INFOKOMMUNIKÁCIÓS RENDSZEREK MENEDZSMENTJE MOBIL KOMMUNIKÁCIÓ Dr. Babarczi Péter egyetemi adjunktus BME Távközlési és Médiainformatikai Tanszék MTA-BME Lendület Jövő Internet Kutatócsoport 2 MOBIL TELEFON HÁLÓZATOK ÉS SZOLGÁLTATÁSOK
3 A szolgáltatások egyre inkább mobillá válnak Mobil szolgáltatások Alapszolgáltatások Alapszolgáltatások A mobil hálózatok alapszolgáltatása a beszéd és az sms, a rövid üzenet szolgáltatás (short message service). További szolgáltatás az mms, a multimédiás üzenet szolgáltatás (multimedia message service). Mobil Internet Szélessávú hozzáférés e-mail-ek fogadása és küldése Web-használat Mobil fizetés Szolgáltatások igénybevétele, pl. mobil parkolás, autópálya matrica megvásárlása. Emeltdíjas hívószámok segítségével adományok eljuttatása árvíz- és viharkárosultaknak. Internetes fizetések jóváhagyása céljából a bank SMS-ben kódot küld a felhasználóknak. 4
Mobil szolgáltatások Üzleti megoldások Vállalati megoldások Flottakedvezmények, havi adott összegű költség fejében egymás között ingyen beszélgethetnek. Mobil iroda : egy vállalat vagy intézmény munkatársai mobil Interneten keresztül bárhonnan hozzáférhessenek a cég központi szerverén tárolt információkhoz, adatbázisokhoz. Hely-alapú szolgáltatások Egyre több mobil eszközbe, tabletbe, mobil telefonokba épül be GPS a navigációs szolgáltatásokhoz A mobil hálózatok is adott több 10 vagy 100 m-es pontossággal meg tudják határozni a mobil készülék helyét A hely, a település, városrész neve alapján tájékoztatást kaphatunk az adott hely történetéről, nevezetességeiről. Megtudhatjuk, hol van legközelebb benzinkút, orvosi rendelő, étterem, szálláshely, kocsma. 5 Mobil szolgáltatások Társadalmi hasznosulás Oktatás Kérhetünk mobil Interneten keresztüli nyelvi segítséget, pl. szótárakat mobil hálózati kapcsolat alapján, fordító alkalmazások. A távoktatási anyagok laptopon használhatók hatékonyan. A mobilitás biztosítja azt, hogy bárhol, bármikor foglalkozzon a tanuló a mobil Interneten keresztül elérhető tananyaggal. Egészségügy Az egészségügyi alkalmazásoknál igen fontos kritérium a betegek személyes információinak, kifejezetten az egészségügyi információknak a szigorú védelme. Az Interneten, védett átvitel alkalmazásával, az adatok átkerülhetnek az egészségügyi intézményekhez, amelyek éppen a beteg kivizsgálásával, kezelésével foglalkoznak Számos beteg, ill. idős ember esetében rendszeres pulzus, vérnyomás, ill. cukorszint stb. mérési adatok automatikusan elküldésre kerülhetnek az illetékes orvoshoz. 6
7 Mobil/vezetéknélküli jövőkép Az Internet fontos része lesz az Internet of Things. Környezetünk tele lesz IP által elérhető eszközökkel, érzékelőkkel, beavatkozó szervekkel. 2020-ra kb. 50 milliárd kapcsolat lesz a hálózaton. 8 Mobil 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 (890-960 MHz) és a 1800 MHz-es sávot (1710-1880 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 (1900-1980 MHz), a 2000 MHz-es (2010-2025 MHz) és a 2100 MHz-es (2110-2170 MHz) sávokban működik. Magyarországon 2006-ban indult el a 3G szolgáltatás. 4. generációs digitális mobil rendszerek pl. LTE (Long Term Evolution) szabványosítása, bevezetése megtörtént, Magyarországon is. 5. generációs digitális mobil rendszerek Átfogó hálózati koncepció (nem csak a rádiós interfészen), 2020-ra
9 Mobil adatkommunikáció fejlődése 1 Gbps 100 Mbps Sávszélesség GSM - Global System for Mobile communication GPRS - General Packet Radio Services EDGE - Enhanced Data (rate for the) GSM Evolution UMTS - Universal Mobile Telecommunications System HSPA+ - High Speed Packet Access Plus LTE - Long Term Evolution LTE Advanced - 4G LTE LTE Advanced 1 Gbps LTE 100 Mbps 50 Mbps 2 Mbps 384 kbps 56 kbps 14,4 kbps GSM 14,4 kbps GPRS 114 kbps EDGE 384 kbps UMTS 2 Mbps HSPA+ 28 Mbps 2G 2,5G 3G 3,5G 3,9G 4G Technológia Mobil hálózatok Rendszerek/technológiák együttműködése Világszerte eltérő rendszerek alakultak ki De mára már a legtöbb készülék bármely országban tud csatlakozni 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, 3G és 4G párhuzamosan működik (többnormás készülékek) 10
11 GSM (2G) MOBIL HÁLÓZATOK Hálózati architektúra Azonosítók Adatátvitel (GPRS) 12 GSM (2G) mobil hálózatok felépítése A szomszédos cellák által használt frekvenciák különböző A cellák mérete függ: Földrajzi viszonyok Alkalmazott technológia Forgalom Bázisállomás magassága Hálózati alapegység egy-egy antenna vételi körzete (cella)
13 GSM (2G) mobil hálózati elemek Bázisállomás alrendszer (BSS - Base Station Subsystem) Hálózati és kapcsoló alrendszer (NSS- Network & Switching Subsystem) NSS HLR B T S BSC BSS T R A U MSC VLR AuC EIR MS Mobil készülék (Mobile Station) MSC VLR PSTN / ISDN GMSC más PLMN SMSC 14 Mobil készülék SIM: előfizetőt azonosító modul ( SIM kártya, Subscriber Identity Module) Azonosítók tárolása (IMSI, titkos kulcs) Előfizetői adatok tárolása Autentikáció (az előfizető kilétének ellenőrzése) Titkosítás (a beszéd és a jelzések titkosítása)
15 Bázisállomás-alrendszer BTS: Bázisállomás egy vagy több elemi adó/vevő (Base Transciever Station) TRAU: Átkódoló és sebességillesztő egység (Transcoder and Rate Adapter Unit) Beszédátvitel esetén 13 (5,6) kbit/s kodek 64 kbit/s PCM Adatátvitelnél is sebesség illesztés: kisebb sebességek (pl. 14.4 kbit/s) 64 kbit/s (felesleges bitek beékelése/kiiktatása) BSC: Bázisállomás-vezérlő (Base Station Controller) egy vagy több BTS-t vezérel rádiócsatorna-hozzárendelés hívásátadás-vezérlés 16 Hálózati és kapcsoló alrendszer Adatbázisok HLR: honos előfizetői helyregiszter (Home Location Register) egy HLR hálózatonként előfizetőre vonatkozó adatok, szolgáltatási jogosultságok aktuális tartózkodási hely (MSC/VLR szinten) AuC: hitelesítő (autentikációs) központ (Authentication Centre) Általában a HLR-rel egybeépítve EIR: készülék azonosító regiszter (Equipment Identity Register) Fekete/fehér/szürke lista
17 Hálózati és kapcsoló alrendszer Kapcsolóközpontok MSC: mobil kapcsolóközpont (Mobile Switching Centre) hagyományos, digitális kapcsolóközpont mobil-specifikus bővítésekkel autentikáció helyzetnyilvántartás hívásátadás BSC-k között barangolás VLR: 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 18 Hálózati és kapcsoló alrendszer Speciális funkciójú kapcsolóközpontok GMSC: kapu MSC (Gateway MSC) Kapcsolattartás más hálózatokkal (PSTN/ISDN, ill. más PLMN) PLMN: Public Land Mobile Network (Nyilvános földi mobil hálózat) SMSC: SMS központ (Short Message Service Centre) Fogadja az elküldött SMS-eket Megpróbálja továbbítani a címzettnek
19 GSM (2G) hálózati azonosítók IMSI: nemzetközi mobil előfizető azonosító (International Mobile Subscriber Identity) 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 Szolgáltató váltásnál az MSISDN maradhat, de a SIM kártyát és ezzel együtt az IMSI-t cserélni kell MSISDN: mobil állomás ISDN száma (Mobile Station ISDN Number) a jól ismert mobil telefonszám MSISDN = országkód (Mo.: 36) + hálózatkijelölő szám (Mo:20/30/70) + előfizetői szám, egyedi a világon 20 GSM (2G) hálózati azonosítók MSRN: barangoló szám (Mobile Station Roaming Number) egy VLR-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: ideiglenes mobil előfizető azonosító (Temporary Mobile Subscriber Identity) hogy az IMSI lehetőleg ne kerüljön ki a rádiós interfészre IMEI: nemzetközi mobilkészülék-azonosító (International Mobile Equipment Identity)
GSM (2G) hívásfelépítés Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás (hívott MSc saját hálózatban) GSM hálózat 21 GMSC VLR HLR MSC (hívott) VLR VLR MSC (Hívó) 22 GSM (2G) hívásfelépítés Honos (saját) mobil hálózatból indított hívás (hívott MSc másik hálózatban) GSM hálózat GSM hálózat GMSC HLR VLR VLR VLR MSC (Hívó)
23 GSM (2G) hívásfelépítés PSTN/ másik PLMN felől érkező hívások 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 PLMN/PSTN GSM hálózat GMSC MSISDN VLR 24 Tarifaszerkezet Roaming Személyiségi jogok biztosítása (User Confidentiality) 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 Hívó fizeti Hívott fizeti Hívó tartózkodási hálózata Hívott honos hálózata Hívott tartózkodási hálózata
GSM (2G) SMS küldés Jelzéshálózati szolgáltatás (nem használja a beszédáramköröket) Nincs közvetlen kapcsolat a feladó és a címzett között, csak az SMSC-n keresztül Két független SMS küldési szolgáltatás Mobile Originated SMS: feladó -> (honos szolgáltató) SMSC Mobile Terminated SMS: SMSC -> címzett Nem garantált szolgáltatás GSM hálózat HLR 25 GSM hálózat SMSC SMSC MSC SMSC MSC GSM Forward _SM (SMS tov (SMS továbbítása) (SMS továbbítása) Adatkommunikáció 2G hálózatokban GPRS - General Packet Radio Services Azonos rádiós technológia/architektúra 2G-vel, a csomagkapcsolást megvalósító extra csomópontokkal MSC VLR HLR 26 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
27 GPRS hálózati csomópontok GGSN: GPRS átjáró csomópont (Gateway GPRS Support Node) PDN (Packet Data Network) felé való kapcsolat SGSN: GPRS kiszolgáló csomópont (Serving GPRS Support Node) csomagkapcsoló (packet switch) titkosítás 2. rétegben mobilitás menedzselés (kb. VLR funkció) nem kell külön a GPRS-hez és a GSM-hez is bejelentkezni CG: számlázást végző egység (Charging Gateway) SGSN: GPRS használat költsége GGSN: külső PDN használat költsége BG: határkapu (Border Gateway) más szolgáltató GPRS hálózatához való kapcsolódás 28 GSM (2G) RÁDIÓS INTERFÉSZ Autentikáció és titkosítás Hívásátadás Többszörös hozzáférés
29 Autentikáció és titkosítás A rádiós interfészen nyilvános azonosító használatával bárki, bárki más nevében bejelentkezhet A hálózatnak ellenőriznie kell a személyazonosságot, mert egyébként a bárki más fizet Titkos azonosító kell, ami NEM kerülhet ki soha a hálózatba, különösen nem a rádiós interfészre! A gyártó minden SIM kártyához generál egy egyedi, 128 bites (jó hosszú!) titkos kulcsot K i : egyéni előfizetői kulcs (Individual Subscriber Key) ezt off-line módon (pl.: papír) eljuttatja a SIM kártyát megvásároló szolgáltatónak a szolgáltató az előfizető előfizetői kulcs párokat (IMSI - K i ) tárolja az autentikációs központjában (AuC) Autentikáció és titkosítás Elv Túl nagy jelzésforgalmat igényelne, ezért gyakorlatban vonjuk be a kiszolgáló MSC-t is! SIM K i IMSI AuC K i 30 RAND SRES SRES K c SRES azonos? K c beszéd sifrírozás K c alapján beszéd desifrírozás K c alapján RAND: Random Number (véletlen szám) SRES: Signed Result (aláírás) K c : Ciphering Key (sifrírozó kulcs)
31 Autentikáció és titkosítás Gyakorlati megvalósítás SIM K i regisztrál MSC/VLR bejelentés (IMSI) AuC K i bejelentkezik RAND SRES 5 db autentikációs triplet { RAND, SRES, K C } egyezik? BTS Kc sifrírozott beszéd 32 Hívásátadás (Handover) A mobil készülék körzetváltása 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.
33 Hívásátadás (Handover) Körzetváltás okai 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 mobil készülék (MS) mozog egy hívás során, akkor lehetséges, hogy egyik cellából átmegy egy másikba Az előző cella rádiós erőforrásait már nem tudja használni Ilyenkor az mobil készüléket átadják az új cellának A mobil készülék érzékeli, hogy hívásátadásra van szükség, de a döntést a BSC hozza meg 34 Többszörös hozzáférés FDMA - Frequency Division Multiple Access Frekvenciaosztásos többszörös hozzáférés Az első generációs (1G NMT) rendszerben használták Egy-egy cellán belül minden felhasználóhoz külön frekvenciát rendelnek Folyamatos az átvitel mindkét irányban Kis vivő sávszélesség szükséges Nincs időbeli szinkronizáció
35 Többszörös hozzáférés TDMA - Time Division Multiple Access 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 36 Többszörös hozzáférés FDMA-TDMA átvitel Frekvencia Jelszint [db] f3 f2 f1
37 GSM (2G) rádiós hozzáférés Frekvenciák 890-915 MHz (GSM) / 1710-1785 MHz (DCS) felfelé 935-960 MHz (GSM) / 1805-1880 MHz (DCS) lefelé Sávszélesség: 25 MHz (GSM) / 75 MHz (DCS) Vivőtávolság: 200 khz Rádiócsatornák száma: 25000/200 = 125 (GSM) / 375 (DCS) Beszédcsatornák száma: 8 időrés*125 = 1000 (GSM), 3000 (DCS) Csatornasebesség: 270,833 kbps (8 beszédcsatorna egyben) Közeghozzáférés FDMA/TDMA (Frequency Division Multiple Access/Time Division Multiple Access) DCS - Digital Cellular System (GSM által használt frekvenciasáv) 38 UMTS (3G) MOBIL HÁLÓZATOK
39 UMTS (3G) architektúra Universal Mobile Telecommunications System Technológiailag teljesen új rádiós interfész GSM-hez képest Bázisállomások helyett Node B GERAN: GSM/EDGE Radio Access Network UTRAN: Universal Terrestrial Radio Access Network RNC: radio network controller 40 UMTS (3G) rádiós hozzáférés Universal Mobile Telecommunications System Frekvenciák 1885-2025 MHz felfelé, 2110-2200 MHz lefelé Közeghozzáférés: CDMA (Code Division Multiple Access), kódosztásos többszörös hozzáférés (cél: jobb spektrumkihasználtság) Ugyanaz a frekvencia, ugyanaz az idő, más a kód Minden jel szétkenve a teljes spektrumra, de kisebb teljesítménnyel P (teljesítmény) koncentrált spektrum szórt spektrum f
41 Többszörös hozzáférés CDMA - Code Division Multiple Access Kódosztásos többszörös hozzáférés A 3G 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 42 Többszörös hozzáférés CDMA 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
43 VEZETÉK NÉLKÜLI HOZZÁFÉRÉSI TECHNOLÓGIÁK 44 WLAN Vezetéknélküli helyi hálózat Wi-Fi (Wireless Fidelity, IEEE 802.11b szabvány) Frekvencia: 2,4 GHz, max. sebesség 11 Mbit/s, hatótávolság kb. 100 m ISM sáv engedélymentes: industrial, scientific, and medical Hot-spot -ok - szállodák, éttermek, konferenciatermek, repülőtér Laptopok, tabletek kapcsolódása az Internethez (beltéri megoldás) Wi-Fi+ továbbfejlesztés (IEEE 802.11n szabvány) Max. felhasználói sebesség 54 Mbit/s, összsebesség 600 Mbit/s HDTV, beszéd és adatkommunikáció egyidejűleg lehetséges Együttműködés a korábbi eszközökkel Linksys Wi-Fi router és Air Live vezetéknélküli hozzáférési pont
45 Fix vezeték nélküli hozzáférés Heterogén hozzáférési hálózatok egyre inkább elterjedtek WiMAX (IEEE 802.16a szabvány) Frekvencia: 2-11 GHz (pl. 3,5, 5,4, 5,8 GHz), max. sebesség 70 Mbit/s, hatótávolság: 32-56 km Alkalmas mikrohullámú gerinchálózat kiépítésére Lehetővé teszi városrészek, települések szélessávú ellátását Kombinálható a Wi-Fi-vel (épületig WiMAX, épületben Wi-Fi) 46 Műholdas távközlés Pályamagasság elvileg bármi, de légkörön kívül, illetve Van Allen sugárzási övek LEO - Low Earth Orbit, alacsony magasságú pálya Hubble, ISS (International Space Station) 400-1,500 km MEO - Medium Earth Orbit, közepes magasságú pálya GPS műholdak 5000-12,000 km GEO - Geostationary Earth Orbit, geostacionárius pálya Távközlési célok, műsor sugárzás 35,785 km a műhold szögsebessége egyezik a Föld forgási sebességével mindig az egyenlítő ugyanazon pontja felett látszik három, az egyenlítő felett elhelyezkedő műholddal elvileg a teljes Föld lefedhető nincs szükség az antennával követni a műholdat!