GSM

Mobil történeti áttekintés 1. generáció A rádiózás az 1930-as években forradalmi változáson ment keresztül, megjelentek az első nem helyhez kötött, általában járműbe szerelt mobilállomások és hordozható adó-vevő berendezések. A legelső felhasználó a katonaság volt. A háború utáni időszakra a mobilállomások zártkörű hálózatának kiépítése volt jellemző (DLMN). A technika fejlődésével a mobiltávközlés a civil élet területén is elterjedt. Így felmerült a normál, vezetékes hálózathoz kapcsolódás igénye is. A következő lépcső a közcélú kapcsolt rádiótelefon rendszerek megjelenése volt (PLMN), először az USA-ban, majd a 70-es évektől Európában is. Ezek a telefonok már a hagyományos vezetékes készülékek szolgáltatásait nyújtották, saját telefonszámuk volt, és hívni lehetett általuk bármilyen telefonszámot.

Mobil történeti áttekintés 1. generáció Annak érdekében, hogy a szolgáltatást megfelelő nagyságú területen igénybe lehessen venni, átjátszó adók tömegét kellett a területen elhelyezni. A Magyarországon elsőként használatos analóg rendszert (NMT45O) legelőször Svédországban és Norvégiában helyezték üzembe 1981-ben. 1. generációs rendszerek AMPS (Advanced Mobile Phone System) 1979-ben a világon elsőként az USÁ-ban bevezetve 800 MHz-en működik NMT (Nordic Mobile Telephone) 1980-as évek eleje, 450-900 MHz-es sáv TACS (Total Access communication System) JTACS (Japan Total Access communication System) C-Netz

GSM történeti áttekintés, előzmények Az 1980-as évek elején az analóg celluláris telefon rendszereknél gyors növekedés volt tapasztalható Európában, különösen Skandináviában és Nagy-Britanniában, de Franciaországban és Németországban is. Minden ország a saját rendszerét fejlesztette, ezek inkompatibilisek voltak mindenkivel a felszerelésben és a működésben. Ez egy nem kívánatos szituáció volt, mert nem egy mobil termék működése volt korlátozva a nemzeti határokon belülre, így az egységes Európa egyre inkább lényegtelenné vált. Volt egy nagyon korlátozott piac minden egyes termékfajtára, a termelésnövekedésből való költségmegtakarítás és a későbbi megtakarítások nem voltak realizálhatók.

GSM történeti áttekintés, előzmények A 90-es évek kezdetén az NMT450 rendszerek terjedtek el a volt szocialista országokban. Az analóg rendszerekre nem volt jellemző, hogy az országhatárokon kívül is lehetett volna használni. Ezért az üzleti élet elvárásai, az Európai Közösség célkitűzései szükségessé tették egy új, egységes páneurópai mobiltelefon rendszer kifejlesztését. Azért, hogy ezt az új rendszert a piac is kedvezően fogadja, merőben újjal kellett előrukkolni. Az új rendszer átütő sikerét annak köszönheti, hogy elsőként alkalmazza a mobiltelefóniában (a telefonkészülék és a bázisállomás között) a digitális technikát.

GSM történeti áttekintés, előzmények Ez a technika egyrészről a kényelmi szolgáltatások terén ad korlátlan lehetőségeket, másrészről a digitalizált beszédhang átvitel zavarérzéketlensége jóvoltából csökkentek, sőt majdnem teljesen meg is szűntek a beszélgetést zavaró légköri, illetve egyéb zavarok. A forradalmian új rendszer neve GSM vagyis Global System for Mobile Telecommunication- egységes mobiltávközlési-rendszer.

GSM történeti áttekintés, az indulás Az európaiak ezt korán felismerték, és 1982-ben a Conference of European Post and Telegraph (CEPT) alakított egy vizsgálati csoportot, melyet Groupe Spécial Mobile (GSM) –nek neveztek el, hogy fejlesszen ki egy pán-európai nyilvános földi mobil rendszert. A tervezett rendszernek meg kell felelnie bizonyos kritériumoknak: Jó hangminőség Alacsony kezelőfelület és szolgáltatási költség Nemzetközi roaming támogatása Kézi kezelőfelületek támogatásának képessége Új szolgáltatások bevezetésének támogatása Sávszélesség hatékony kihasználása és ISDN kompatibilitás

GSM történeti áttekintés, a fejlődés 1986-ban Szakértői központot hoztak létre Párizsban 1987-ben aláírták a GSM-Memorandumot 1989-ben a GSM kötelező részeinek leírását átadták az European Telecommunication Standards Instituts (ETSI)–nak, megalakul az ETSI TC-GSM, és a GSM specifikációjának 1. fázisát 1990-ben publikálták. 1991-ben a TC-GSM-t átnevezik TC-SMG-nek. A kereskedelmi szolgáltatás 1991 közepén indult és 1993-ra 36 GSM hálózat volt 22 országban, 25 további ország már fontolóra vette a GSM-et. 1992-ben Európa-szerte indul a GSM. 1993-ban indul az első DCS1800 rendszer. A GSM hamar átlépte az európai határokat. Dél-Afrika, Ausztrália, és a közép és távol keleti országok is a GSM-et választották.

GSM történeti áttekintés, a világ meghódítása 1994 elejére 1.3 millió előfizetője volt világszerte. A GSM betűszó most már Global System for Mobile telecommunication-t jelent. Global System for Mobile Communications, God Send Mobiles, Gigantic Software Monster 1995-ben befagyasztják a 2. fázist és publikálják European Telecommunication Standards (ETS) vagy ETSI Technical Reports (ETR) formában. 1996-ban a TC-SMG felelős lesz az ETSI GSM és UMTS projektért. Évente adják ki a 2+ fázis anyagait. Aláírják a GSM MoU és az ETSI köztötti együttműködést. 1997-ben megindul a GSM 2+ fázis implementálása. 1998-ban UMTS rádió technológia választás.1999-ben UMTS kezdeti fázis.

GSM történeti áttekintés, a világ meghódítása A Nemzetközi Távközlési Egyesület (ITU), mely többek között a nemzetközileg lefoglalt rádióspektrumot menedzseli lefoglalt egy sávot 890-915 MHz között az uplink kapcsolat számára ( mobil állomástól a bázis állomásig) és 935-960 MHz a downlink kapcsolat számára (bázis állomástól a mobil állomásig) az európai mobil hálózatok számára. Mivel ez a tartományt már használták az analóg rendszerek 1980-as évek kezdetén, a CEPT előrelátó volt és lefoglalta minden sáv a felső 10 MHz –ét a GSM hálózat számára, ami akkor még fejlesztés alatt volt. Végül is a GSM lefoglalta az egész 2x25 MHz –es sávszélességet.

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Világméretekben 5 féle GSM sáv létezik, Európában csak 4: P-GSM900 1…124 E-GSM900 975…1023 45 MHz duplex R-GSM900 távolság GSM1800 512…665 95 MHz duplex DCS1800 távolság ******************** GSM 1900 (USA)

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Keret felépítés: 1 keret = 8 kb. 577 s-os (v. 16 fele hosszúságú) időrés/normál börszt, kb. 4,615 ms 1 multikeret: TCH/FS: 26 keret BCCH: 51 keret 1 szuperkeret: TCH/FS: 51 multikeret BCCH: 26 multikeret a szuperkeretek már egyenlő időtartamúak

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK LOGIKAI CSATORNATÍPUSOK: 1 hiperkeret: 2048 szuperkeret, ami kb. 2,7 millió TDMA keret, ismétlődési periódusideje mintegy 3,5 óra! FRAME NUMBER, KERET SORSZÁM: A SZINKRON MŰKÖDÉSHEZ SZÜKSÉG VAN RÁ (PL. TITKOSÍTÁS) LOGIKAI CSATORNATÍPUSOK: a forgalmi csatornák (Traffic Channels) felhasználói adatokat visznek át a vezérlőcsatornák (Control Chanels) vezérlési, jelzésátviteli információkat továbbítanak

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Más csoportosítás: dedikált csatornák: a mobil állomáshoz rendeltek annak aktív üzemmódjában közös csatornák: a mobil készenléti (idle) üzemmódjában is használtak FORGALMI CSATORNÁK: Feladatuk beszéd és adatforgalom továbbítása 26 keretes multikeret használatával, vagyis 26 TDMA keret szervezésben. Ebből 24 forgalmi, 1 az u.n. lassú társult vezérlőcsatorna (SACCH, lásd később), 1 használaton kívüli.

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK MULTIKERET IDŐTARTAMA 120 ms 0…11 keret: TCH 13…24. keret: TCH 0. 5. 12. 13. 24. 25. SACCH Nem használt TDMA keret 60/13 ms 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. BÖRSZTÖK (időrések) Börszt, 156,25bit, 16/26 ms 3 bit 57 1 3 26 1 57 8,25 Lopás flagbit Lopás flagbit Farok Adat Adat Farok Védő

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK BEÁLLÍTÓSOROZAT (26 bit) nyolc szabványos sorozat közül egy bitszinkronizálás, de mivel a börszt közepén van, el kell tárolni a teljes börsztöt döntés előtt erre annál is inkább szükség van, mert a többutas terjedés miatt kiegyenlítés is kell, ezt a beállítósorozat támogatásával végzik el BELÉPŐ ÉS KIFUTÓ BITEK (3-3): állapotbeállítás

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Az egy mobilhoz tartozó uplink és downlink irányú forgalmi csatornák normál börsztjei között 3 börtsznyi szünet van, így az MS-nek nem kell egyszerre adnia és vennie (egyszerűbb elektronika) A teljes sebességű (FR, Full Rate) csatornák mellett szabványosítottak a félsebességűek (HR, Half Rate) is, ahol 16 börszt van a 8 helyett. A beszédkodek kész, de sehol nem vezették be. Jelzésátvitelre van még nyolcad sebességű csatorna (SDCCH, Stand-alone Dedicated Control Channel, önálló dedikált vezérlőcsatorna) is.

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK MODULÁCIÓ: GMSK BT=0.3 CPFSK folytonos fázisú frekvenciaugratás, ahol „logikai nulla” f1 frekvencia „logikai egy”  f2 frekvencia a nem létező vivő a kettő átlaga. MSK: a névleges vivőhöz képest egy bitidő alatt a fázistöbblet vagy fázishiány /2 (negyed periódussal több, vagy kevesebb zajlik le, mint a vivővel lenne).

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Gauss szűrés hatása döntés megjelenik (nő) a szimbólumkózi áthallás (ISI) csökken a spektrumszélesség Jel a frekvenciamodulátor bemenetén (v. ennek -1-szerese) eredeti x x szűrt x x x x x x x x t döntés Az elemi moduláló jel hatása eredetileg csak bitidőn belüli, a szűrés miatt hat más bitekre is

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Börsztök/jelcsomagok fajtái: Normál börszt (NB), információt továbbítanak a forgalmi és vezérlő csatornákon. 116 titkosított bitet visznek át, és 8,25 bit hosszú a vedőidő. Frekvenciakorrekciós börszt (FB), a mobil készülék frekvenciájának szinkronizálására, modulálatlan vivő. Az üzenetszóró vezérlő csatornával (BCCH) együtt sugározzák. Az FB-k ismétlődését frekvenciakorrekciós csatornának (FCCH) nevezik.

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Szinkronizáló börszt (SB), a mobil állomás időbeli szinkronizálására. Hosszú beállítósorozat, a TDMA keretsorszámot (FN T1,T2 és T3 adatait) és a bázisállomás azonosító kódot (BSIC) továbbítja. A frekvenciakorrekciós börszttel együtt sugározzák. Ismétlődései alkotják a szinkronizáló csatornát (SCH). Elérési/hozzáférési börszt (AB): a védőidő 68,25 bit, 252 s (TA még nem ismert, ez elég 35 km-es BTS-MS távolságig). Uplink véletlen hozzáférés. Kitöltő börszt (DB): C0 vivőfrekvencia minden időrésben, az MS felhasználja, valamint downlink adás üres börsztjeinek kitöltőjeként.

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK LOGIKAI CSATORNÁK: FORGALMI CSATORNÁK: Bm, TCH/F teljes sebességű (b. 22,8 kb/s) (Lm, TCH/H félsebességű forgalmi, bruttó 11,4 kb/s, nem valósult még meg) A mindenkori nettó sebesség a redundancia mértékében kisebb a bruttónál (hibavédelem, csatornakódolás) Beszédcsatornák: TCH/FS (13 kb/s), (TCH/HS 6,5 kb/s)

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Adatátviteli forgalmi csatornák közül a teljes sebességűek: (TCH/F11,4) 11,4 kb/s nettó adatsebesség TCH/F9,6 9,6 kb/s nettó adatsebesség TCH/F4,8 4,8 kb/s nettó adatsebesség TCH/F2,4 2,4 kb/s nettó adatsebesség A hibavédelmi redundáns biteken kívül a 12. keret (SACCH) 0,95 kb/s és a 25. keret (üres) 0,95 kb/s sebességet képvisel. Az eredő teljes sebesség: 24,7kb/s

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK VEZÉRLŐCSATORNÁK: BCCH, Broadcast Control Channel, üzenetszóró vezérlőcsatorna (downlink): folyamatos, bázisállomás azonosító, frekvenciakiosztás és frekvenciaugratási szekvencia információ, a multikeret 51 keretből áll, ezen belül sorszám-logikai csatorna leképzés (ebből egy a BCCH) FCCH, Frequency Correction Channel, frekvenciakorrekciós csatorna, és SCH, Synchronization Channel, szinkronizáló csatorna, mindkettő downlink a TDMA keret 0 sorszámú időrésén, cellánként egy

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK RACH, Random Access Channel, véletlen hozzáférési csatorna, uplink, réselt ALOHA, közös PCH, Paging Channel, hívócsatorna, MS felé irányuló híváskor, közös AGCH, Access Grant Channel, hozzáférést biztosító csatorna: SDCCH kijelölése jelzéshez (RACH után), közös SDCCH, kijelölt vezérlő csatorna (uplink és downlink) FACCH, gyors társult vezérlőcsatorna (ellopás), gyors vezérlés/jelzés SACCH, lassú társult vezérlőcsatorna, multi-keret 12-es kerete (mindig rendelkezésre áll)

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK TELJESÍTMÉNYOSZTÁLYOK (ADÓ): BS, W MS,max., W 1 320 20 2 160 8 3 80 5 4 40 2 5 20 0,8 6 10 7 5 8 2,5

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK CSATORNAKÓDOLÁS A beszédkódoló 20 ms-onként 260 bitet szolgáltat (13kb/s) 50 bit 1.a., „nagyon fontos” + 3 paritásbit 132 bit 1.b., „fontos” + 4 nulla (konv. kódoló) 78 bit 2., egyéb 189 fontosból r=1/2, k=8 konv. kódoló  378 bit (+ a változatlan 78)  456 bit/20 ms = 22,8 kb/s 456 = 8 x 57, ez nyolc félbörsztben megy át. Beszédkésleltetés = 8 x 4,615 ms + 20 ms = 57 ms

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK A bejelentkezés folyamata (készenléti állapotba jutás): MS bekapcsolása (Hálózat keresése: saját, tárolt, engedélyezett) Csatornák megmérése és jelszint szerinti rendezése BCCH-e? Ha igen, SCH-t keres, beállítja időalapját, időzítését, megvizsgálja, hogy mik a hálózat jellemzői, saját-e (ha nem, akkor a következő legnagyobb szintű BCCH-val folytatja le a fenti folyamatot)

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK (Megjegyés: LA lehet egy BSC celláiból, de más is lehet, ezen belül hívják pl.) A következő vizsgálat a helyzetre vonatkozik, azonos-e a legutóbbival, ha igen, kezdeményezhet és fogadhat (készenléti állapotba kerül). Ha nem, akkor az MS forgalmaz a RACH-en BS SDCCH-t jelöl ki MS átmegy az SDCCH-ra hitelesítésre és helyzetfrissítésre BS utasítja MS-t a SACCH-n át a teljesítmény és időzítés beállítására, MS jelenti a BCCH-ek jelszintjét és jelminőségét és készenléti állapotba megy át.

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK Tartózkodási körzet (helyzet, LA): Változáskor helyzetjelzés (Location Update, LU) kötelező, ez készenléti állapotban is megtörténik IMSI kijelentéskor opcionális, a bázisállomás rendszerinformációinak egy bitje jelzi az MS-nek, hogy van-e ilyen. Az információ az aktuális VLR-ben tárolódik. Rendszeres helyzetjelzés (Periodic Location Update) ugyancsak opcionális

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK A HÍVÁSFELÉPÜLÉS FOLYAMATA: Mobil kezdeményez: RACH-en át Mobil felé: irányuló hívás esetén a LA-n belüli BS-ek hívják az MS-t a BCCH-n levő CCCH-en, amire az MS válaszol a RACH-en Mindkét esetben a BS kijelöl egy SDCCH-t, vagy TCH-t SDCCH esetén közbeiktatás: hitelesítés, hívásfelépítés és TCH kijelölés, a BS utasítja SACCH-en az MS-t a teljesítmény és időzités beállításra, MS jelenti a BCCH-ek szintjét és minőségét

GSM RÁDIÓS JELLEMZŐK AZ MS TELJESÍTMÉNYSZINT BEÁLLÍTÁSA Forgalmazás TCH-n át MS az SACCH-en jelenti a BCCH-ek szintjét és minőségét, BS utasítja MS-t a teljesítmény és időzítés beállítására A hívást az MS vagy a BS végezteti (bontja a kapcsolatot) AZ MS TELJESÍTMÉNYSZINT BEÁLLÍTÁSA Ha a BS vett jelének szintje és minősége (BER) túl jó: szükségtelenül terheli az akkumulátort, szennyezi a teret (interferencia szint), ellenkező esetben tül rossz hibaarány. A szabályzás 2 dB-es lépcsőkben, a minimum 13 dBm (20 mW). (Downlink is lehetséges.).

Rendszertechnika

Témakörök Cellás rendszerek A GSM rendszer felépítése A bázisállomás alrendszer BSS, Base Station Subsystem Hálózat és kapcsoló alrendszer NSS, Network and Switching Subsystem Üzemeltetési alrendszer OSS, Operation Subsystem Jelzésátvitel, Signalling OSI modell Szabványos interfészek

Cellás rendszerek A korai mobil rádió rendszerek egyetlen, kedvező földrajzi helyen kialakított adóvevő állomáson alapultak. A mobil végberendezések a központi adóvevő állomáson keresztül kommunikáltak és a rendszer szolgáltatási területe a bázisállomás ellátási területére korlátozódott. E konfiguráció hátránya, hogy az idővel egyre könnyebbé váló mobil végberendezések hatótávolsága korlátozott, mivel a rádióhullámok teljesítmény sűrűsége nagy frekvenciákon rohamosan csökken. Emellett a földreflexiók és az átviteli út mentén lévő akadályok jelentős járulékos csillapítást okoznak, ami tovább csökkenti a szolgáltatási területet.

Cellás rendszerek Ugyancsak jelentős probléma a spektrumhiány; a mobil szolgáltatások számára rendelkezésre álló frekvencia tartomány korlátozottsága. Az előbbiekben említett nehézségeket a cellás rendszerek nagy számú adó-vevő készülék (bázisállomás) telepítésével hidalják át. Ez a hálózatstruktúra nagy forgalomsűrűség elérését teszi lehetővé nagy kiterjedésű területen. A nagyszámú bázisállomás használata lehetővé teszi a kis teljesítményű mobil állomásoknak, hogy bárhol elérhessék a rendszert. A spektrumhiány ily módon megkerülhető a rádió erőforrások újra felhasználásával. Az egy adott cellában felhasznált frekvenciák újra felhasználhatók néhány cellával távolabb, olyan távolságban, ahol az interferencia egy meghatározott szint alá csökken.

Cellás rendszerek A rádiós összeköttetés fennmaradását a cellahatárokon a hívásátadás biztosítja. A cellás rendszereket a spektrum felhasználási hatékonyságukkal jellemzik, melyet a rendszerben használt modulációs és diversity technikák és a frekvencia újrafelhasználási tényező határozzák meg. Ezt a mutatót a megfelelő rendszer architektúra használatával, teljesítmény szabályzással, frekvencia ugratással (hopping) és szakaszos adással (DTX) lehet javítani. E technikák csökkentik illetve optimálisan elosztják az interferenciaszintet és ezáltal lerövidítik a frekvencia újrafelhasználás minimális távolságát.

A GSM rendszer felépítése MS PSTN B S C T BTS MSC/VLR IWF AuC EIR HLR A GSM rendszer felépítése

A GSM rendszer felépítése

A GSM rendszer felépítése A GSM hálózat négy alrendszerből áll: a Mobil Állomás (MS), (lásd külön előadás) a Bázisállomás Alrendszer (BSS), a Hálózati és Kapcsoló Alrendszer (NSS) és az Üzemeltetési Alrendszer (OSS). A rendszer funkcionális egységeit interfészek választják el. Ezek az interfészek a rádió interfész (MS - BBS), az Abis interfész (BTS - BSC) és az A interfész (BSC - MSC).

MS VLR HLR H EIR VLR AuC SCF G D J E B C F IWMSC GMSC MSC BTS PSTN GSM EIR VLR AuC SCF Database level SP G SP D SP SP J SP E SP B C F SP SP SP SP Signalling level IWMSC GMSC MSC BTS PSTN PLMN A Abis LE Switched Network MSC BSC Network level MS Um SP: Signalling Point SIM MS-SIM

A bázisállomás alrendszer BSS, Base Station Subsystem A bázisállomás alrendszer tartalmazza a cellás hálózat kialakításához szükséges adó-vevő és vezérlő berendezéseket. Három fő funkcionális elemet foglal magában: a Bázis Adóvevő Állomást (BTS), a Bázisállomás Vezérlőt (BSC) és a transcodert (TC-k).

Bázisállomás (BTS) A bázisállomások a rádió interfészen keresztül közvetlen kapcsolatban vannak a mobil állomásokkal. Főbb feladataik: elvégzik a csatorna kódolást és dekódolást, megvalósítják az ún. interleaving és de-interleaving funkciókat, a titkosítást és a titkosított jel visszaalakítását, a beszéd- és adatsebesség adaptálását, a modulációt, a teljesítmény erősítést és az RF jelek egyesítését, fenntartják a szinkronizációt a BTS és az MS között, valamint vezérlik a logikai csatornák időzítését és továbbítják a BSC felé az MS és a BTS méréseit.

Bázisállomás (BTS) A BTS-ek főbb elemei: rádió adók és vevők, antennák és antenna kábelek, duplexerek esetenként splitterek. A BSC-khez tipikusan 2 Mbit/s-os PCM vonalakon keresztül csatlakoznak, melyeket mikrohullámú összeköttetésekkel valósítanak meg. A lehetséges BTS-BSC átviteli megoldások pont-pont-, többleágazású-lánc- és többleágazású-hurok összeköttetések lehetnek.

Bázisállomás vezérlő (BSC) A BSC feladatai, hogy konfigurálja és vezérelje a rádió interfészt és hogy a transcodereken keresztül kapcsolatot tartson a hálózat és kapcsoló alrendszer központjaival. Távvezérli a hozzá tartozó bázisállomásokat és ezáltal vezérli a forgalmi és jelzésátviteli csatornák lefoglalását, a forgalmi csatornák minőségét és térerősségét, a BTS-ek és MS-ek teljesítményszintjét, az előfizetők megtalálását (paging) és a frekvencia ugratást. Emellett részt vesz a BSC és MSC közti földi átviteli vonal vezérlésében.

Transzkóder (TC) A transzkóder funkcionálisan a bázisállomás része. GSM-specifikus kódolást és dekódolást és adatátvitel esetén sebesség adaptálást végez. Feladatai közé tartozik a downlink (BTS-MS irányú) beszédintenzitás érzékelése is. A transzkóderek telepíthetők a BTS-ekben vagy tőlük távol is így pl. a BSC-ben vagy akár az MSC-ben. A transzkóderek BSC-be vagy MSC-be való áthelyezésével az üzemeltetők megtakarítást érhetnek el a földi átviteli összeköttetések árában, mivel a TC-k összekötő (gateway) funkcióval rendelkeznek a 16 és 64 kbit/sec átvitel között; így a csatornánkénti BTS és TC közti átviteli kapacitást 16 kbit/sec-ra csökkenthető.

Hálózat és kapcsoló alrendszer NSS, Network and Switching Subsystem A Hálózat és Kapcsoló Alrendszer fő feladata, hogy irányítsa a GSM felhasználók és az egyéb távközlési hálózati rendszerek felhasználói közötti kommunikációt. Két funkcionális része van: a kapcsoló rendszer valamint az előfizetői és végberendezés adatbázisok. A kapcsoló rendszer a Mobil Szolgálati Kapcsolóközpontból (MSC), esetleg egyéb szolgálati központokból, mint pl. a Rövid Üzenet Szolgálati Központ (SMSC) áll.

Hálózat és kapcsoló alrendszer Az előfizetői és végberendezés adatbázisok tartalmazzák a Látogató Előfizetői Helyregisztert (VLR), a Honos Előfizetői Helyregisztert (HLR), az Előfizetői Azonosító Központot (AUC) és a Berendezés Azonosító Regisztert (EIR). Az Hálózat és Kapcsoló Alrendszer további funkcionális egysége a Hangposta Rendszer (VMS), mely tulajdonképpen nem illik bele a GSM specifikációk által definiált fenti funkcionális egységek egyikébe sem.

Mobil Szolgálati Kapcsolóközpont MSC, Mobile Switching Center A Mobil Szolgálati Kapcsolóközpont alapvető kapcsolási és irányítási funkciókat hajt végre az NSS-en belül. Legfontosabb feladata, hogy a szolgáltatási területén található mobil állomások mobil kezdeményezésű, illetve mobil végződésű hívásainak felépülését koordinálja. Az MSC és egy közönséges telefonközpont között az a különbség, hogy az MSC olyan többletfunkciókkal rendelkezik, melyek segítségével követni képes a rádió erőforrások lefoglalását és kezelni tudják az előfizetők mobilitását.

Mobil Szolgálati Kapcsolóközpont (MSC) Az MSC egyben átlépő központ is az olyan hálózatokkal való kommunikáció vonatkozásában, amelyek adaptálást igényelnek. Ezt az együttműködési funkciók (IWF-ek) végzik. Az IWF egy átviteli protokoll adaptáló berendezés, amely a GSM adatátvitel sajátosságait illeszti a partner-hálózatok, mint pl. PSTN, ISDN, PSPDN vagy CSPDN, protokolljaihoz. A funkciók magukba foglalják a helyregisztrálást, az előfizető hívását, a hívásátadást és a titkosítási paraméterek átvitelét és a DTMF jelzésátvitelt Dual tone multi frequency, inband jelzésátvitelre használják hivas közben, billentyűnyomástól elengedésig az MSC a gombnak megfelelő hanot generál. Az FACCH-n jut el a billentyű kódja az MSC-hez.

Mobil Szolgálati Kapcsolóközpont (MSC) Az Hálózat és Kapcsoló Alrendszer általában egynél több MSC-t tartalmaz. Ez esetben egy vagy több MSC-t átlépő központnak (Gateway MSC, GMSC) jelölnek ki, melyek feladata az előfizető helyének megállapítása és a hívás továbbítása azon MSC illetve külső hálózat (pl. PSTN) felé, mely a felhasználót kiszolgálja.

Honos Előfizetői Helyregiszter HLR, Home Location Register A Honos Előfizetői Helyregiszter egy olyan adatbázis, amely az előfizető helyére és a számára nyújtható távközlési szolgáltatásokra vonatkozó információt tartalmaz. A HLR azonosítja, hogy a felhasználó megkaphatja-e az adott táv- vagy hordozó szolgáltatást. A kiegészítő szolgáltatásokra vonatkozó információkat nem feltétlenül tárolja. A Honos Előfizetői Regiszterben két szám tartozik minden felhasználóhoz: a Mobil Állomás Nemzetközi ISDN Száma (MSISDN) és a Nemzetközi Mobil Állomás Azonosító (IMSI).

Honos Előfizetői Helyregiszter (HLR) Az MSISDN az előfizető telefonszáma, melyet a mobil állomás hívásakor tárcsáznak. Szemben a hagyományos telefonhálózatban megszokottakkal az MSISDN az előfizető szolgáltatását definiálja, nem pedig az előfizető telefon készülékét. Ez azt jelenti, hogy az előfizetők a különböző szolgáltatásokhoz különböző MSISDN-t kapnak. Az IMSI a SIM kártya hálózaton belül használt egyedi azonosító száma. Ezt a számot az előfizető aktiválásakor definiálják és összekapcsolják az MSISDN-nel. Az IMSI-t a HLR az AuC-ban és a SIM kártya is tárolja.

Honos Előfizetői Helyregiszter (HLR) A HLR lehetővé teszi a hívások átirányítását azon MSC/VLR szolgáltatási területére, amelyben a mozgó felhasználó éppen elhelyezkedik azáltal, hogy az előfizető helyére vonatkozó információkat tárol, beleértve legalább a látogatott MSC/VLR címét, azonosítani képes a mobil állomásokat, valamint megkéri a látogatott MSC/VLR-től a Mobil Állomás Roaming Számot (MSRN).

Látogató Előfizetői Helyregiszter VLR, Visited Location Register A HLR-en kívül egy másik adatbázis funkciót is megvalósítanak a GSM-ben: a Látogató Előfizetői Helyregiszter (VLR). A VLR-ek egy vagy több MSC-hez kapcsolódnak. Mindegyikük több cellát vezérel, feladatuk, az MSC(-k) szolgáltatási területén tartózkodó előfizetők adatainak átmeneti tárolása, valamint az előfizető helyének a HLR-nél pontosabb ismerete. A GSM cellák egy-egy csoportja forgalmi területet képez. Valahányszor a mobil állomás átlépi két forgalmi terület határát vagy más helyen kapcsolják be, mint ahol utoljára sikeresen regisztrálásra került, a VLR megkíséreli végrehajtani a helyregisztrációs eljárást (location updating).

Látogató Előfizetői Helyregiszter (VLR) A legutolsó helyregisztrációs kísérlet eredményét a SIM is tárolja. A helyregisztráció során az előfizető adatai áttöltődnek a HLR-ből a VLR-be. Ezáltal a VLR részt vesz az előfizető azonosításában, a hívásátadásban, támogatja a titkosítást és a rövid üzenetek továbbítását.

Kapcsolatok az egyes területek között GSM-en belül GSM Service Area (valamennyi tagország) PLMN Service Area (egy vagy több országonként) MSC Service Area (egy MSC által felügyelve) Location Area (location & paging area) Cella Egy adott BTS által kiszolgált terület

Készülék Azonosító Regisztert EIR, Equipment Identity Register A GSM specifikáció definiál egy mobil állomások azonosítására szolgáló hálózati elemet, a Készülék Azonosító Regisztert (EIR). Ez egy adatbázis, amely a mobil készülékek főbb adatait tárolja. Az EIR-ben az MS-ekre a Nemzetközi Mobil Készülék Azonosítóval (IMEI) hivatkoznak. Az EIR három különböző listán tárolja az IMEI-ket. A fehér lista a típus engedélyezett berendezések IMEI számait tartalmazza, a szürke listán a megfigyelés alatt álló készülékek vannak és végül a fekete lista azon mobil állomások IMEI számait tartalmazza, amelyeket le kell tiltani, vagy azért, mert ellopták őket vagy súlyos működési zavarok miatt.

Előfizetői Azonosító Központ AuC, Authentication Center Az előfizetők azonosítására szolgáló biztonsági adatokat az Előfizetői Azonosító Központ (AuC) kezeli. A hálózat illetéktelen használata elleni védelme céljából lehetőség van a GSM előfizetők azonosítására minden regisztráláskor, minden hívás-felépítési kísérlet alkalmával és a kiegészítő szolgáltatások aktiválása, deaktiválása, regisztrálása vagy törlése alkalmával.

Előfizetői Azonosító Központ (AuC) A hitelesítés lényege a hálózati oldalon lévő előfizetői azonosító kulcs (az úgynevezett Ki szám összehasonlítása) a SIM-en tárolt Ki számmal anélkül, hogy az valaha is kiküldésre kerülne. A hálózati oldalon az AuC tárolja a Ki számot. Emellett tárol rejtjelezési paramétereket és tartalmaz egy véletlen szám generátort is. Az AuC lényegében a HLR funkcionális alosztálya, de különálló hálózat elem is lehet.

Rövid Üzenet Szolgálati Kapcsolóközpont, SMS Center A Rövid Üzenet Szolgálati Kapcsolóközpontnak ugyanaz a szerepe az írott üzenetek továbbításában mint az MSC-nek a bejövő beszéd- és adathívások lekezelésében. A GSM specifikációk nem definiálják pontosan az SMSC-re vonatkozó összes protokollt ezáltal némi szabadságot hagynak a gyártónak. Mindazonáltal minden SMSC-nek tartalmaznia kell az alacsony szintű protokollokat, amelyek lehetővé teszik a rövid üzenetek továbbítását a mobil állomás és az SMSC között, továbbá olyan protokollokat, amelyek lekérdezik a HLR-t és kikeresik az előfizető címét, amikor az elérhető, illetve értesítik az SMSC-t, ha a felhasználó ismét elérhetővé válik.

SMS központ Érdemes megemlíteni, hogy a rövid üzenetek átvitele az egyetlen olyan szolgáltatás a GSM rendszerben, amely nem követeli az átviteli vonal két végpont közti felépítését. A rövid üzenetek a jelzésátviteli csatornákat veszik igénybe (nevezetesen az SDCCH és az csatornákat), ezért akkor is átvihetők, amikor a mobil állomás hívást bonyolít le.

Üzemeltetési alrendszer OSS, Operation Subsystem Az üzemeltetési alrendszer lehetővé teszi hogy a hálózat fenntartó nyomon kövesse és vezérelje a GSM hálózatot. TMN feladatok: hiba-, konfiguráció-, számlázás-,teljesítőképesség-, biztonság-menedzselés. A szabványos TMN koncepció alapelveinek megfelelően egyrészt az OSS olyan főbb hálózati elemekhez csatlakozik, mint az MSC, a BSC, a HLR és egyebek (a BTS-eket a BSC-ken keresztül lehet elérni) másrészt ember-gép interfészt biztosít az üzemeltető személyzet számára. TMN Telecom. Management Network

Üzemeltetési alrendszer (OSS) Az OSS lehetővé teszi hogy az üzemeltető folyamatosan ellenőrizze a felhasználónak nyújtott szolgáltatás minőségét olyan paraméterek mérésével, mint a forgalom, a torlódás, a hívásátadások, az eldobott hívások, az interferencia, stb. Ez a lehetőség segít a rendszer szűk keresztmetszeteinek és problematikus területeinek feltárásában. Ugyancsak lehetőséget biztosít a rendszerbe történő beavatkozásra egy-egy probléma megoldása során.

Üzemeltetési és Karbantartó Központ OMC, Operation and Maintenance Center A BSS valamint a Hálózati és Kapcsoló Alrendszer gépeivel kapcsolatban levő hálózati elem az Üzemeltetési és Karbantartó Központ (OMC). Egy OMC tipikusan a hálózati adatbázisból és egy néhány munkaállomásból áll, melyek az OMC adatbázist menedzselik és egyéb hálózati elemekkel vannak kapcsolatban. A GSM hálózat több OMC-t tartalmazhat, ez esetben az OMC-k össze vannak kapcsolva.

Üzemeltetési és Karbantartó Központ (OMC) Az OMC-nek fontos szerepe van a napi karbantartásban is. Összegyűjti és kijelzi a hálózatelemek által kibocsátott riasztásokat és ezáltal lehetővé teszi az operátor számára, hogy feltárja, behatárolja és korrigálja a rendszerben fellépő hibákat és leállásokat.

Szabványos interfészek HLR AuC VLR EIR SCF H SP J D G C E F Database level B Signalling level GMSC MSC IWMSC BSC BTS LE PSTN A Abis PLMN Switched Network MS Network level GSM SP: Signalling Point Um MS-SIM SIM

Helyszín frissítés és hívás eljuttatás A GSM ad egy interfacet a GSM mobil hálózat és a nyilvános fix hálózat között. A fix hálózat szempontjából, az MSC csak egy másik kapcsoló csúcs. Azonban a kapcsolás egy kicsit komplikáltabb a mobil hálózatban, mivel az MSC –nek tudnia kell, hogy éppen hol bolyong a mobil – és az GSM –nek még képesnek kell lenni más országbeli roamingra. A GSM a helyzet frissítést és a hívás eljuttatást a mobilhoz két helyi regiszter használatával valósítja meg: az Otthon Hely Regiszter (HLR) és a Látogató Hely Regiszter (VLR).

Helyszín frissítés és hívás eljuttatás A helyzet frissítést a mobil kezdeményezi, mikor figyeli a Műsorszórást Vezérlő Csatornát, ez közli azt, hogy a helyi – területi műsorszórás nem ugyanaz, mint az egyel ezelőtt a mobil memóriájában tárolt. Egy frissítés kérés és az IMSI vagy az előző TMSI van elküldve az új VLR –nek az új MSC –n keresztül. Az új VRL lefoglal egy Mobil Állomás Bolyongási Számot (MSRN) és elküldi a mobil HRL –jének (ami mindig a legfrissebb helyzetet tartja). Az MSRN egy rendes telefonszám, ami eljuttatja a hívást az új VLR –nek és utólag továbbítja a mobil TMSI –jének. A HRL visszaküldi a szükséges hívás vezérlés paramétereket, és valamint küld egy cancel üzenetet a régi VLR –vek, úgyhogy az előző MSRM újra lefoglalható. Végül, egy új TMSI lefoglalódik és elküldik a mobilnak, hogy azonosítsa azt a jövőbeni lapozásban vagy a híváskezdeményezés kérést.

Helyszín frissítés és hívás eljuttatás A fenti helyszín-frissítő eljárással könnyű megvalósítani a hívás eljuttatása egy bolyongó mobilhoz. A legáltalánosabb eset a 4. Ábrán látható, ahol egy hívás a fix hálózatból (Nyilvánosan kapcsolt Telekommunikációs Hálózat vagy Integrált Szolgáltatású Digitális Hálózat) egy mobil előfizetőhöz van helyezve. Használva a Mobil Előfizető telefonszámát (MSISDN, az ITU –T E.164 ajánlásában lévő ISDN számozási terv), a hívás keresztülmegy a fix hálózaton a GSM kapujához az MSC –hez (az MSC kapcsolja össze a fix földi hálózattal, így szükséges egy visszhang törlő). A kapu MSC az MSISDN –t használja, hogy megkérdezze az Otthoni Hely Regisztert, ami visszaadja az aktuális roaming számot (MSRN). A kapu MSC használja az MSRN –t, hogy eljuttassa a hívást a megfelelő MSC-hez (ami általában párban van a VLR –el). A VLR akkor átalakítja a roaming számot a mobil TMSI –jévé, és egy lapozó hívást közvetít a cellákon az aktuális BSC szabályzása alatt, hogy informálja a mobil.

CSATORNAKIALAKÍTÁS, DUPLEX MEGOLDÁSOK és ÁTVITEL

CSATORNAKIALAKÍTÁS A véges spektrumtartományt gazdaságosan kell kihasználni. Cellán belül igen sok fel-használó lehet, az aktívokat ki kell szolgálni, ezért több rádiócsatornára van szükség cellánként. Többszörös hozzáférési/elérési (MA) módszerek: Frekvenciaosztásos többszörös elérés, FDMA: Egy nagyfrekvenciás sáv (közepén a vivőfrekvenciával) egy rádiócsatornát képvisel, az egyes sávok egymás mellett alkotják a csatornakészletet.

CSATORNAKIALAKÍTÁS FDMA előny: FDMA hátrányok: A csatornaosztás csökkentésével növelni lehet a csatornák számát FDMA hátrányok: Nagyobb frekvenciapontosság szükséges A csatorna sávszélesség csökkentésével romlik a minőség Meredek karakterisztikájú szűrőkre van szükség a vett jelek, és nagy csillapítású szűrők kellenek a kétirányú jelek szétválasztására Csatornánként szükséges egy adó-vevő pár (ez a bázisállomásokon jelentős szempont)

CSATORNAKIALAKÍTÁS Tipikus példák: 25 kHz-es csatornaosztású analóg rendszerek, 20 kHz-es osztású magyar NMT450 analóg rádiótelefon, 12,5 kHz csatornaosztású digitális trönkölt TETRAPOL. A zavarás elkerülésére védő frekvenciatartományok. Analóg rádiórendszerekhez csak ez használható! Időosztásos többszörös elérés, TDMA: egy vivőfrekvenciához időben eltoltan (egymás utáni időrésekben) több csatorna jele tartozik, az összetartozó időrések a keretidőnek megfelelő időtávolságban ismétlődnek.

CSATORNAKIALAKÍTÁS Pl. teljes sebességű GSM: 8 időrés vivőnként: 577s a résidő, 4,615 ms a keretidő. Fél sebesség esetén a 16 rés mindegyike fele időtartamú. keret következő keret 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 időtengely A nyilak egy kiválasztott csatornát jeleznek. .

CSATORNAKIALAKÍTÁS Downlink irányban a bázisállomás az egyes mobilok felé szánt időréseket egymás után küldi el, ezek a terjedést is figyelembe véve egymáshoz képest változatlan időzítéssel érnek minden mobilhoz. Uplink irányban a mobil-bázisállomás távolság minden mobilra más, így a terjedési időkülönbségből az időrések összecsúszása lenne. Adás siettetés: a útkésleltetés értékével hamarabb adva az időrések helyzete egymáshoz képest jó marad.

CSATORNAKIALAKÍTÁS További tények: egy-egy mobil csak az idő 1/8 részében ad: adóteljesítmény felszabályzás és leszabályzás (ezért védőidő) kell a rések között. Az adássiettetés sem tökéletes. A gyakorlatban egy cella területén általában több vivőt használnak (pl. GSM esetén vivőnként 8 időréssel), hogy a forgalmi igényeket ki lehessen elégíteni, ezért mondható a TDMA/FDMA besorolás is. GSM-nél a csatornaosztás 200 kHz.

CSATORNAKIALAKÍTÁS TDMA előnyei: Sok előfizető használhat közösen egy vivőfrekvenciát A rendelkezésre álló időrések számától függően egy (bázisállomási) adóvevő több előfizetőt is ki tud szolgálni A (mobil oldali) adó és vevő nincs állandóan bekapcsolva, így a tápteljesítménnyel takarékoskodik A maradék időben, a szünetekben más feladatok is elvégezhetők Nagyobb csatorna sávszélességek esetén kevésbé érzékeny a frekvenciaszelektív fadingre Több időrés összevonásával nagyobb adatsebeség megvalósítására is lehetőség nyílik

CSATORNAKIALAKÍTÁS TDMA hátrányai: Az előfizetők időbeli szinkronizálását igen pontosan kell elvégezni Nagyobb jelfeldolgozási képességre van szükség Szélessávú modulátorok és demodulátorok kellenek A többutas terjedés okozta időbeli diszperzió/szóródás a nagyobb rádiócsatorna bitsebeség értékek miatt jelentős szimólumközi áthallást (ISI) okoz, ezért különleges jelsorozatok beiktatásával segített kiegyenlítő áramkörök szükségesek

CSATORNAKIALAKÍTÁS Kódosztásos többszörös elérés: egy cellán belül minden (de legalábbis: sok) felhasználó ugyanannak a vivőfrekvenciának a felhasználásával kommunikál. A bitek összeköttetéshez/csatornához rendelésére a bitidőhöz képest sokkal gyorsabb álvéletlen jelsorozatokat használnak, minden csatornához különbözőt. Az álvéletlen jelek vevőoldali ismeretében a kívánt bitsorozat elemei kiemelkednek a többihez képest.

CSATORNAKIALAKÍTÁS Ennek mértéke egyetlen idegen (zavaró) csatorna jeléhez képest a feldolgozási nyereség (pl. az USA cdmaONE nevű rádiótelefon rendszerében 64 és 64 álvéletlen sorozat, ú.n. chipsorozat tartozik a készlethez). Ha a szükséges jel/zavar viszony 4, akkor 16 idegen mobil működhet a cellában. Minthogy a kódok száma nagyobb, nem az korlátoz (20 vagy 25 is lehet, csak a hibák száma lesz nagyobb).

CSATORNAKIALAKÍTÁS Természetesen nagyobb forgalom esetén használható több vivőfrekvencia is, ilyenkor a besorolás akár CDMA/FDMA lehet. A CDMA előnyei: Adott frekvenciasávot több előfizető egyidejűleg képes használni Egy vevő több jelet tud venni egyszerre (pl. szinkronizáló csatorna, időben eltolt jelek, stb.): RAKE vevő Nagyobb csatorna sávszélesség, védelem a szelektív fading ellen Több előfizetőt tud kiszolgálni, jó a spektrális hatékonysága Nincs szükség a cellák frekvenciatervezésére

CSATORNAKIALAKÍTÁS A CDMA hátrányai: Jelentősége: Az előfizetők időbeli szinkronizálását pontosan kell megoldani (vivé, chip, bit szinten) Gyors adóteljesítmény szabályzásra van szükség uplink irányban, igen nagy dinamikatartományban (a közel-távol hatás ellen) Jelentősége: Dél-Korea és az USA után a világméretű harmadik generációs (3G) rendszer (Európában: UMTS) alapját képezi

CSATORNAKIALAKÍTÁS Sok alkalmazásnál egyidejűleg kétirányú kommunikációra van szükség, pl. telefon beszédátvitelnél ez az igény. Ilyenkor egy végponthoz (pl. mobil készülékhez) tartozóan két csatornát (egy uplink és egy downlink irányút) kell egyidejűleg működtetni. Ehhez a teljes duplex átvitel megvalósítása szükséges.

CSATORNAKIALAKÍTÁS Ha biztosítani kell a kétirányú kapcsolat lehetőségét, de egyidejűleg elég az egyik irány használata, akkor félduplex működési lehetőségre van szükség (pl. az adásgombot lenyomó fél adhat, míg a másik vesz). Ha a kapcsolat mindig csak egyirányú lehet, akkor szimplex összeköttetésről beszélünk (pl. személyhívó rendszer).

DUPLEX MEGOLDÁSOK Duplex rendszer megvalósításához a többszörös csatornaelérésnél megismert megoldásokhoz hasonlók lehetségesek: Frekvenciaosztásos duplex: az egy összeköttetéspárhoz tartozó uplink és downlink vivőfrekvenciák között állandó, u.n. duplex frekvenciatávolság van. Ez a 450 MHz körüli sávokban (pl.NMT450) 10 MHz, 900 MHz körül 45 MHz (GSM), az 1800 MHz körüli sávokban DCS/GSM1800) 95 MHz. Így a közös adó-vevőantenna jelek (ha kell) frekvenciaalapon szétválaszthatók. Analóg rendszereknél csak ez használható.

DUPLEX MEGOLDÁSOK Időosztásos duplex: egy összeköttetés kétirányú forgalma azonos vivőfrekvencia használatával történik, az uplink és downlink félkeretek váltakoznak (pl. a DECT szabvány szerint a keret 12 uplink és 12 downlink, összesen tehát 24 időrésből áll, valamennyi vivőfrekvenciája azonos; 12 duplex csatorna tartozhat tehát egy vivőhöz)