Tartalomjegyzék 1. Bevezető...2 2. A GSM rendszer és hálózat bemutatása...3 2.1. A GSM története...3 2.2. A GSM által nyújtott szolgáltatások...4 2.3. GSM hálózati architektúrája...6 2.3.1. Mobil Állomás...7 2.3.2. Bázis Állomás Alrendszer...8 2.3.3. Hálózati és Kapcsoló Alrendszer...8 2.4. Rádió kapcsolati szempontok...10 2.4.1. Csatorna struktúra...12 2.4.2. Csatorna kódolás és moduláció...13 2.4.3. Több utas (multipath) kiegyenlítődés...13 2.4.4. Frekvenciaugrás...14 2.4.5. Nem folytonos hangátvitel...14 2.4.6. Nem folytonos vétel...15 2.5. Hálózati nézőpontok...15 2.5.1. Helyszínfrissítés és hívás közvetítés...15 2.5.2. Hitelesítés és biztonság...16 2.6. Összegzés...18 I. Függelék - Egyes rövidítések jelentése ABC sorrendben...20 1
1. Bevezető Az alábbiakban a GSM rendszer kialakulásáról, szabványosításáról, és annak felépítéséről írok. Ez egy nagyon rövid összefoglaló ahhoz képest, hogy a GSM ajánlás egy 8000 oldalas dokumentum, de ezt részletesen taglalom. Szerény véleményem szerint, aki gyűjti a mobiltelefonokat, azokat érdekli maga a mobilhálózat, és annak működése is. Bízom benne, hogy miután elolvasta(d), érthetővé és átláthatóvá válik a GSM rendszer működése. Az ismertető végén egy függelék van, ahol olyan rövidítések találhatóak, melyek előfordulhatnak ebben a témában. A leírtak megbízható forrásokból származnak, pontosabban a szakdolgozatomból. 2
2. A GSM rendszer és hálózat bemutatása 2.1. A GSM története A mobiltelefonok kifejlesztése alapvetően azért indult útnak, hogy a telefon használója akármikor, akárhonnan kezdeményezhessen, és fogadhasson hívásokat, tehát a telefonálás feltétele ne függjön a felhasználó tartózkodási helyétől. Valamint olyan helyek elérése, ahol nincs vezetékes hálózat kiépítve. Az 1980-as évek elején az analóg celluláris telefon rendszereknél gyors növekedés volt tapasztalható, főleg Nyugat Európa fejlettebb országaiban, ugyanakkor az Amerikai Egyesült Államokban is, ott főleg az AT&T, később a Motorola. Ezek az országok sajátos rendszereket fejlesztettek ki, amik persze nem voltak kompatibilisek egymással. Ez azért volt kellemetlen, mert például egy Németországban fejlesztett eszközt nem lehetett használni másik országban, ugyanez vonatkozott az összes többi országban fejlesztett eszközre is. Ennek következtében nem volt nagy jövője a mobiltelefonoknak, hiszen csak országon belül voltak eladhatóak és használhatóak. Ebből következett, hogy a termelés megnövekedésből való költségmegtakarítás és a későbbi megtakarítások nem voltak megvalósíthatók. Az országok hamar felismerték ezt a problémát, és 1982 ben az CEPT (Conference of European Post and Telegraph) létrehozott egy fejlesztőkből álló csoportot, amit GSM (Groupe Spécial Mobile) nek neveztek el, hogy fejlesszenek egy szabványos rendszert. A tervezett rendszernek meg kellett felelnie bizonyos elvárásoknak: 1. Jó hangminőség 2. Alacsony kezelőfelület, és szolgáltatási költség 3. Nemzetközi roaming támogatása 4. Új szolgáltatások bevezetésének támogatása 5. Sávszélesség hatékony kihasználása és 6. ISDN kompatibilitás 1989 ben a GSM a feltételeiket eljuttatta az ETSI (European Telecommunication Standard Institute) hez, ami egy szabványosítással foglalkozó szervezet és a GSM specifikációjának első fázisát 1990 ben ismertették. A kereskedelmi szolgáltatás 1991 közepén indult és 1993 ra 36 GSM hálózat volt 22 országban, 25 további ország már fontolóra vette a GSM használatát. Ekkor már nem csak európai szabvány volt, hanem Dél Afrika, Ausztrália, valamint a közép és távol keleti országok is a GSM mellé álltak. 3
1994 elejére 1,3 millió előfizetője volt világszerte. A GSM betűszó innen kezdve: Global System for Mobile Telecommunication jelentéssel bír. A GSM fejlesztői egy digitális rendszer fejlesztését tették célkitűzésül, amit addig még nem használtak. Ez az eljárás, eltért az addig használt analóg szabványoktól, mint például az AMPS (Advanced Mobile Phone System) től az Egyesült Államokban, és a TACS (Total Acces Communation System) tól Nagy Britanniában. Ennek ellenére biztosak voltak abban, hogy az elvárások megvalósítását lehetővé teszik, és a digitális rendszer fejlődését elősegítik, az újabb és újabb tömörítési algoritmusok és digitális jelprocesszorok. Továbbá feltételezték, hogy a minőség is javulni fog, és a költségek csökkenni fognak. A GSM ajánlás egy 8000 oldalas dokumentáció, amiben további szabványok, azaz ajánlások találhatóak, például, hogy egy SMS maximum 160 karaktert tartalmazhat. Ezen ajánlások biztosítják a rendszer elemeinek a megfelelő együttműködését. Ezek a kritériumok valójában teljes egészében megadják az interfészek leírását, és minden egyes funkcionális tulajdonságát a rendszerben. 2.2 A GSM által nyújtott szolgáltatások Az ITU T (International Telecommunication Union) definíciói szerint a GSM két fő szolgáltatást nyújt, az egyik a hordozó szolgáltatás, a másik a távszolgáltatás. A hordozó szolgáltatás más néven széles sávú szolgáltatás, adatátvitelre használatos adatinterfészek között. Különböző adatátviteli sebességekkel lehet kommunikálni: 300bps, 600bps, 1200bps, 2400bps, és 9600bps mal. A távszolgáltatás jelenti azt, hogy két előfizető felhívja egymást. Első sorban a hangátvitel volt a kitűzött cél, majd sorra jöttek az egyéb kiegészítő szolgáltatások: SMS (Short Message Service), MMS (Multimedia Messaging Service ), hangposta, átirányítás, hívásvárakoztatás stb. A GSM tervezői úgy készítették el a szabványokat, hogy azok kompatibilisek legyenek az ISDN (Integrated Services Digital Network) el, tehát a szolgáltatásokat és a vezérlőjeleket ezen feltételek alapján dolgozták ki. Mivel a GSM digitális kommunikációra épül, képes szinkron és aszinkron adattovábbításra is egy ISDN terminálhoz vagy onnan fogadni adatot, ez, mint egy széles sávú szolgáltatásként működik. Az adatátvitelnél használhatunk átlátszó szolgáltatást, ami nem garantálja, hogy az adat sérülésmentesen érkezzen meg a címzetthez, ez az eljárás fix késleltetésű. Továbbá használható a nem 4
átlátszó szolgáltatás, ami egy ARQ (Automatic Repeat Request) mechanizmust használ, ez egy hibavédelmi rendszer, ami egy hibajelző kódot tartalmaz, ezt a kódot a vevő oldal értelmezi, és ez alapján dönti el, hogy a kapott adat sérült e. Ez az eljárás, változó késleltetéssel működik. Ahogy azt már említettem, hogy a GSM legalapvetőbb szolgáltatása a távszolgáltatás. Itt is, mint más kommunikációs hálózatban van vészhívó szolgáltatás. A nemzetközi vészhívó a 112, ami a legközelebbi vészhelyzet bejelentő központot kapcsolja. A mai napig úgy működnek a mobiltelefonok, hogy ha nincs benne SIM (Subscriber Identity Module) kártya, akkor is fel lehet hívni ezt a telefonszámot. A GSM nek van egy egyedi sajátossága a régi analóg rendszerekkel szemben, és az nem más, mint a már említett SMS szolgáltatás. Ez a szolgáltatás lehetővé teszi, hogy egy rövid szöveges, egészen pontosan 160 karakter terjedelmű üzenetet küldjünk. Az elküldött üzenetről jelentést kapunk válaszul, hogy a címzett megkapta azt. Ez a visszaigazolás nem minden esetben látható fizikailag, mert ezt az opciót ki lehet kapcsolni a mobiltelefon készülékeken, de mindenféleképp érkezik visszajelzés, ha sikeres volt a küldés, csak a felhasználó arról nem szerez tudomást. Az SMS küldéssel kapcsolatban gondok merültek fel a magyar karakterkészlet használatával, mivel az egy karakter megjelenítéséhez használatos nyolcbites ASCII karakterkészlet nem használható teljes egészében, tehát csak hét bitet lehet használni. A hétbites karakterkészlet nem tartalmaz ékezetes betűket, leginkább az angol ábécé betűi találhatók meg benne. Ezért volt régen az, hogy ha valaki küldött egy olyan SMS t, ami tartalmazott ékezetes betűket, azok ékezet nélkül jelentek meg a fogadó oldalon. Gyakorlatilag ez a jelenség úgy történt, hogy minden gond nélkül meglehetett írni az üzenetet ékezetekkel; a küldő úgy látja a saját telefonján, hogy minden rendben, de mire eljutott a fogadóhoz az üzenet már nem voltak ékezetek. Az SMS üzeneteket a SIM (Subscriber Identity Module) kártyán lehet tárolni, későbbi visszaolvasás céljából. Ma már vannak olyan direkt SMS szolgáltatások, amik a legfrissebb hírekről, vagy a legfrissebb forgalmi helyzetről adnak tájékoztatást. Az SMS szolgáltatáson kívül léteznek egyéb kiegészítő szolgáltatások is, amik a távszolgáltatáshoz, vagy a hordozó szolgáltatáshoz vannak hozzárendelve, mint például a hívó azonosítás, hívásvárakoztatás, hívástovábbítás, konferenciabeszélgetés, stb. 5
2.3. A GSM hálózat architektúrája A GSM hálózat, rengeteg funkcionális tulajdonság összességét foglalja magába. Ezeknek, a tulajdonságoknak a funkciói és interfészei, ahogy azt már említettem, előre definiáltak a GSM ajánlásban. A GSM hálózat több részre osztható szét. Az MS (Mobile Station), az előfizetői oldalon található, az MS t testesíti meg a mobiltelefon, vagy valamilyen GSM modul. A BSS (Base Station Subsystem) tartja fenn a rádiókapcsolatot az MS el. Végül az MSC (Mobile Switching Centre) feladata a mobil állomások (MS ek) közötti kapcsolat létrehozása, fenntartása, majd lebontása. Ezeken kívül van egy Működtetési és Üzemfelügyeleti Alrendszer, azaz OMC (Operational and Maintenance Centre), ami felügyeli a helyes működést és ellenőrzi a hálózat felépítését. A 1. ábra, ezen tagok kapcsolatát ábrázolja. A mobil állomás (MS) és a bázis állomás alrendszer (BSS) közötti interfész a levegő, ahol rádiókapcsolatot teremtenek egymás között. Az NSS (Network and Switching 1. ábra: GSM hálózati architektúra Subsystem), egy összetettebb rendszer, amiben megtalálható az MSC is, és ide csatlakozik hasonló módon a többi bázis állomás rendszer is. 6
2.3.1. Mobil Állomás Ahogy azt már említettem, hogy a mobil állomás (MS) az előfizetőnél található. Voltaképpen ez a mobiltelefon, ami egy rádiós adó vevő készülék, amiben található egy digitális jelprocesszor, egy kijelző, és ami még nagyon fontos, hogy legyen benne egy SIM (Subscriber Identity Module) kártya, ami az előfizetőt azonosítja. A SIM kártya teszi lehetővé azt, hogy a felhasználó elérje a GSM által nyújtott szolgáltatásokat. A SIM kártya működése független a használt terminál (mobiltelefon) típusától, kivéve, ha a készülék hálózati korláttal van ellátva, azaz csak egy fajta mobilszolgáltató által kiadott SIM kártyát fogad el, ezt hívják más néven kártyafüggő telefonnak. Ha nincs SIM a mobilkészülékben, akkor nem lehet hívásokat kezdeményezni és fogadni sem, de egy nemzetközi egyezménynek köszönhetően a 112 es segélyhívó számot ebben az esetben is fel lehet hívni. A mobilkészülék egyértelműen azonosítható az IMEI (International Mobile Equipment Identity) száma alapján. Ezt a számot a mobiltelefon minden bekapcsoláskor és minden hívás kezdeményezéskor és fogadáskor elküldi a hálózatnak, ellenőrzés céljából. Ezt az EIR (Equipment Identity Register) végzi, ahol négy különböző lista található: 1. Engedélyezett típusok 2. Ismeretlen típusok 3. Az itt lévő készülékek valamilyen ok miatt rosszul csatlakoznak a hálózatra, ezért megfigyelésre kerültek ide. 4. Fekete lista, ellopott vagy elveszett készülékek listája Ezekben, a listákban IMEI számok vannak. Hasonlóképpen a SIM kártyának is van egy azonosítója, amit IMSI (International Mobile Subscriber Identity) nek hívnak. Ez alapján szintén el lehet dönteni, hogy a kártya milyen állapotban van, azaz engedélyezett e, avagy letiltott állapotban van e. Továbbá meg lehet állapítani belőle, hogy melyik ország melyik hálózatának előfizetője jelentkezett be. A SIM kártyát lehet egy úgynevezett PIN (Personal Identification Number) kóddal védeni illetéktelen felhasználók ellen, ezt a kódot a felhasználónak kell beírnia a mobilkészülékbe bekapcsoláskor. 7
2.3.2. Bázis Állomás Alrendszer A Bázis Állomás Alrendszer (BSS), teremti meg a kapcsolatot a Mobil Állomás (MS) és a Hálózati és Kapcsoló Alrendszer (NSS) között, ahogy az jól látható a 2. ábrán, továbbá a csatornakódolást és dekódolást valósítja meg. A BSS két részre bontható, a BTS (Base Transceiver Station) re és a BSC (Base Station Controller) re. A Bázis Adó Vevő Állomás (BTS) egyrészt, közvetlen rádió kapcsolatban van a Mobil Állomással, másrészt itt található a rádióantenna is. Egy BTS kis területet fed le, az egyszerűség érdekében, például egy 2000 2. ábra: A Bázis Állomás fős faluban egy darab is elég. Ebből következik, hogy ha Alrendszer kapcsolatai egy szolgáltató az egész országot le akarja fedni, elég sok BTS re lesz szüksége. Emiatt elvárják, hogy könnyen kezelhető és megbízható legyen, plusz könnyű szállíthatóságot és alacsony árat követelnek a szolgáltatók. A Bázis Állomás Vezérlő (BSC) a rádiócsatorna felépítéséért, valamint a frekvenciaugrásokért felelős. A BSC biztosítja a kapcsolatot az MS és az NSS között. Az MS a BSC vel 13kb/s os rádiófrekvenciás csatornán kommunikálnak, ezt a BSC 64kb/s os csatornára fordítja, így az már ISDN kompatibilis lesz. A BSC re több MS is csatlakozhat egyszerre. 2.3.3 Hálózati és Kapcsoló Alrendszer 3. ábra: A Hálózati és Kapcsoló Alrendszer felépítése A Hálózati és Kapcsoló Alrendszer (NSS) felépítése a 3. ábrán található. A képen jól látható, hogy Mobilszolgáltatás Kapcsoló Center (MSC) a fő alkotó eleme a rendszernek. Az MSC végzi a mobil előfizetővel kapcsolatos műveleteket, például a regisztrációt, a hitelesítést, a hívásátirányítást 8
egy roaming előfizetőhöz, stb. Az NSS teremti meg a kapcsolatot a nyilvános fix hálózatokkal, ilyenek a PSTN (Public Switched Telephone Network) vagy az ISDN, és ezeknek továbbítja a jeleket. Eközben felhasználja az ITU T (International Telecommunation Ubion) SS7 (Signaling System 7) et az ISDN ben, ez egy széleskörűen használt jel a nyilvános hálózatokban. Az MSC a HLR (Home Location Register) és a VLR (Visitor Location Register) regiszterekkel közösen szolgáltatják a hívás útvonalát és a GSM nemzetközi roaming szolgáltatásait. A HLR ben tarthatóak nyilván az előfizetők, és ezekre, az előfizetőkre vonatkozó adatok, például előfizetési azonosító, az előfizetőnek járó szolgáltatások, a mobiltelefon pillanatnyi helye, stb. Pontosabban az előfizetési azonosító az AuC (Authentication Center) ben található. Ebből következik, hogy egy GSM hálózatban csak egy HLR re van szükség. Lehet több is, de akkor osztott adatbázist kell használni. A Látogató Hely Regiszter (VRL) ben csak bizonyos adatok vannak a HLR ből, amik feltétlen szükségesek a hívások vezérléséhez és az előfizetői szolgáltatások kielégítéséhez. Ha két mobiltelefon kapcsolatot akar teremteni egymással, és azok egy földrajzi helyen vannak, tehát közel egymáshoz, akkor a VRL működése lép életbe, ha nem egy földrajzi helyen vannak, akkor a HRL veszi át az irányítást. Fontos tudni azt is, hogy az MSC nem tartalmaz információt arról, hogy a mobil állomások (MS) hol tartózkodnak, ezek a helyi regiszterekben találhatóak. Az EIR (Equipment Identity Register) egy adatbázis, ami a hálózatban lévő összes MS t nyilvántartja az IMEI számuk alapján. Ha egy olyan mobil eszköz akar feljelentkezni a hálózatra, amit letiltattak, mert például ellopták, akkor annak a készüléknek az IMEI száma be van regisztrálva az EIR be, és az nem engedi csatlakozni. Az 4. ábra egy mobil hálózat logikai felépítését ábrázolja, amin jól látható, hogy egy BSC hez több BTS is csatlakozhat, és ezek a Bázis Adó Vevő Állomások le fedettségi területeit szabályos hatszögekkel szokás jelölni. 9
4. ábra: A mobil hálózat logikai felépítése 2.4 Rádió kapcsolati szempontok Az ITU (International Telecommunation Ubion) egy olyan szervezet, ami többek között a rádiófrekvencia sávok kiosztásával is foglalkozik. Lefoglalt egy frekvencia sávot az Európai mobil hálózatok számára. Ez a sáv a 890MHz és 960 MHz közötti tartományt foglalja magába, ami ezen túl még két részre lett bontva. A 890MHz től 915MHz ig terjedő tartomány a Mobilkészülék (MS) felől induló és a Bázis Állomás Alrendszer (BSS) be érkező, kommunikációra van fenntartva, röviden uplink. A 935MHz től 960MHz ig tartó frekvencia sáv pedig a Bázis Állomás Alrendszer felől induló és a Mobilkészülékbe érkező kommunikációra használatos, más néven downlink. Az 5. ábra jól szemlélteti az előbb leírtakat, és látható a később bevezetett 1800MHz es tartomány is, és az 1900MHz es is, az utóbbi tartományt az Egyesült Államokban használják. 5. ábra: Mobil frekvencia tartományok 10
Visszatérve 890 960MHz es tartományra, gond volt vele, mert az analóg rendszerek is használták. Amikor a 80 as években útnak indult a digitális kommunikáció a CEPT (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) lefoglalta minden frekvenciasávnak a felső 10MHz ét. Ezt azért tette, mert akkoriban még nem tudták, hogy melyik sávon fog működni a GSM, de ezzel biztosítottak helyet. Amikor fixálódott a GSM helye akkor már teljes egészében kihasználhatta a neki lefoglalt kétszer 25MHz es sávszélességet. Kérdés volt az, hogy hogyan lehet úgy felosztani ezt a sáv szélességet, hogy az egyre bővülő felhasználói kör optimálisan ki tudja azt használni egyidejűleg. Megoldás a TDMA (Time Division Multiple Access) és az FDMA (Frequency Division Multiple Access) kombinációja lett. A TDMA az időosztásos, többszörös hozzáférési technológia, a frekvencia hatékonyabb kihasználását teszi lehetővé. Az FDAM pedig tartalmazza a fentebb említett 25MHz es sávszélesség 124 darab 200kHz es frekvencia sávra való osztását. Ezeket a 200MHz es sávokat ossza fel a TDMA nyolc szeletre, ezeket a 6. ábra mutatja. Ezen frekvencia sávokból egy vagy több le van foglalva az egyes bázis állomások számára. 6. ábra: TDAM, FDMA működése Ennek köszönhetően sokkal hatékonyabb lett a kommunikáció, viszont ennek ára is volt, mégpedig az, hogy nem lehet egyidejűleg adni és venni. 11
2.4.1. Csatorna struktúra A legáltalánosabb idő osztásos adatköteg struktúra a 7. ábrán látható. 7. ábra: Idő osztásos adatköteg struktúra Az 7. ábrát alulról felfelé haladva értelmezem. Ahogy azt már említettem, hogy a TDMA a 200MHz es szeleteket további nyolc részre bontja, ezeket TMDA kereteknek nevezik, amik 4,615ms onként vannak továbbítva. Ezek multikeretekbe vannak csoportosítva, és minden multikeret, kap vezérlő jeleket is. Kétfajta multikeret van, a 26 darab TDMA keretet, és az 51 darab TDMA keretet tartalmazó. 24 darab forgalmi csatornát tartalmaz egy 26 keretes multikeret és további kettő darab SACCH (Slow Associated Control Chanel) vezérlő csatornát, ami ellenőrzésre szolgál. Ezen vezérlő keretek közül csak az egyik van használatban. Ezen a vezérlő csatornákon kívül vannak másmilyen vezérlő csatornák is, amik az 51 TDMA keretes multikeret nulladik időintervallumába vannak beletéve. Továbbá a multikeretekből szuperkeretek állnak össze. Egy szuperkeret 51 darab 26 TDMA keretes multikeretből, vagy 26 darab 51 TDMA keretes multikeretből alakul ki. Majd 2048 darab szuper keretből egy hiperkeret keletkezik, ami már 2 millió 715 ezer 648 darab TDMA keretet tartalmaz. 12
2.4.2. Csatornakódolás és moduláció Mivel az átviteli közeg a levegő, ki vagyunk téve különböző zavaró hatásoknak. Például a mobiltelefonos rendszerekben fehér Gauss zaj olyan statisztikus tulajdonságokkal rendelkező környezeti jelenség, mely az ideális rendszerekben zavaró hatásként jelenik meg. A fehér zaj olyan, hangtechnikában használatos véletlenszerű zaj, amire igaz az, hogy a teljes vizsgált frekvenciatartományban a hangnyomásszintje állandó. Ezen kívül még számtalan eszköz gerjeszthet interferenciákat, amik zavarhatják a csatornát. Ezen kívül az is fontos, hogy egy telefonbeszélgetést ne lehessen lehallgatni. A csatornakódolás a Bázis Állomás Alrendszer (BSS) ben zajlik. A rendszer konvolúciós kódolást használ, ami egy lineáris művelet, két függvényből állít elő egy harmadikat. Emellett blokkos besorolást is alkalmaz, ezzel a két eljárással ki lehet küszöbölni a zavaró tényezőket. A digitális adat kötegegeket modulálni kell analóg hordozó frekvenciára is, aminek a sávszélessége 200MHz. A moduláció egy olyan eljárás, amely egy szinuszos jelet úgy alakít ki, hogy az, képes legyen információ hordozására. A szinuszos jel három fő paraméterét módosíthatja: 1. az amplitúdóját 2. a fázisszögét 3. a frekvenciáját Ezen probléma megoldására a Gauss szűrőt választották (GMSK, Gaussian Minimum Shift Keying) a többi lehetséges modulációs sémák közül. Ezzel kiküszöbölték azt is, hogy a rádiófrekvenciás jelek ne lépjék át a megengedett sávszélességet. Ugyanis ha ez megtörténik akkor úgynevezett hamis jelet kapunk és a határos csatornák interferenciát okozhatnak. 2.4.3. Több utas (multipath) kiegyenlítődés Annak ellenére, hogy a csatorna, amin kommunikál a mobiltelefon (MS), a Bázis Állomás Alrendszer (BSS), és a Hálózati és Kapcsoló Alrendszer (NSS) kódolt, vannak zavaró jelek, főleg azon a frekvencián, amin a GSM kommunikál. Ugyanis ezek a jelek visszaverődnek, akár az épületekről, a hegyekről, vagy akárhonnan és összetalálkozhatnak egy antennával, ami érzékeli azokat. Emiatt kell használni a kiegyenlítődést, ami segítségével az antenna által fogott jelekből ki lehet nyerni a 13
hasznosakat. Ez a művelet úgy zajlik, hogy a küldő az elküldött jel gyengüléséből kikövetkezteti, hogy az, mennyire változott meg, és annak függvényében készít egy inverz szűrőt. E szűrő segítségével, a zavarral teli jelből ki tudja szűrni a neki küldött jel maradékát. Erre a problémára nem ad megoldást a 8000 oldalas GSM ajánlás. 2.4.4. Frekvenciaugrás Nagy szükség van frekvenciaugrásra, mert az, drasztikusan csökkenti az interferencia hatásait. Az a mobiltelefon, amelyik használja a frekvenciaugrást, nagy valószínűséggel, nem kerület hosszabb időre fading gödörbe, mint egy TDMA időrés ideje. Ez elég rövid időtartam ahhoz, hogy a GSM rendszerben alkalmazott beszédkódolás a keletkezett bit hibákat felismerje és kijavítsa. A fading gödör egy olyan jelenség, ahol a térerő legyengül egy rövid időre, majd újra jó lesz. Bevezették a lassú frekvenciaugrást, ami azt jelenti, hogy a mobiltelefon (MS) és a Bázis Adó Vevő Állomás (BTS) ugyanazt a TDMA keretet használják, csak más hordozó frekvencián. A frekvenciaugró algoritmus a BCCH (Broadcast Control Channel) n keresztül kerül szétszórásra. 2.4.5. Nem folytonos hangátvitel A nem folytonos hangátvitel, egy nagyon hasznos és energiatakarékos megoldás. A DTX (Discontinous Transmission) egy direkt erre kifejlesztett eljárás. A statisztikák azt mutatják, hogy egy átlagos ember, egy telefonbeszélgetés időtartamának, csak a 40% ában beszél, tehát ez azt jelenti, hogy az adó vevő t ki lehet kapcsolni azokra az időszakokra, amikor nem beszél senki. A DTX egyik legfontosabb alkotóeleme a hangdetektor, ami kapcsol, amint elkezd beszélni a felhasználó. Meg kell tudnia különböztetni az emberi hangot az egyéb háttérzajoktól, ami egy eléggé nehéz művelet. Ha a DTX az emberi hangot zajnak értelmezi, akkor az adó vevő kikapcsol, ami nagyon bosszantó tud lenni, ezt a jelenséget hívják hangnyírásnak. Előfordulhat az ellenkező eset is, amikor a zajt értelmezi hangnak, ebben az esetben csak sistergés hallható, ez drasztikusan csökkenti a DTX hatásfokát. Ahogy azt már említettem, hogy a DTX technológia csökkenti a rádiótelefon energiafogyasztását, és ennek következtében megnő a készenléti, és a beszéd időtartama. 14
A Bázis Állomás Alrendszernél (BSS) ez nem jelent javulást, kivéve abban az esetben, ha az, valami ok folytán akkumulátorról üzemel. A DTX egyik hátárnyaként megemlíteném, hogy érdekes módon bizonyos mássalhangzók, mint például a p, a t, és a k, érthetősége csökken. 2.4.6. Nem folytonos vétel Létezik egy másik eljárás, ami szintén a mobiltelefon energiafogyasztásának az optimalizálása érdekében fejlesztettek ki, és ez nem más, mint a nem folytonos vétel. Hasonló módom működik, mint ahogy az előzőekben le lett írva, a Nem folytonos hangátvitel címszó alatt, tehát a vétel sem folyamatos a mobilkészülékben. Ugyanis vannak periódus idők amikor ellenőrzi, hogy érkezett e felszólítás a BTS től, és ezen periódus idők között nem kell üzemelni, felesleges, ekkor az energiafogyasztás minimális. 2.5. Hálózati nézőpontok 2.5.1. Helyszínfrissítés és hívás közvetítés Mivel mobiltelefonról van szó, tehát mobil, ami azt jelenti, hogy akárhova magával viheti azt a felhasználó. Eközben folyamatosan tudnia kell a Mobilszolgáltatás Kapcsoló Center (MSC) nek a mobilkészülék pillanatnyi pozícióját, hogy hívás estén tudja, hogy hova kell közvetítenie, sőt azt is fel kell ismernie, hogy igénybe kell e vennie romaing szolgáltatást, ami azt jelenti, hogy a mobiltelefon másik országban van. 8. ábra: Bázis Adó Vevő Állomás cellák 15
A helyzetfrissítésre és a hívás közvetítésre vonatkozó információk a HLR, és a VLR regiszterekben találhatóak. Ahogy azt már említettem, hogy a lefedettségi területet szabályos hatszög alakú cellákra szokás felosztani, és minden cella közepén egy BTS található, ami jól látható a 8. ábrán. Ezekből a cellákból elég sok van, és ha egy telefon mindegyik cella átlépésekor helyszínfrissítést kér, akkor nagyon terhelő lenne a hálózatra való tekintettel. Ezért egy egyezmény alapján, cellacsoportokat hoztak létre, és csak akkor küld értesítést a mobiltelefon az MSC nek ha ezeket a határokat átlépi. A fenti ábrán ez az csoportosítás jól látható. Az volt a nagy kérdés, hogy a mobilkészülék, honnan tudja megállapítani, hogy mikor lépi át egy cellacsoport határát, belépve egy újabba. Erre az a megoldás, hogy minden cellacsoportnak van egy egyedi azonosítója, az LAI (Location Area Identity), és ezt kapja folyamatosan az MS. Ez a szám a SIM kártyán vagy tárolva, és ha a legutóbb kapott LAI szám eltér a SIM en találhatóval, akkor az felülíródik és a mobilkészülék tudja, hogy másik cellacsoportba került. Csak ebben az esetben értesíti a Mobilkészülék az MSC t helyzetfrissítés kérésével. Ekkor az MSC módosítja a HLR és VLR regisztereit az új értékekkel, és innen kezdve az MSC tudja, hogy a mobilkészülék éppen melyik cellacsoportban tartózkodik, tehát akármikor eltudja juttatni az egyik MS ből a másikba a híváskezdeményezést. Kis eltérés van abban az esetben, amikor egy fix vezetékes telefon hálózatból indul a hívás. Ekkor a hívás keresztül megy a vezetékes hálózaton és belép az NSS be, ahol az MSC és a hozzá tartozó HRL, illetve a VLR regiszterek találhatóak. A VLR felelős azért, hogy átalakítsa a telefonszámot, hogy az továbbhaladhasson a BSS be és onnan az MS be, azaz a mobilkészülékbe. 2.5.2. Hitelesítés és biztonság Az hitelesítésre és a biztonságra nagy hangsúlyt kel fektetni, hiszen a kommunikáció interfésze a levegő, amit akárki tud befolyásolni akarva akaratlanul. Hitelesíteni kell a SIM kártyát és a mobiltelefont is egyaránt. 9. ábra: Hálózati és Kapcsoló Alrendszer 16
A SIM kártyát azért, mert ekkor derül ki, hogy a felhasználónak milyen jogai vannak, továbbá az, hogy nem e illetéktelen hozzáférést akarnak létrehozni, stb. Ez úgy derül ki, hogy minden előfizetőnek van egy titkos kulcsa, ami a SIM kártyán és az AuC (Authentication Center) ben is megtalálható. Az AuC a HLR regiszterhez tartozik (9. ábra). Tehát a hitelesítés közben az AuC generál egy véletlen számot, amit elküld a mobilkészüléknek. Ezt a kódot és egy A3 nevű rejtjelező algoritmust felhasználva létrehoz egy számot, amit továbbit az AuC nek. Az AuC szintén kiszámol egy számot azzal az eljárással, amivel a mobilkészülék is csinálta, és ha a mobiltól kapott szám megegyezik az itt kiszámolt értékkel, akkor az előfizető azonosítása elfogadásra kerül. Ez a hitelesítés minden bekapcsoláskor és hívás felépítéskor megtörténik. Továbbá a SIM kártyát egy úgynevezett PIN kóddal (Personal Identification Number) is lehet védeni, ez az a négy számjegyből álló kód, amit a mobilkészülék kér bekapcsoláskor. A mobiltelefonok hitelesítéséről már említettem szót, minden készülék rendelkezik egy egyedi IMEI azonosítóval, mi az EIR ben van tárolva. Az EIR az NSS ben található (9. ábra). Az EIR nek van egy négy oszlopból álló adatbázisa (10. ábra), és amikor a mobilkészüléket bekapcsoljuk, akkor az elküldi az EIR nek az IMEI számát. Ekkor az eldönti, hogy melyik oszlopba tartozik és azt küldi vissza válaszul. Ebből az üzenetből 10. ábra: EIR felépítése megtudja a mobiltelefon, hogy felléphet e a hálózatra vagy nem, ha igen akkor milyen a státusza. Ha a kapott üzenet szövegében az áll, hogy: 1. fehér tételes, akkor az azt jelenti, hogy engedélyezve van a mobilkészülék, felléphet a hálózatara. 2. szürke tételes, akkor meghibásodás gyanúja miatt megfigyelés alatt áll a készülék, de ennek ellenére felléphet a hálózatra. 3. fekete tételes, akkor a telefon lopott vagy elvesztették, mert le van tiltva, nem léphet fel a hálózatra. 4. ismeretlen, akkor a készülék nincs regisztrálva és ezáltal nincs róla információ, tehát, nincs engedélye semmire. 17
2.6. Összegzés A GSM 8000 oldalas ajánlásához képest én csak 17 oldalban próbáltam összefoglalni a GSM rendszer működésének az alapjait, amiből rengeteg részlet hiányzik. Véleményem szerint ennek ellenére az itt leírtak alapján, meg lehet érteni a GSM működési elvét. 1980 ban, amikor útnak indult a digitális rádiófrekvenciás hálózatok fejlesztése, még senki nem hitte volna, hogy mára így kinövi magát a mobilitás világa. A statisztikák azt mutatják, hogy átlagosan egy embernek másfél darab mobiltelefonja van. Európában a 900Mhz es frekvenciáról mára átálltak az 1800MHz es frekvenciára. A GSM egy szabvány, amit világszerte használnak, esetleg annyiban térhetnek el egymástól a készülékek, hogy melyik frekvenciatartományban képesek működni, de a gyártók általában úgy készítik el az eszközeiket, hogy legalább a 900 1800 1900 MHz es tartományokban tudjanak üzemelni. Mára a mikrochip gyártók is beleintegrálják egyes termékeikbe a mobilkészülék főbb funkcióit a VLSI (Very Large-Scale Integration) technológia segítségével. Ezzel az alkatrészek kisebbek lettek és ennek köszönhetően a mobilkészülékek méretei is csökkentek, továbbá az energiafogyasztás is optimálisabb lett. Az 11. ábrán Martin Cooper látható, aki az első, kereskedelmi forgalomban kapható mobiltelefonnal hívást kezdeményezett 1983 ban az Egyesült Államokban. A képen jól látható, hogy a mobilkészülék, amit a kezében tart, elég termetes, ami persze akkoriban nem számított nagynak. Ahogy azt már említettem, hogy a VLSI nek köszönhető, hogy ma már sokkal 11. ábra: Martin Cooper, az első kereskedelmi kisebbek a mobiltelefonok. forgalomban kapható mobiltelefonnal A GSM elérhetővé tette azt, hogy akármikor, akárhonnan, bárkinek hívást lehessen kezdeményezni. 18
A GSM felhasználási területe folyamatosan bővül, ma már ezeket a rendszereket nemcsak emberek egymás közötti kommunikációjára használják, hanem egyes automatizálási területeken is megtalálhatóak. 19
I. Függelék - Egyes rövidítések jelentése ABC sorrendben AMPS Advanced Mobile Phone System, Haladó Mobil Telefon Rendszer ARQ Automatic Repeat Request, Önműködő Ismétlő Kérés: Hibavédelmi rendszer, amely hibajelző kódot alkalmaz az adatátviteli hibák vételoldali felismerésére. AuC Authentication Center, Hitelesítési Központ BCCH Broadcast Control Channel, Műsorszórásos Vezérlő Csatorna BSC Base Station Controller, Bázis Állomás Vezérlő BSS Base Station Subsystem, Bázis Állomás Alrendszer BTS Base Transceiver Station, Bázis Adó Vevő Állomás CCITT Comité Consultatif International Telegraphique et Telephonique, Nemzetközi Távíró és Távbeszélő Bizottság Szabványosítással foglalkozó szervezet: Régen az UIT nemzetközi tanácsadó bizottsága ma: az ITU TS ágazata. CEPT European Conference of Postal and Telecommunications Administrations Postai és Távközlési Igazgatások Európai Értekezlete. Már megszűnt európai, szabványosítással foglalkozó szervezet. DPDT Double Pole Double Throw, Kétpólusú kétáramkörös: Két, mechanikusan összekapcsolt egypólusú kétáramkörös kapcsoló. DTX Discontinous Transmission, Nem folytonos átvitel EIR Equipment Identity Register, Berendezés Azonosító Regiszter ETSI European Telecommunication Standard Institute, Szabványosítással Foglalkozó Európai Szervezet. FDMA Frequency Division Multiple Access, Frekvenciaosztásos Többszörös Hozzáférés GMSK Gaussian Minimum Shift Keying, GSM fázis moduációs eljárás GSM Global System for Mobile Communications régen Groupe Spécial Mobile HDLC High-Level Data Link Control Bitszervezésű szinkron keret formátum protokolja. HLR Home Location Register, Otthoni Hely Regiszter IMEI International Mobile Equipment Identity, Nemzetközi Mobil Berendezés Azonosító IMSI International Mobile Subscriber Identity, Nemzetközi Mobil Előfizető Azonosító: 20
A mobil előfizető nemzetközi azonosítója, amit a mobilkészülék bekapcsoláskor automatikusan elküld a hálózatnak, ez alapján tudja a rendszer megállapítani, hogy melyik ország melyik hálózatának előfizetője jelentkezett be. ISDN Integrated Services Digital Network, Integrált Szolgáltatású Digitális Hálózat ITU-T International Telecommunation Union: A ITU székhelye Genfben - van, a szervezet 1992 előtt International Telegraph and Telephone Consultative Committee (CCITT, a "Comité Consultatif International Téléphonique et Télégraphique" francia elnevezése alapján) néven volt ismert, a magyar elnevezése a Nemzetközi Távíró és Telefon (technikai) Konzultatív Bizottság volt. LAI Location Area Identity, Helyzet Azonosító LAPD Link Access Procedure /ISDN hálózatok adatkapcsolati protokolja. Alapja az ISO HDLC(Bitszervezésű szinkron keret formátum) protokolja. MIPS Million Instructions Per Second, Másodpercenként Egymillió Utasítás MMS Multimedia Messaging Service, Multimédiás Üzenetküldési Szolgáltatás MS Mobile Station, Mobil Állomás MSC Mobile Switching Centre, Mobilszolgáltatás Kapcsoló Központ NSS Network and Switching Subsystem, Hálózati és Kapcsoló Alrendszer OMC Operational and Maintenance Centre, Működtetési és Üzemfelügyeleti Központ PIN kód Personal Identification Number, Személyi Azonosító Szám: Egy 4 számjegyből álló titkos kód, amellyel különféle személyes jellegű szolgáltatásokat védenek. Legközismertebb alkalmazásai a folyószámlahozzáférés (bankkártyák) és mobiltelefon-használat korlátozása. PSTN, ISDN A PSTN (Public Switched Telephone Network) (áramkör, vonal) kapcsolt közcélú hálózat a legrégebbi, de részleteiben ma is használt távközlési technológiák egyike. A hálózat csomópontjait átviteli utakkal összekötött kapcsolóközpontok, végpontjait pedig előfizetői végberendezések (távbeszélőkészülékek) alkotják. Kezdetben a hálózat csak távbeszélő szolgáltatást biztosított (mely elnevezése a PSTN mellett a POTS Plain Old Telephone Services). Később a hálózati elemek cseréjével erre a hálózatra épült rá az ISDN (Integrated Services Digital Network integrált szolgálatú digitális hálózat). Az ISDN a digitális előfizetői csatlakozáson keresztül a beszéd mellett adatok, adatcsomagok, kép, fax és egyéb híranyagok átvitelét is lehetővé teszi, így minőségileg magasabb szolgáltatást nyújt az e 21
lőfizetőknek. Ezt a klasszikus szolgáltatásokat megvalósító hálózatot szokás ma "narrowband network" nek is hívni. SACCH Slow Associated Control Chanel, Lassan Kapcsolódó Vezérlő Csatorna SIM Subscriber Identity Module, Aláíró Azonosság Modul SMD Surface Mounted Device: Felületszerelt eszköz, vagyis olyan áramkör, amiben az egységeket közvetlenül a felületre szerelik, nem lábakon állnak, mint a régebbi technológiában. SMS Short Message Service, Rövid Szöveges Üzenet SS7 Signaling System 7, Jelzés Rendszer Szám 7, Közöscsatornás Jelzésrendszer 7 TACS Total Acces Communation System, Összes Elérés Hírközlési Rendszer TDMA Time Division Multiple Access : Az időosztásos, többszörös hozzáférési technológia (a CDMA-hoz hasonlóan) a frekvencia hatékonyabb kihasználását teszi lehetővé. A harmadik generációs mobilrendszerekben szabványosítás során ennek széles sávú változata (WTDMA) is felmerült, de végül a fejlesztők a széles sávú kódosztásos technológiát ( WCDMA) választották. TMSI Temporary Mobile Subscriber Identity: Az ideiglenes mobil előfizető azonosság. Minden előfizetőnek (SIM kártyának) van egy nemzetközi azonosítója, amit a mobilkészülék bekapcsoláskor automatikusan elküld a hálózatnak, ez alapján tudja a rendszer megállapítani, hogy melyik ország melyik hálózatának előfizetője jelentkezett be. Ha az előfizető éppen más (vendéglátó) szolgáltató hálózatában tartózkodik, akkor lekérdezi az eredeti szolgáltatótól az előfizető jogait, és az eredeti IMSI helyett látja el a TMSI vel. VLR Visitor Location Register, Látogató Hely Regiszter VLSI Very Large-Scale Integration, Nagyon Nagy Mértékű Integráció 22