Mobil távközlő rendszerek alapjai. A GSM rendszer

TERVEZET! Mobil távközlő rendszerek alapjai 3. rész A GSM rendszer dr Kolos Tibor Széchenyi István Egyetem GYÕR 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 1

Tartalom GSM története dióhéjban GSM ajánlások GSM hálózat felépítése Rádió interfész Fizikai és logikai csatornák GMSK moduláció 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 2

A GSM története 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 3

Előzmények Nyilvános mobil telefon szolgáltatás a 80-as években: 1G analóg cella rendszerű hálózatok (FDMA-FM) Az előfizetői szám gyors emelkedése Új igények Nem beszédtípusú szolgáltatásokra Hatékony titkosításra Európai roamingra Alacsony készülék- és szolgáltatás árakra Elhatározás egy új, európai, közös mobil telefon szabvány kidolgozására 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 4

A GSM története (1) 1982: a CEPT munkacsoportot alakít: Groupe Spécial Mobile GSM Az eldöntendő kérdés: az új rendszer továbbfejlesztett analóg, vagy új, digitális legyen? 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 5

A GSM története (2) 1987: az ajánlott rendszer sikeres bemutatója Párizsban 1987: egyezmény az új rendszer műszaki jellemzőiről digitális, keskenysávú TDMA csatorna hozzáférést biztosít, beszédkódolót alkalmaz 1987: GSM MoU 13 ország aláírja 1989: működőképes prototípus 1989: GSM munkacsoport az ETSI egyik bizottságává válik ETSI= European Telecommunications Standards Institute 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 6

A GSM története (3) 1982: A CEPT megalakítja a GSM munkacsoportot 1992: Kereskedelmi GSM szolgáltatás indul Európában 1993: A GSM rövidítés új kifejtése: Global System for Mobile Communications Gigantic Software Monster (!!!!!) or God has Sent Mobile) 1993: Első DCS (GSM) 1800 rendszer 1993: Konferencia a GSM fejlődéséről az UMTS felé 1994: GSM rendszer indulása Magyarországon (2 szolgáltatóval: Westel 900 + Pannon GSM) 2006 Q2: ~2000 Millió GSM előfizető a világon!!! 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 7

GSM ajánlások 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 8

Szabványosítási munka ETSI European Telecommunications Standards Institute Független, nonprofit szervezet Feladata: szabványok létrehozása a jelen és a jövő távközlő rendszerei számára Szabványok ingyenes letöltése: http://etsi.org 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 9

GSM ajánlások (1) GSM specifikációk csak hálózati funkciókat írnak le! GSM 01 GSM 05 GSM 06 GSM 12 Általános leírás (tartalom!) A rádiós útvonal fizikai rétege Beszédkódolás Üzemfenntartás 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 10

GSM ajánlások (2) Példa: ETSI TS 101 622 V6.0.1 (2001-02) Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); General description of a GSM Public Land Mobile Network (PLMN) GSM 01.02 version 6.0.1 Release 1997 Letölthető: www.etsi.com 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 11

GSM működési követelményei Jó minőségű beszédátvitel; Nagy spektrumhatékonyság; Önálló, de együttműködő rendszerek különböző országokban (szabványosítás!); Rendszerek közötti roaming; Integrálódás az ISDN-el; Titkosság; További távközlési lehetőségek (SMS, fax., adatátvitel.); Alacsony ár. 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 12

GSM szolgáltatások (1) Alapszolgáltatások (Basic Services): Hordozó szolgáltatások (Bearer Services) aszinkron adatátvitel, szinkron adatátvitel, csomagkapcsolt hozzáférés Távszolgáltatások (Teleservices) Telefónia (beszédátvitel), vészhívás, SMS, Telefax Kiegészítő szolgáltatások (Supplementary Services) Hívásátirányítás, hívásvárakoztatás, konferencia beszélgetés, stb, 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 13

GSM szolgáltatások (2) TE GSM PLMN Transmit network Terminating network TE Bearer services Teleservices TE = Terminal Equipment 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 14

A GSM rendszer felépítése 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 15

Air A GSM rendszer felépítése (1) Abis A PSTN ISDN PDN MS BSS OMSS SMSS 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 16

GSM hálózat alrendszerei (1) Mobil állomások (Mobile Stations (MS)) Bázisállomási alrendszer (Base Station System (BSS)) Az OSI fizikai réteg funkcióit valósítja meg Forgalmi csatornák Jelzésátviteli csatornák 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 17

GSM hálózat alrendszerei (2) Kapcsoló alrendszer (Switching and Management Subsystem (SMSS) Jelzésátvieli protokollok menedzselése, az alábbi célokra: Hívások felépítése és bontása Mobilitás menedzselése 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 18

GSM hálózat alrendszerei (3) Üzemfenntartási alrendszer (Operation and Maintenance Subsystem (OMSS)) Funkciói Titkosítás (!?!) Távfelügyelet, távellenőrzés Minőség-ellenőrzés, számlázás 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 19

Emlékeztető! A GSM rendszer felépítése (1) Um Abis A PSTN ISDN PDN MS BSS OMSS SMSS 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 20

Mobil állomás (MS) SIM kártya Subscriber Identity Module (SIM) Mobil készülék Mobile Equipment (ME) + = MS ME SIM 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 21

Um A GSM rendszer felépítése (2) Abis A PSTN ISDN PDN BSC BSC. BSC MS BTS-s BSS SMSS OMSS 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 22

Bázisállomási alrendszer (BSS) Feladata: A mobil állomásokkal való kommunikáció Helye: az MSC és mobil állomás (MS) között Interfészek: A és U m (Air-, Radio-, LAPDm interface) Berendezései: Bázisállomás vezérlő (Base Station Controller (BSC)) Feladata: a bázisállomások (BTS-ek) vezérlése Bázisállomás (Base Transceiver Station (BTS)) Feladata: RF kapcsolat >>TRX [+ Transcoder (TC) (!!!)] 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 23

MS Um A GSM rendszer felépítése (3) BTS-s Abis BSC BSC. BSC BSS A EIR MSC MSC GCR VLR HLR AUC VLR SMSS PSTN ISDN PDN OMSS 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 24

Kapcsoló alrendszer (SMSS) (1) Mobil szolgáltatás kapcsoló központja Mobile-service Switching Centre (MSC) Kapcsolás Mobil specifikus eljárások (helyzetadat frissítés, stb.) Más hálózatokkal való együttműködés (IWF) 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 25

Kapcsoló alrendszer (SMSS) (2) Regiszterek Honos regiszter (Home Location Register (HLR)) Látogató regiszter (Visitor Location Register (VLR)) Csoporthívás regiszter (Group Call Register (GCR)) Jogosultság ellenőrző (Authentication Centre (AUC)) Készülék azonosító (Equipment Identity Register (EIR)) OMSS 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 26

Air MS A GSM rendszer felépítése (4) BTS-s Abis BSC BSC. BSC BSS A EIR MSC MSC GCR VLR HLR AUC VLR SMSS PSTN ISDN PDN OMSS 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 27

Üzemfenntartási alrendszer (OMSS) Jogosultság ellenőrző (AUC) Készülék azonosító (EIR) Üzemfenntartási központ (OMC) Adminisztrativ funkciói: Előfizetők, terminálok nyilvántartása,, Számlázás, statisztikák készítése Titkosítás menedzselése Minőség ellenőrzés Üzemeltetés MSC 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 28

Rádió interfész 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 29

U m interfész specifikációi GSM műszaki specifikációk: GSM 05.05 3GPP TS 05.05 version 8.14.0 Release 1999 ETSI TS 100 910 V8.14.0 (2002-09) www.etsi.org (ingyenes letöltés!) 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 30

GSM frekvencia kiosztás 2.5G EDGE: 270ksymbols/s (1 symbol = 3 bits) 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 31

GSM frekvencia sávok,, ARFCN (1) ARFCN = Absolute Radio Frequency Channel Number 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 32

GSM frekvencia sávok,, ARFCN (2) Csatorna távolság: 200 khz 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 33

Többszörös csatorna hozzáférés BTS 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 34 Abis

TDMA-FDMA hozzáférés 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 35

TDMA időrés időrések 577µs => 156.25 bit 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 Az időrések tartalma 4.6 ms Normál burst Frekvencia korrekciós burst (Frequency correction burst) Szinkronizációs burst (Synchronisation burst) Hozzáférési burst (Access burst) (Dummy burst) 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 36

GSM normál l burst Tail: 2 x 3 tail bit (3-szor 0), a burst elejét és végét jelzik D57 + S: 2 x 58 info bit, titkosított információt tartalmaz 2 x 1 stealing bit, jelzi, ha az 57 bit nem forgalmi info TSC: 1 x 26 training bits, 8 jól ismert bitsorozat egyike G: 1 x 8.25 guard period, adó lekapcsolva 8.25 bit időre 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 37

TX teljesítmény maszk 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 38

TDMA keret struktúra 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 39

Adás és vétel Bázisállomás: TX (f 1 ) RX (f 2 ) TX f 1 7 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 TX 0 1 2 3 4 5 6 7 0 f 1 d u p l e x Mobil állomás: 7 RX f 2 Mon. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 f 2 2007 tavaszi félév f 1 Mobil távközlő rendszerek (TA57) 40 TX RX f 2 *Without Timing advance!!!!

Késleltetés hatása BTS ad (f1) Δ 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 Δ MS vesz 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 MS ad (f2) BTS vesz 2Δ késleltetéssel 7 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0? Δ??? 0 1 2 3 4 5 6 7 0??? 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 41

Timing Advance (1) BTS ad (f1) Δ 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 Δ MS vesz 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 2Δ MS ad (f2) 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 Δ BTS vesz 2Δ késleltetéssel 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 TA értéket a BSC adja! 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 42

Timing Advance (2) Timing Advance: 0 Ł TA Ł 63 Mobil BTS távolság: TA 550 m < D < (TA +1) 550 m Cellaméret maximuma GSM hálózatban: (63 + 1) 550 35 km 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 43

Fizikai és logikai csatornák 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 44

GSM csatorna koncepció Fizikai csatorna TDMA időrés benne adott típusú burst Logikai csatorna az időrés tartalma Forgalmi csatornák Vezérlő csatornák 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 45

Logikai csatornák (1) LOGICAL CHANNELS UPLINK DOWNLINK COMMON CHANNELS DEDICATED CHANNELS BROADCAST CH COMMON CONTROL CH DEDICATED CONTROL CH TRAFFIC CH FCCH SCH BCCH TCH/F TCH/H TCH/EFR PCH RACH AGCH FACCH SACCH SDCCH 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 46

Logikai csatornák (2) Broadcast Channels FCCH (Frequency Correction Channel) frequency correction burst fixed sequence of zeros (00000) SCH (Sychronisation Channel) synchronization burst time synchronization for mobile, BSIC (Base Station Identity Code), TDMA frame number BCCH (Broadcast Control Channel) normal burst network and cell specific information (MNC and LAC) frequencies used in neighbouring cells, information for frequency hopping 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 47

Logikai csatornák (3) Common Control Channels PCH (Paging Channel) normal burst RACH (Random Access Channel) random access burst (short burst!!!) to request a dedicated channel or response PCH AGCH (Access Grant Channel) normal burst Response the RACH, assignes the dedicated channel (SDCCH). 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 48

Logikai csatornák (4) Dedicated Control Channels FACCH (Fast Associated Control Channel) normal burst for handover, replaces a part of traffic channel SACCH (Slow Associated Control Channel) normal burst Qualty report, power control, timing advance 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 49

Logikai csatornák (5) Traffic Channels TCH/F (Traffic Channel _Full rate speech) normal burst TCH/H (Traffic Channel _Half rate speech) normal burst TCH/EFR (Traffic Channel _Enhenced Full rate speech) normal burst 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 50

GMSK moduláció 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 51

Spektrum követelmények 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 52

GMSK moduláció Kétállapotú frekvencia moduláció: fd = 67.5kHz Gauss szűrő az RF sávszélesség csökkentésére (BTbit = 0.3) GMSK modulátor megvalósítás: Gauss szűrő + VCO Gauss szűrő + IQ modulátor 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 53

GMSK modulátor kimenő jele ±π/2 folyamatos fázis változás Frekvencia és fázis kapcsolata: f ( t) Az eredmény: = ( t) dt d! Kétállapotú frekvencia moduláció 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 54

GMSK modulált jel (1) 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 55

GMSK modulált jel + zaj (1) 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 56

Házi feladat (1) Gyűjtsön 2G és 2.5 G rendszerekre alapozott tartalomszolgáltatásokat! Keressen ETSI ajánlást (szabványt), mely adatokat tartalmaz az alábbiakra: GSM-R rendszerben alkalmazható vivőfrekvenciák Modulációs követelmények a GSM rendszerben Modulációs követelmények az EDGE rendszerben 1800 MHz GSM mobil készülék vevőjének RF referencia érzékenysége 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 63

Házi feladat (2) Számítsa ki az uplink és downlink vivőfrekvenciákat az alábbi GSM csatornákra: ARFCN= 3 ARFCN= 73 ARFCN= 173 ARFCN= 273 ARFCN= 673 ARFCN= 973 Egyértelműen értelmezhető mindegyik adat? 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 64

! THANKS FOR ATTENTION! 2007 tavaszi félév Mobil távközlő rendszerek (TA57) 65