13. GSM hálózat A rendszer alapjait a 2. fejezetben tárgyaltuk. A GSM rendszer teljesen új alapokon, a korábbi rádiótelefon rendszerektől függetlenül, eleve digitális rendszernek lett tervezve. Nem kellett alkalmazkodni semmilyen korábbi szabványhoz, vagy berendezéshez. A GSM rendszerben a korábbi tisztán frekvencia-multiplex eljárásokat felváltotta egy frekvencia és idő-multiplex eljárásokat együttesen használó megoldás. Az előny döntően az, hogy az idő-multiplex rendszerben tisztán szoftver úton szabályozható az egy felhasználónak juttatott adatátviteli csatorna teljesítménye. A GSM néhány más vonatkozásban is eltér az eddig tárgyalt rendszerektől, ahol feltételeztük, hogy egyetlen adatátviteli csatorna áll rendelkezésre. A rendszer egy időben több csatornát használ, és a vezérlésre is külön csatornát alkalmaz. 13.1. GSM rendszertechnikája 13.1. ábra. GSM csatornakiosztása A rendelkezésre álló sávban a frekvencia-multiplex rendszer GSM cellánként legfeljebb 200 duplex csatornát hozhat létre. Egy csatorna 200 khz széles. A 200 khz sávszélességű csatornát idő-multiplex módon bontjuk további csatornákra. Egy csatorna 8 egyidejű összeköttetést támogat, ami idő-multiplex módon hozunk létre. Az egyes időrésekből multikeret építhető fel. A keretekből egy komplex, hierarchikus keretstruktúrát lehet létrehozni. A multikeret 32500 bit hosszú, és 120 msec alatt kerül továbbításra. A multikereten belül 8 időrés ismétlődik, kiegészítve a kerethierarchiához tartozó információkkal. A csatorna elméleti kapacitása 270883 bit/sec. Adatátvitelre 2x 124 csatornát (mobil-torony, torony-mobil) használhatunk cellánként. Elvileg így 992 egyidejű összeköttetés hozható létre. Gyakorlatban az interferenciák miatt cca. az elméleti érték felét lehet elérni.
13.2 ábra. Multikeret felépítése Minden adatkeret 3 db 0-val kezdődik. Ezt követi 57 bit információ. A 61. és 88. bit a hang/adat állapotot jelöli. Érdekesség, hogy a szinkron (26 bit) nem a keret elején, hanem a közepén helyezkedik el. A szinkron sorozatot és a hang/adat jelzőt további 57 bit adat, és 3 db nulla követi. A keretet 30 msec (8,25 bitnyi) biztonsági időrés követi. Egy adatkeret 547 msec hosszú. A multikeret 26 alapkeretnyi időt foglal el. A 13. keret helyén vezérlőinformációkat továbbítunk. A 26. hely későbbi fejlesztésre van fenntartva. A rendszer használ egy 51 időrésből álló keretet is, mely további vezérlőcsatornákat tartalmaz. A vezérlőcsatornák: Közérdekű vezérlőcsatorna (állapotinformáció, cellahatár átlépés jelzése) Megkülönböztetett vezérlőcsatorna (hívás felépítés, helymeghatározás) Közös vezérlőcsatorna, amely további 3 logikai csatornából áll - felhívó csatorna (beérkező hívások jelzése) - véletlen hozzáférésű csatorna (itt lehet igényt bejelenteni a megkülönböztetett vezérlőcsatornákra) ALOHA jelleggel működik. - hozzáférés engedélyező csatorna. 13.2. Adatátvitel GPRS hálózaton (General Pocket Radio System) A GSM rendszeren alapvetően csomagkapcsolt rendszer. Az alapkeretbe 2*57 bit információt helyezhetünk el. Attól függően, hogy hány időszeletet adunk egy összeköttetésnek az elérhető adatátviteli sebesség széles határok között változhat. Az elméletileg elérhető maximum 171,2 kbit/sec. A forgalomban lévő készülékek nem mindegyike alkalmas
tetszőleges időszelet kombinációk kezelésére. Attól függően, hogy az adatátvitelre használt időszeleteket hogyan használjuk, továbbá a beszédcsatornákkal való kombinációk szerint a mobil telefonok és a GSM modemek osztályokba vannak sorolva (GPRS Multislot Class). A készülékek a fel és letöltési irányokat függetlenül kezelik. A fel és letöltés egy időben történhet. A Multislot Class kombinációi: Multislot Class Vételi időszeletek száma. Feltöltési időszeletek száma Egyidejű aktív időszeletek száma 1 1 1 2 2 2 1 3 3 2 2 3 4 3 1 4 5 2 2 4 6 3 2 4 7 3 3 4 8 4 1 5 9 3 2 5 10 4 2 5 11 4 3 5 12 4 4 5 13.3. Ábra Multislot osztályok A gyakorlatban elérhető sebességek: feltöltés: 14 kbit/sec (adás) letöltés: 9,6 64 kbit/sec (vétel). A készülékek az egyidejüleg használható funkciók szerint A,B,C osztrályba vannak sorolva. A osztály A készüléken a GSM és GPRS funkciók egyidejűleg használhatók B osztály A GPRS forgalom ideje alatt hanghívás fogadása lehetséges. A berendezés által kezdeményezett hanghívás estén az SMS és GPRS forgalom automatikusan felfüggesztésre kerül C osztály A GSM és a GPRS forgalom nem lehet egyidejű. Az átkapcsolás kézzel történik.
13.3. A GPRS kapcsolatok rendszertechnikai felépítése A GPRS rendszerben a szolgáltatók sokféle kapcsolódási lehetőséget kínálnak. A legegyszerűbb esetben a mobil eszköz a nyilvános INTERNET-hez csatlakozhat. A szolgáltatást az Access Point Name megadásával lehet elérni. (pl.: INTERNET). A szolgáltató központjában lévő GGSN-ben (Gateway Gprs Support Node) vannak kialakítva a külső adathálózatok csatlakozásai. Ezen csatlakozások egyike lehet az INTERNET. A külső adathálózat lehet más típusú, nem IP alapú hálózat is (Pl.:X.25). Lehetőség van a vállalati rendszerek távoli elérésére, és a mobil készülékek egymás közötti kommunikációjára is. Zárt rendszerek alakíthatók ki a privát hozzáférési pontok használatával. A privát (dedikált) hozzáférési ponton keresztül csak a hozzárendelt SIM kártyákkal lehet forgalmazni. 13.4 ábra. Elérési pontok a GSM hálózatban 13.3.1. INTERNET elérés A mobil készülék a GPRS hálózaton keresztül csatlakozik a szolgáltató központjához. A jogosultságot SIM kártyához lehet rendelni. A felhasználó IP címe általában dinamikus cím, csak a kapcsolat idejére állandó. A technológiai fejlődés eredményeként ma már csak akkor használatos az INTERNET GPRS elérése, ha más, nagyobb adatátviteli sebességet biztosító technológia az adott szolgáltatási területen nem érhető el.
Adatok továbbítása a központ felé A legegyszerűbb megoldás az, ha a szolgáltató SMS küldő rendszerét vesszük igénybe. Az üzenetet átalakítjuk SMS vagy e-mail üzenetté, ezt továbbítjuk. A kapcsolat így nem on-line, és jelentős késleltetése is lehet. Olyan felügyeleti rendszerekben célszerű használi, ahol kevés adatot, és ritkán továbbítunk. Pl.: betörés jelzése a tulajdonosnak, és a biztonsági szolgálatnak). 13.5.ábra. Adatküldés SMS-ben. LAN elérés GPRS hálózaton és interneten keresztül A mobil eszköz IP címkiosztása lehet: statikus, SIM kártyához rendelt kvázi-statikus dinamikus A statikus címkiosztást a szolgáltatók nem preferálják, mert sok feladatot ró a szolgáltató üzemeltetési részlegeire. Természetesen van mód statikus címek használatára a privát APN-el rendelkező megrendelők számára. A kvázi-statikus címkiosztásnál a felhasználó azonosító IP cím van összerendelve. A felhasználó által meghatározott tartományból adunk IP címeket. A tartománynak olyannak kell lenni, hogy a címeket megrendelő hálózata be tudja fogadni. Célszerű a megrendelő hálózatának egy szabad címtartományát felhasználni erre a célra. Dinamikus címkiosztásnál a szolgáltató szabadon választ a rendelkezésre álló tartományból. Ez a megoldás viszonylag olcsó, de tartalmaz korlátozásokat. A terepi,
dinamikus című eszköz nem érhető el az irányító központ oldaláról, csak a külső eszköz tudja címezni a központ fix IP címét. 13.6.ábra. Statikus IP cím elérése GSM hálózatból A dinamikus IP címet megtudhatjuk ugyan egy dinamikus DNS-t szolgáltató szervertől, mint azt az INTERNET eléréskor megszoktuk, de a mobil szolgáltatók többsége blokkolja az INTERNET-ről a dinamikus GPRS címek felé irányuló forgalmat. 13.6.ábra. INTERNET-ről kezdeményezett hívások blokkolása A dinamikus címmel rendelkező eszközök INTERNET en keresztül be tudnak jelentkezni, csak a központ nem tudja felszólítani az eszközt adásra. A probléma megkerülhető azzal, hogy a terepi eszközt a központ SMS-ben szólítja fel adásra, és a kapcsolatot ez után a terepi eszköz kezdeményezi a kapcsolatot.
13.7.ábra. Kezdeményezés SMS-ben A kapcsolat felépítéséhez olyan GSM eszköz szükséges, ami ki tudja értékelni az SMS hívást. Szükség lehet a vállalati hálózat stabil, nagysebességű elérésére, és az adatok védelmére is. A privát (vállalati) hálózat elérését a szolgáltatók üzleti adathálózat néven értékesítik. A GPRS eszköz a szolgáltató egy dedikált APN-jéhez csatlakozik. A szolgáltató és az ügyfél hálózata között bérelt vonalas vagy titkosított internet kapcsolatot hoznak létre. A szolgáltató és a megrendelő számára is általában az az előnyös, ha a kiosztható IP tartományt a szolgáltatónál lévő APN definiálja, de a pillanatnyi userid-ip összerendeléseket autentikációs szerver végzi. Az autentikációt végző RADIUS (Remote Access Dial-in User Server) szerver a megrendelőnél vagy a szolgáltató oldalon is elhelyezhető. A megrendelő oldali RADIUS szervernek előnye, hogy a tagokat a megrendelő tudja felvenni vagy törölni, nem kell külső szolgáltatónál adminisztrálni. 13.8.ábra. RADIUS szerver a Megrendelő oldalán
A bérelt vonal költségeit jórészt megtakaríthatjuk, ha a GPRS központig az INTERNET lehetőségeit használjuk ki. Az INTERNET azonban védtelen közeg, ezért a kapcsolatot titkosítanunk kell A titkosított adatátvitelt a VPN (Virtual Privat Network) technológia biztosítja. A VPN-t jellemzően IPSEC alapon hozzák létre. Ez biztosítja, hogy a felek hitelesen azonosítsák egymást, és titkosítsák az adatforgalmat. 13.9. ábra. GPRS központ elérése VPN hálózaton A VPN titkosítása történhet végponttól végpontig szolgáltató oldali VPN gateway és a megrendelő oldali gateway között. Ebben a megoldásban a GPRS oldal nincs benn a VPN-ben. A GPRS védelmét elegendőnek fogadjuk el. A dedikált APN csak a jogosult SIM kártyával érhető el A GPRS forgalom lehallgatása csak speciális eszközökkel és engedélyekkel lehetséges. Az ipari automatizálási gyakorlatban az adatátvitel védelmére általában kielégítő a GPRS hálózat saját védelme. Magasabb szintű védelmet csak speciális esetben érdemes alkalmazni (vezérlési feledatok). Az előny az, hogy a mobil eszközökben nem kell VPN szoftvert elhelyezni. 13.3.2. GPRS VPN A GPRS-VPN felépítésben a felhasználó GPRS termináljai között közvetlen IP alapú kommunikáció jön létre. A berendezések kapcsolódnak a szolgáltató hálózatához, majd a szolgáltató központjában lévő dedikált APN-en keresztül jutnak a célberendezéshez. Ez a megoldás a lehető legrugalmasabb elérését biztosítja a távoli berendezéseknek. Lehetőséget teremt az adatkapcsolat felépítésére akkor is, ha mindkét végpont mobil, mozog. Kifejezetten előnyös megoldás pl.:terepi mérőrendszerek számára. A megbízhatóságot elvileg csökkenti, hogy minden adat átmegy a szolgáltató központján. A valóságos hibastatisztika szerint a gerinchálózat nagyon alacsony kiesési százalékkal működik. A szolgáltatás kieséseket döntően a cellákat kiszolgáló tornyok hibái okozzák,
ezért a hibastisztika nem romlik számottevően a szolgáltatói központig terjedő szakaszon. A tipikus rendelkezésre állás 99,5%. 13.10. ábra. GPRS VPN rendszertechnikai rajz Erre a megoldásra a statikus IP kiosztás a jellemző. Egy GPRS készülékcsoport csak a hozzárendelt, dedikált APN-ben tud működni. 13.3.3. Speciális kapcsolatok létrehozása A GPRS hálózat alkalmas más, speciális protokollt használó berendezések összekapcsolására is. Az egyik legrégibb, sok helyen használt protokoll az X.25. Az X.25 csomagokat a továbbítás során IP csomagokká kell alakítanunk, majd a végpontokon vissza kell alakítanunk X.25 csomagokká. Az átalakítást erre a célra fejlesztett routerekkel lehet megoldani. Az ábrán látható, hogy a GPRS központ és a felhasználó között a szabványos X.25 kapcsolatot használjuk.
10.7 ábra. X.25 kapcsolat létrehozása mobil eszközökkel.