abos Imre BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék Budapest, Mobil rádiótelefon hálózatok Világszerte eltérő rendszerek alakultak ki A mobil technológiák fejlődése Európában Egész Európára vonatkozó specifikációk és szabványok összehangolt kidolgozása folyik Szolgáltatási engedélyeket és frekvenciákat csak a szabványos rendszerekre adnak ki A szolgáltatási piac szabályozott A készülékpiacon teljesen szabad a verseny Európában a mobil szolgáltatás még mindig fejlődik, terjed a mobil Internet használat A 2G és a 3G párhuzamosan működik (kétnormás készülékek) A 4G mobil bevezetése megkezdődött 2 Page 1

2 Mobil rádiótelefon hálózatok A mobil rádiótelefon hálózatok fejlődése 1. generációs analóg mobil rendszerek: pl. NMT 450 MHz, Skandináviában, ill. további 30 országban terjedt el, Magyarországon 1990-től 2005-ig működött 2. generációs digitális mobil rendszerek: pl. GSM a 900 MHz-es ( MHz) és a 1800 MHz-es sávot ( MHz) használja, Európában teljes körűen, de a világ más részein is elterjedt, Magyarországon 1994-ben indult el a GSM szolgáltatás 3. generációs digitális mobil rendszerek: pl. UMTS, az 1900 MHz-es ( MHz), a 2000 MHz-es ( MHz) és a 2100 MHz-es ( MHz) sávokban működik. Magyarországon 2006-ban indult el a 3G szolgáltatás. 4. generációs digitális mobil rendszerek: pl. LTE (Long Term Evolution) szabványosítása, bevezetése folyik, Magyarországon is. 3 Mobil rádiótelefon hálózatok A GSM mobil hálózatok felépítése Cella Hálózati alapegység egy-egy antenna vételi körzete Home Ügyfélnyilvántartás Visitor A szomszédos cellák által használt frekvenciák különböző A cellák mérete függ: Földrajzi viszonyok Alkalmazott technológia Forgalom Bázisállomás magassága 4 Mobil kapcsolóközpont Bázisállomás-vezérlő Mobil állomás Page 2

3 GSM hálózati elemek Base Station Subsystem Network & Switching Subsystem NSS HLR B T S BSC BSS T R A U MSC AuC EIR MS Mobile Station MSC PSTN / ISDN GMSC más PLMN SMSC TRAU - Transcoder and Rate Adapter Unit 5 Hálózati és kapcsoló alrendszer NSS Network and Switching Subsystem Mobil kapcsolóközpont (MSC Mobile Switching Centre) hagyományos, digitális kapcsolóközpont mobil-specifikus bővítésekkel autentikáció helyzetnyilvántartás hívásátadás BSC-k között barangolás Honos előfizetői helyregiszter (HLR Home Location Register) egy HLR hálózatonként előfizetőre vonatkozó adatok, szolgáltatási jogosultságok aktuális tartózkodási hely (MSC/ szinten) 6 Page 3

4 Hálózati és kapcsoló alrendszer NSS Network and Switching Subsystem Látogató előfizetői helyregiszter ( Visitor Location Register) Elvileg földrajzi (tartózkodási) körzetenként (location area) egy-egy Gyakorlatilag az MSC-vel egybeépítve: egy MSC körzete egy földrajzi (tartózkodási) körzet A HLR információinak egy részét tárolja ideiglenesen (ami a hívásfelépítéshez szükséges) az ott tartózkodó mobil állomásokról Hitelesítő (autentikációs) központ (AuC Authentication Centre) Általában a HLR-rel egybeépítve Készülék azonosító regiszter (EIR Equipment Identity Register) Fekete/fehér/szürke lista 7 Hálózati és kapcsoló alrendszer NSS Network and Switching Subsystem Kapu MSC (GMSC Gateway MSC) Kapcsolattartás más hálózatokkal (PSTN/ISDN, ill. más PLMN) PLMN: Public Land Mobile Network (Nyilvános földi mobil hálózat) SMS központ (SMSC Short Message Service Centre) Fogadja az elküldött SMS-eket Megpróbálja továbbítani a címzettnek 8 Page 4

5 Bázisállomás-alrendszer BSS Base Station Subsystem Bázisállomás egy vagy több elemi adó/vevő (BTS Base Transciever Station) Átkódoló és sebességillesztő egység (Transcoder and Rate Adapter Unit, TRAU vagy TC) 13 (5,6) kbit/s kodek 64 kbit/s PCM Adatátvitelnél is sebesség illesztés: kisebb sebességek (pl kbit/s) 64 kbit/s (felesleges bitek beékelése/kiiktatása) Bázisállomás-vezérlő (BSC) egy vagy több BTS-t vezérel rádiócsatorna-hozzárendelés hívásátadás-vezérlés 9 Mobil állomás MS Mobile Station Előfizetőt azonosító modul ( SIM kártya ) (SIM Subscriber Identity Module) Azonosítók tárolása Autentikáció Előfizetői adatok tárolása 10 Page 5

6 Azonosítók a GSM-ben IMSI: International Mobile Subscriber Identity nemzetközi mobil előfizető azonosító a GSM hálózatokban ez azonosítja az előfizetőt: az adatbázisok ezzel vannak indexelve, a SIM kártyához van rendelve IMSI = mobil országkód (Mo.: 216) + mobil hálózati kód (Mo.:01/30/70) + 10 jegyű mobil előfizető azonosító szám, egyedi a világon szolgáltatóváltásnál az MSISDN maradhat, de a SIM kártyát és ezzel együtt az IMSI-t cserélni kell MSISDN: Mobile Station ISDN Number mobil állomás ISDN száma a jól ismert mobil telefonszám MSISDN = országkód (Mo.: 36) + hálózatkijelölő szám (Mo:20/30/70) + előfizetői szám, egyedi a világon 11 Azonosítók a GSM-ben MSRN: Mobile Station Roaming Number barangoló szám egy -hez tartozó helyi címtartományba tartozó telefonszám, amit az ott tartózkodó GSM készülék ideiglenesen használ a felhasználó számára transzparens, nem látszik ez teszi lehetővé, hogy a szám utaljon a földrajzi helyre: ebből a számból már tudni, hogy merre kell keresni az adott készüléket, ha felhívja valaki TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity ideiglenes mobil előfizető azonosító hogy az IMSI lehetőleg ne kerüljön ki a rádió interfészre IMEI: International Mobile Equipment Identity nemzetközi mobilkészülék-azonosító 12 Page 6

7 Biztonsági kérdések Autentikáció (hitelesítés Authentication) Az előfizető kilétének ellenőrzése Titkosítás ( sifrírozás Ciphering) A beszéd és az érzékeny adatokat tartalmazó jelzések titkosítása. IMEI ellenőrzés A készülék azonosítása Személyiségi jogok biztosítása (User Confidentiality) Tarifaszerkezet hívott: joga van, hogy a helye ne derüljön ki indirekt módon sem (fizetett díjból tudom, hogy saját hálózatban van-e) hívó: joga van előre tudni a hívás körülbelüli díját TMSI használata IMSI helyett Hívó fizeti Hívott fizeti Hívó tartózkodási hálózata 13 Hívott honos hálózata Hívott tartózkodási hálózata Autentikáció - Titkosítás Probléma: a rádió interfészen nyilvános azonosító használatával bárki, bárki más nevében bejelentkezhet és a bárki más fizet A hálózatnak ellenőriznie kell a személyazonosságot Titkos azonosító kell! Ez NEM kerülhet ki soha a hálózatba, különösen nem a rádió interfészre 14 Page 7

8 Autentikáció - Titkosítás Gyártó: Minden SIM kártyához generál egy egyedi, 128 bites (jó hosszú!) titkos kulcsot K i Individual Subscriber Key egyéni előfizetői kulcs ezt off line módon (papír, floppy, ) eljuttatja a SIM kártyát megvásároló szolgáltatónak az tárolja az autentikációs központjában (AuC): IMSI - K i 15 SIM Autentikáció elv AuC K i K i IMSI K c A8 A3 SRES RAND A3 SRES A8 K c SRES azonos? beszéd sifrírozás K c alapján A5 beszéd desifrírozás K c alapján A5 RAND: Random Number (véletlen szám) SRES: Signed Result (aláírás) Kc: Ciphering Key (sifrírozó kulcs) TÚL NAGY JELZÉSFORGALMAT IGÉNYELNE! VONJUK BE A KISZOLGÁLÓ MSC - t is! 16 Page 8

9 Autentikáció gyakorlati megvalósítás SIM MSC/ AuC K i regisztrál bejelentés (IMSI) K i bejelentkezik RAND SRES 5 db autentikációs triplet { RAND, SRES, K C } egyezik? BTS KC sifrírozott beszéd 17 Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás 1. eset A hívott MSC-je saját hálózatban! GSM Network HLR GMSC MSC (hívott) MSC (Hívó) 18 Page 9

10 Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás 2. eset A hívott MSC-je más hálózatban! GSM Network HLR GMSC MSC (hívott) MSC (Hívó) 19 PSTN/PLMN felől érkező hívások PLMN/PSTN GMSC MSISDN GSM Network PSTN a tárcsázott MSISDN alapján a hívott honos PLMN GMSC-jéhez irányítja a hívást A hívás további felépítését a GMSC fogja vezérelni Hasonló a helyzet, ha a hívás a PSTN helyett egy másik PLMN-ből érkezik 20 Page 10

11 Hívásátadás (Handover) A mobil készülék körzetváltása (handover) A mobil készülék mozog a hálózatban, figyeli a vezérlő csatornákat, ráhangolódik a legerősebb jelű csatornára, az új helyi körzet (LA) közli a hálózattal a mobil készülék új tartózkodási helyét 21 Hívásátadás (Handover) Forgalmi ok miatti hívásátadás Ha egy cella kihasználtsága közel van a maximumhoz, akkor a cella szélén levő mobil állomások átadhatók a szomszédos, kisebb forgalmú celláknak Az MSC kezdeményezi az eljárást Jelminőség és jelerősség miatti hívásátadás Ha egy MS mozog egy hívás során, akkor lehetséges, hogy egyik cellából átmegy egy másikba Az előző cella rádió erőforrásait már nem tudja használni Ilyenkor az MS-t átadják az új cellának Az MS érzékeli, hogy hívásátadásra van szükség, de a döntést a BSC hozza meg 22 Page 11

12 SMS (Short Message Service) Jelzéshálózati szolgáltatás (nem használja a beszédáramköröket) Datagram szolgáltatás: nincs közvetlen kapcsolat a feladó és a címzett között, csak az SMSC-n (SMS Centre) keresztül Két független SMS küldési szolgáltatás MO (Mobile Originated) SMS: feladó -> (honos szolgáltató) SMSC MT (Mobile Terminated) SMS: SMSC -> címzett Nem garantált szolgáltatás 1. Send routing info for SM HLR SMSC SMSC SMSC MSC Forward_SM _SM (SMS továbbítása) GSM (GPRS) Network GSM (GPRS) Network 2. Forward_SM (SMS továbbítása) 23 GSM RÁDIÓS HOZZÁFÉRÉS Frekvenciahasználat Frekvenciák: MHz (GSM) / MHz (DCS) felfelé MHz (GSM) / MHz (DCS) lefelé Sávszélesség: 25 MHz (GSM) / 75 MHz (DCS) Vivőtávolság: 200 khz Rádiócsatornák száma: 125 (GSM) / 375 (DCS) Csatornasebesség: 270,833 kbps (8 beszédcsatorna egyben) Beszédcsatornák száma: 1000 (GSM), 3000 (DCS) A rádiós kapcsolat (link) Többszörös hozzáférés: FDMA/TDMA FDMA: Frequency Division Multiple Access TDMA: Time Division Multiple Access 24 Page 12

13 FDMA - Frequency Division Multiple Access Frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés Az első generációs (pl. NMT) rendszerben használták Egy-egy cellán belül minden felhasználóhoz külön frekvenciát rendelnek Folyamatos az átvitel mindkét irányban Kis vivő sávszélesség szükséges Nincs időbeli szinkronizáció 25 TDMA - Time Division Multiple Access Időosztásos többszörös hozzáférés Az egyes vivőfrekvenciákat (csatorna) adott számú felhasználó közösen használja időben megosztva (időrés time slot) A felhasználók szempontjából az átvitel mindkét irányban szakaszos Nagyobb vivősávszélesség szükséges Az átvitelt időben szinkronizálni kell 26 Page 13

14 FDMA - TDMA ÁTVITEL Frekvencia Jelszint [db] f3 f2 f1 27 GPRS hálózatok felépítése GPRS - General Packet Radio Services A MSC HLR BTS... BTS B S C T R A U P C U G s G r G c SGSN GGSN PDN MS CG SGSN BG BG Másik PLMN 28 Page 14

15 GPRS hálózati elemek GGSN: Gateway GPRS Support Node GPRS átjáró csomópont PDN (Packet Data Network) felé való kapcsolat SGSN: Serving GPRS Support Node GPRS kiszolgáló csomópont csomagkapcsoló (packet switch) titkosítás 2. rétegben mobilitás menedzselés (kb. funkció) hogy ezt jelenthesse a HLR felé G r IF opcionális G s IF a felé nem kell külön a GPRS-hez és a GSM-hez is bejelentkezni CG: Charging Gateway számlázást végző egység SGSN: GPRS használat költsége GGSN: külső PDN használat költsége BG: Border Gateway határkapu más szolgáltató GPRS hálózatához való kapcsolódás 29 UMTS (3G) RÁDIÓS HOZZÁFÉRÉS Universal Mobile Telecommunications System Frekvenciák: MHz felfelé MHz lefelé (ebből műholdas: MHz fel, MHz le) Közeghozzáférés: CDMA (Code Division Multiple Access), kódosztásos többszörös hozzáférés Ugyanaz a frekvencia, ugyanaz az idő, más a kód Minden jel szétkenve a teljes spektrumra, de kisebb teljesítménnyel Cél: jobb spektrumkihasználtság P (teljesítmény) koncentrált spektrum szórt spektrum f 30 Page 15

16 CDMA - Code Division Multiple Access Kódosztásos többszörös hozzáférés A 3. generációs (pl. UMTS) rendszerben használják Egy-egy cellán belül minden felhasználóhoz külön kódot rendelnek Folyamatos az átvitel mindkét irányban Nagy vivő sávszélesség szükséges Az átvitelt időben szinkronizálni kell 31 A KÓDOSZTÁS ELVE Működés: a digitális jelet összeszorozzuk egy ún. szórókóddal (spreading code), és ezt sugározzuk ki a szorzás pontosabban: NOT(XOR(bit1,bit2)) a kisugárzott jel hozzáadódik a többi adó által kisugárzotthoz A szórókód bitsebessége (chiprate) sokkal (kb. 100x) nagyobb A szórókódok ortogonálisak, azaz egy bitidőre átlagolva két szórókód szorzatára nullát kapunk 32 Page 16