Mobil Informatikai Rendszerek Modern informatikai rendszerek közös tulajdonsága. Távközlési alapfogalmak. 2016. szeptember 19. Sicz-Mesziár János sicz- m e s z i a r. j a n o s @ nik.uni - obuda.hu
Távközlési alapfogalmak Vivőfrekvencia (f) Egységnyi idő alatt hányszor ismétlődik (gyakoriság) GSM rendszerben 900MHz környéke, újabban 1800 és 1900MHz is. Két 25 MHz-es sávszélességű sáv. Duplex távolság alatt az adott Uplink vivő és a hozzátartozó Downlink vivő közötti különbséget értjük. Csatornaszám: Sávszélesség Vivőfrekv. száma Csatorna sávszélesség Duplex távolság 900MHz 25MHz 124 25MHz / 124 ~= 200KHz 45MHz 1800MHz 75MHz 374 75MHz / 374 ~= 200KHz 95MHz Sicz-Mesziár János 9/19/2016 2
Távközlési alapfogalmak (2) Magyarországi GSM frekvencia feloszlás R-GSM, E-GSM (GSM 900) DCS 1800 (GSM 1800) Digital Cellular System Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/gsm Sicz-Mesziár János 9/19/2016 3
Távközlési alapfogalmak (3) Hullámhossz (λ) az a távolság, amekkora távolságonként a hullám ismétlődik. f = 1/T T = 1/f λ = C*T = C*1/f λ = C/f λ = hullámhossz, C = fénysebesség (vákuum: ~300 000km/s) T = idő A fentiekből adódik, hogy a GSM rendszerben 900MHz-en: 300 000 000 / 900 000 000 = ~0,33m = 33cm 1800MHz-en: 300 000 000 / 1 800 000 000 = ~0,17m = 17cm Sicz-Mesziár János 9/19/2016 4
Távközlési alapfogalmak (3) Hullámterjedés Felületi hullámok Talaj menti Talajról visszavert 30 MHz felett néha a rádióhullám a troposzféra csapdájába kerül fel-le pattogva benne, majd valahol a távolban visszaverődik a földre. Térhullámok Az ionoszférába érkező elektromágneses hullámok terjedési iránya megtörik és - ha a feltételek ehhez megfelelőek a hullámok a Föld felé visszaverődnek. Sicz-Mesziár János 9/19/2016 5
Távközlési alapfogalmak (4) Jel-zaj viszony A jel (információ) és a háttér zaj teljesítményének hányadosa. A jel-zaj meghatározásánál a logaritmikus decibelskálát használják. Decibelekben mérve, a jel-zaj viszony az amplitúdók hányadosának 10-es alapú logaritmusának 20-szorosa vagy a teljesítményarány logaritmusának 10- szerese. ahol: P = átlagos teljesítmény A = amplitúdók négyzetes átlaga. Sicz-Mesziár János 9/19/2016 6
Távközlési alapfogalmak (5) Moduláció biztosítják, hogy egy tipikusan szinuszos jel - a vivő - képes legyen információ hordozására Amely végrehajtja a modulációt: modulátor; Ami a visszaállítja (inverz műveletet): demodulátor. Digitális modulációs technikák A szinuszos jel három fő paraméterét módosítják. AM: Az amplitúdómoduláció során a hasznos jel a vivőfrekvencia amplitúdóját változtatja. FM: A frekvenciamoduláció során a hasznos jel a vivőfrekvencia frekvenciáját változtatja. PM: fázis moduláció - a moduláció során a vivő jel fázisát változtatja az átvinni kívánt bitek függvényében, gyakorlatilag késlelteti, vagy sietteti azt. Sicz-Mesziár János 9/19/2016 7
GSM rendszer Global System for Mobile Communications, eredetileg Groupe SpécialMobile Európai Távközlési Szabványok Intézete (ETSI) által kifejlesztett szabvány 1982 GSM munkacsoport létrehozása 1988 GSM rendszer specifikációja (6000 oldal) 1991 Első hivatalos beszélgetés (Júl.1) GSM rendszer célkitűzése Pán Európai rendszer Jó beszédminőség A rádiófrekvencia hatékony kihasználása Jó megbízhatóság (előfizetőnek és a továbbított információnak) ISDN kompatibilitás Kompatibilitás más adatkommunikációs rendszerekkel Nyílt rendszer Sicz-Mesziár János 9/19/2016 8
Cellamintázatok A 124 darab csatorna nem elegendő még ha időbeli multiplexelést használunk sem (8-an használnak egy csatornát egy időben) Ötlet: az egymással szomszédos cellákban ne legyen frekvenciaütközés, de az egymástól távoliakban lehessen használni ugyanazt a frekvenciát. A cellák kialakításánál a következő kiinduló szempontokat kell figyelembe venni: a mobil készülékek földrajzi eloszlását az előfizetők közlekedési szokásait, az átvitel minőségét, a szolgáltatás földrajzi kiterjedését a domborzati viszonyokat Sicz-Mesziár János 9/19/2016 9
A cellás hálózatban kétféle antennát használnak körsugárzó egyenletesen sugároz 360 -os szögben, szektorsugárzó - amely általában 120 -os szektort lát el. A cellák csoportosítása nagyságuk szerint Nagy cellák: nagy kiterjedésű, kis forgalmú vidéki területeken (~10-30km sugarú) Közepes méretű cellák: (általában nagyvárosban), szektorsugárzóval antennákkal (~1-5km) Kis cellák: városokban és nagy forgalomigényű területeken. (~300-1000 méter s.) Mikro cellák: vasúti pályaudvarok, repterek, üzletközpontok (kisebb mint 300 méter sugarú) Sicz-Mesziár János 9/19/2016 10
Információ átvitel a GSM rendszerben FDMA (Frequency Division Multiple Access) Frekvenciaosztásos többszörös csatorna-hozzáférés Minden csatornának egy-egy külön frekvencia van kijelölve. Hátránya, egyszerre csak egy előfizető használhat adott frekvenciát. TDMA (Time Division Multiple Access) Időosztásos többszörös csatorna-hozzáférés Egyetlen frekvenciát 8 előfizető használ időosztásban. Keret idő: 4.615ms Slot idő: 4.615ms / 8 ~= 0.577ms SDMA (Space Division Multiple Access) Térosztásos többszörös csatorna-hozzáférés Gyakorlatilag maga a cellás rendszer. Sicz-Mesziár János 9/19/2016 11
CDMA (Code Division Multiple Access) Kódosztásos többszörös csatorna-hozzáférés Átvinni kívánt digitális adatot egy pszeudorandom jelsorozattal modulálják (XOR), így a másik oldalon csak az a vevő veszi, aki ismeri az adó pszeudó kódját. Koktélparti Zajos helyen több társaság beszélget és megértik egymást Kódolás menete: 1. A signal = A data XOR A key 2. B signal = B data XOR B key 3. Composite = A signal + B signal Dekódolás menete: 1. Composite AND A key (local) 2. Kimenet integrálása 3. Komparálás(összehasonlítás) Sicz-Mesziár János 9/19/2016 12
TDMA keretek Sicz-Mesziár János 9/19/2016 13
GSM kapcsoló rendszer Sicz-Mesziár János 9/19/2016 14
GSM kapcsoló rendszer BSS részei BTS: megfelelő rádiós kapcsolat megteremtése a rendszer és az MS között. A BTS besugárzási területét hívjuk cellának, ami a mobilhálózat alapsejtje. BSC: a BTS egy csoportját a bázisállomás-vezérlők irányítják. Digitális kapcsolóközpontok mobilmenedzsment funkciókkal. Megteremti a kapcsolatot a BTS és az MSC között. Csatornakiosztás. Csatornaváltás: beszélgetés közben a mért értékektől függően dönt a handover-ről - átadásról. Sicz-Mesziár János 9/19/2016 15
GSM kapcsoló rendszer BSS részei MSC: hívás felépítése, hívásvezérlés, kapcsolási funkciók ellátása, számlázás, előfizetői adatok, szolgáltatások kezelése, közvetítő vezetékes szolg. között HLR: információkkal látja el az MSC-t a szolgáltató összes előfizetőjéről, IMSI alapján nyilvántartott előfizetők, helyadatok, utoljára kapcsolt bázisállomás helye, bejövő hívásnál innen kérik le az előfizetői adatokat, utolsó bázisállomás VLR: távoli MSC-ből érkező felhasználók adatai vannak itt, helyben is használhatja telefonját, folyamatos adatcsere a távoli HLR és helyi VLR között, ehhez roaming szerződés kell, ha idegen előfizető kilép törlődik az IMSI-je a VLR-ből AUC: Hitelesítési központ, hálózat előfizetőihez hozzárendeli a hitelesítési és titkosítási adatokat, hálózat oldalról végzi a biztonsági funkciókat EIR: hálózatban használt mobilkészülékek IMEI száma (gyártó típuskód, gyártó, gyártási szám), 3 féle lista: Fehér: korlátozás nélküli, Szürke: átmenetileg korlátozott, Fekete: kitiltott, pl.: lopott Sicz-Mesziár János 9/19/2016 16
GSM authentikáció Érvényesíti az IMSI-t, megvédi a hálózatot jogosulatlan használattal szemben. Adott egy K i kulcs, ami az előfizető felvételekor bekerül az AUC-ba, és ott van a SIM-en is. Az AUC generál egy véletlen számot (RAND) és a K i kulccsal együtt az A3 algoritmusson keresztül kap egy SRES (Signed Response) értéket. A RAND érték kiküldésre kerül az MS számára. Az MS a helyi SIM-en tárolt K i -t és a kapott RAND-ot felhasználva ugyanúgy az A3 algoritmussal előállítja ő maga is az SRES-t. Az MS visszaküldi a kapott SRES értéket az MSC/VLR-hez. Az MSC összehasonlítja a két SRES értéket. Ha egyezik akkor megfelelt az authentikációnak. Sicz-Mesziár János 9/19/2016 17
GSM titkosítás (ciphering) A rádiós csatornán a BTS és MS közötti kommunikáció csak az arra jogosult két fél számára álljon rendelkezésre. MSC/VLR leküld egy üzenetet a BTS-nek és az MS-nek a titkosítási eljárás elindításához. Authentikációnál használt RAND és a K i felhasználásával az A8 algoritmuson keresztül előáll egy K c titkosítási kulcs. Ezt a BTS megkapja. (Eredetileg a K c a VLR-ben korábban tárolásra kerül) Az MS szintén előállítja K i és RAND ismeretében A8 algoritmussal a K c -t, aminek egyeznie kell a BTS-ben lévővel. MS oldalon: K c és a TDMA keret sorszám felhasználásával előállít egy 114bites titkos bitsorozatot. A kapott bitsorozat a burst 114bit XOR kapuk bemenetére kerül. BTS oldalon: K c és TDMA keret sorszám ismeretében előáll a titkos bitsorozat. Visszafejtéskor a kapott titkos adatok kerülnek a XOR kapukra. Sicz-Mesziár János 9/19/2016 18