A GSM rendszer jellemzése, a rendszer szolgáltatásai A rendszer fő elemei mobil állomás (MS-Mobile Station) GSM hálózat. MS a föld felszínén (légijármű kizárva) mozog, vagy előre meg nem határozható helyen áll, a mobil berendezésből (ME) és az előfizetői azonosító modulból (SIM-Subscriber Identity Module) áll. A mobil állomásnak háromféle használati módja definiált, ezek gépjárműbe szerelt, hordozható, kézi mobil állomás. A GSM rendszer története 1984-ben a CEPT keretein belül az ajánlás kidolgozását végző munkacsoport felállítása, 1985-ben a munkacsoport részletes ajánlást készített a megvalósítandó hálózatról. 1988-ban létrehozták az ETSI-t (European Telecommunication Standard Institute), mely többek között átvette a GSM szabvány kialakításának feladatát is a CEPT-től. Az ETSI által elkészített műszaki specifikációt 1990-1991-ben publikálták.

A GSM rendszer jellemzése Szolgáltatások: - Az MS bolyongásának biztosítása - A távbeszélő szolgáltatás mellett a rendszer kapcsolódhasson más szolgáltatásokhoz, pl. ISDN hálózathoz - A rendszernek biztosítania kell a már meglévő PSTN/ISDN rendszerek által biztosított szolgáltatásokat, és a mobil rendszer tulajdonságai által lehetővé tett egyéb szolgáltatásokat - Az MS-ek működhessenek hajók fedélzetén - A rendszerhez különböző MS-ek kapcsolódhassanak, kézi, gépkocsiba épített

A GSM rendszer jellemzése A szolgáltatások minősége és titkossága - A távbeszélő szolgáltatás minősége legalább az analóg 900 MHz-es rendszerek minőségét el kell érni - A rendszernek képesnek kell lennie az előfizetői információk titkosítására Rádiófrekvenciás sáv - A rendszer legyen képes a jó rádiófrekvenciás spektrum kihasználására - A rendszer legyen működőképes a teljes 890- 915MHz és 935-960 MHz-es sávban - A rendszer legyen képes az egymás mellett működésre a már meglévő 900 MHz-es rendszerekkel

Sektrális hatékonyság növelésére alkalmazott eljárások Adóteljesítmény szabályozás (interf. csökk.) A küszöb minőség eléréséig visszaszabályozza az adóteljesítményt mind BS, mind MS oldalon Frekvencia ugratás Alacsony MS sebesség mellett a minőséget növeli a frekvencia diversity révén Nem folytonos adás (interf. csökk.) Beszéd – VAD (Voice Activity Detection) Mobil közreműködésével megvalósított handover Mérés: szomszédos cellákból származó vételi teljesítmény

A GSM rendszer jellemzése Hálózati szempontok - Az azonosítási és számozási rendszernek meg kell felelnie a jelenlegi CCITT ajánlásnak - A rendszernek lehetővé kell tennie a számlázást, a különböző hálózatok használata esetén - A mobil kapcsoló központok és helyzet regiszterek között a nemzetközi szabványos jelzésrendszert kell használni

A GSM rendszer jellemzése A GSM a felhasználó számára a hagyományos beszédátvitel és adatátviteli szolgáltatások mellett új szolgáltatásokat kínál, ezek pl. a rövid üzenet (short message, SMS) szolgáltatások, melyek a személyhívó szolgáltatáshoz hasonlóak, MMS Mobile Multimedia Service.

A GSM rendszer szolgáltatásai Beszéd szolgáltatások A GSM rendszer által kínált legfontosabb szolgáltatás a telefon szolgáltatás, mely kétirányú beszédátvitelt jelent a GSM rendszer előfizetői ill. bármely, a nyilvános vezetékes telefonhálózat (PSTN- Public Switched Telephon Network) előfizetői között. Bármely nyilvános vezetékes telefonhálózat előfizető vagy a nyilvános telefon hálózathoz kapcsolt hálózat elérhető. A GSM rendszer speciális beszéd szolgáltatása a vészhívás lehetősége, mely előfizetői azonosító modul nélkül, tehát ingyenesen igénybe vehető a készülékkel. A szöveges üzenet rögzítés lehetővé teszi az üzenet tárolását és későbbi meghallgatását, mely a GSM rendszer specifikációja szerint nem önálló szolgáltatás, és az üzemeltető alapszolgáltatásként kínálhatja. A szöveges üzenetet a rendszer akkor tárolja, ha az előfizető nem elérhető a hívás idején, vagy ha a hívó fél azt közvetlenül a hívott GSM előfizető hang postafiókjára küldi.

A GSM rendszer szolgáltatásai Adat szolgáltatások A GSM rendszert már a tervezés szakaszában többféle adat szolgáltatásra tervezték. Lényegében minden olyan szolgáltatást lehetővé tesz, amit a nyilvános vezetékes telefonhálózat és az ISDN természetesen a rádiós átvitel korlátait figyelembe véve.

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) Gyors fading, vagy Rayleigh fading a jel átlagosan félhullámhosszonként (ez a GSM rendszerben mintegy 16cm) 30-40dB-lel változik oka a mobil közelében lévő tárgyakról szóródó beeső hullámok interferenciája Lassú fading, vagy log-normál fading oka a mobil antennát körülvevő tereptárgyak (épületek, növényzet, stb.) árnyékoló hatása A GSM sávban a dB-ben normális (log-normál) eloszlás szórása városban mintegy  = 7dB, beépítetlen (vidéki) területen mintegy  = 10-12 dB

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) A Rayleigh fading olyan gyors, és olyan nagy jelszint változást okoz, hogy ez ellen teljesítmény tartalékkal nem lehet védekezni. Erre szolgál gyorsan mozgó mobil esetén a jel keretek átvitel előtti szétosztása (interleaving) majd újra összerakása (deinterleaving) és a meghibásodott bitek kijavítása. Vagyis a csatornakódolás. Lassan mozgó, vagy álló mobil esetén előfordulhat, hogy az antenna hosszasan egy jel minimum körül tartózkodik. Ilyenkor a csatornakódolás nem segít, és az átvitel hibás lesz. Ezt akadályozza meg a frekvencia ugratás, mely a minimumok helyét másodpercenként 217-szer változtatja, és ezáltal olyan hatást idéz elő, mintha az antenna gyorsan mozogna.

Interleaving

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) A gyorsan mozgó mobil, illetve a frekvenciaugratás ellenére mégis bekövetkező valamelyes minőségromlást úgy ellensúlyozzuk, hogy a szükséges hasznos jelszintet a vevő érzékenységhez képest M1 = 3dB-lel megnöveljük. Ez a Rayleigh fading tartalék. A lassú fading tartalék, mely a GSM rendszernél városban M2 = 5dB.

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) A GSM vevők zajjal határolt érzékenysége tehát fadinges jelre, városban - 102 + 3 + 5 = -94dBm (mobil) - 104 + 3 + 5 = -96dBm (bázis) Ha a mobil készüléket épületben is használni akarjuk, akkor a fenti -94dBm jelszintnek az épületben kell meglennie. Az épületcsillapítás a földszinten 12-15dB. Tehát belsőtéri lefedésre az épületen kívül -79dBm és -82dBm közötti jelszintet kell biztosítani.

Jelváltozások és ezek ellensúlyozása (fading tartalék) Interferenciával határolt esetben a fadinges hasznos jel és az ugyanolyan statisztikájú zavaró jel figyelembe vétele S/Ic= 16.5 .. 19dB

A cellás elv A besugárzás cellás elve A frekvencia újrafelhasználása Lehetséges cluster méretek Szektorizálás

A besugárzás cellás elve

A frekvencia újrafelhasználása

Lehetséges cluster méretek Cluster (fürt) méret = N

Lehetséges cluster méretek S/I viszony n a szakaszcsillapítás távolságfüggését leíró hatványkitevő

Szektorizálás Elve

Szektorizálás Hatása S/I viszonyra Kapacitásra (S/Ic) = 19dB előírásnál és az n = 3,5 értéknél

Az elérhető azonos csatorna zavar arány; dB

3/9 cella ismétlődés

4/12 cella ismétlődés 120 fokos szektoriális sugárzókkal

Mobil készülék felépítése Az MS feladata a fizikai csatorna megteremtése az MS és bázisállomás (BS - Base Station) között, mely funkció magába foglalja a rádió adás és vételt, a rádió csatorna menedzselését, csatorna kódolást és dekódolást, beszéd kódolást és dekódolást.

A GSM rendszer architekturája

Radio Subsystem - RSS – Rádiós alrendszer Mobile Station - MS – Mobil állomás Mobile Equipment - ME – Mobil készülék SIM – Subscriber Identification Module – SIM kártya Base Station Subsystem BSS – Bázisállomás alrendszer Base Station Controller - BSC – Bázisállomás vezérlő Base Tranceiver Station - BTS – Bázisállomás adó-vevő TRAU - Transcoder Rate Adaptation Unit Speech compression: Fullrate and Halfrate - Beszédkódolás Switching and Management Subsystem - SMSS – Kapcsoló és felügyeleti r. – NSS és OSS Mobile Switching Center – MSC – Mobil kapcsoló központ Gateway Mobile Switching Center – GMSC - Home Location Register – HLR – Honos helyzetregiszter Visitor Location Register – VLR – Látogató helyzetregiszter

A GSM alrendszerei

GSM interfészek

A BTS berendezés a forgalmi cella rádió ellátását (lefedését) végzi A BTS berendezés a forgalmi cella rádió ellátását (lefedését) végzi. A BS vezérlő funkcióit a BSC valósítja meg.

Switching and Management Subsystem - SMSS Mobile Switching Center – MSC Gateway Mobile Switching Center – GMSC Home Location Register – HLR Visitor Location Register – VLR Multimedia Messaging Service

GMSC feladata

Logikai csat. MS Hálózat RACH Csatorna kérelem (RR) RR kapcsolat létrehozása AGCH SDCCH kijelölése (RR) SDCCH Regisztráció kérelem (MM) Szolg. kérés Azonosítási kérelem (MM) Azonosítás Azonosítás válasz (MM) Titkosítási parancs (RR) Titkosításra kapcs. Titkosítás igazolás (RR) TMSI elküldés (MM) Új lokáció és TMSI igazolás (MM) Csatorna felszabadítás (RR) RR kapcs. zárás

A GSM rendszer rádió interfész jellemzői

124 csatorna, 200kHz osztással

Frekvencia sávok és csatorna kijelölés A GSM hálózat a 1. Táblázat értelmében 890-915 MHz frekvenciasávban uplink (MS-BS irányú), 935-960 MHz-es sávban downlink (BS-MS irányú) teljes duplex összeköttetést biztosít az MS-BS között, 200 kHz-es RF csatornaosztással. A frekvenciagazdálkodás követelményeit kielégítve, a fenti két sáv első és utolsó vivőjét nem használják, mert ekkor a modulációs sávszélesség miatt az engedélyezett sávon kívüli spektrumra is kiterjedne a rendszer által elfoglalt sáv. Az uplink és downlink összeköttetések vivőfrekvenciáit Fu és Fl-lel jelölve Fl(n)=890.2+0.2*(n-1) [MHz] Fu(n)=935.2+0.2*(n-1) [MHz] ahol n az abszolut RF csatornaszám (ARFCN - Absolute RF channel Number)

SIM kártya, Előfizetői azonosítás, titkosítás

IMEI - International Mobile Equipment Identity Megfelel az SIM nélküli mobil készülék sorozatszámának: négy részből áll, összesen 15 jegyű: TAC - Type Approval Code (6) FAC - Final Assembly Code (2) SNR - Serial Number (6) SP - Spare (1)

SIM előfizetői azonosító modul Mint a 2. fejezetben láttuk, a Mobil állomás (MS) magában foglalja a mobil berendezésen túl az előfizetői azonosító modult (Subscriber Identity Module - SIM) is. Az előfizetői azonositó modul feladata lényegében az, hogy a mobil állomáshoz előfizetőt rendeljen, mivel az előfizető a GSM-PLMN - ben nincsen egy állomáshoz rendelve, szemben a vezetékes telefonhálózattal. A kivehető és kicserélhető SIM kártyának több előnye van. Ha a mobil készülék meghibásodik, akkor lehetőség van az SIM kártyával másik készülékkel való müködésre és az előfizetőnek történő számlázásra. Ezentúl az előfizető rendelkezhet több készülékkel, melyekhez egyetlen SIM kártyát használva a számlázás egyetlen számlára történik és az előfizetőnek egyetlen hívószáma van. A SIM két változatát alkalmazzák a GSM rendszernél, ezek kiviteli formái kártya (ISO 7816) , bedugható modul.

A SIM kártya funkciói az alábbiak előfizetői adatvédelem (PIN kód) (az előfizető által beállítható) előfizetői információk kezelése előfizető által bevitt információk tárolása és kezelése (pl. telefonszám lista) rövid üzenet tárolása az előfizető preferencia listájának tárolása roaming esetére a PLMN választáshoz Kc és Ki paraméterek tárolása

A SIM lábkiosztása A SIM belső felépítése

A SIM kártya funkciói Az előfizetői adatvédelem A SIM kártya előfizetői adatvédelme 4 számjegyű PIN kóddal védett, mely az előfizető által beállítható. Telefonszám lista Az előfizető alfanumerikus információkat tárolhat az SIM kártyán ( pl. telefonszám lista) Rövid üzenetek tárolása A mobil készülék által vett rövid üzenetek (Short Message) tárolása a SIM kártyában lehetséges és ez lehetővé teszi a későbbi újraolvasást és esetleg másik mobil készülékben való elolvasását. Előfizetői preferencia lista Az MS nemzetközi bolyongásakor a készülék bekapcsolásakor elérhető GSM-PLMN-ek közül az előfizető az általa preferált hálózatot választhatja. Automatikus választásesetére megadható egy preferencia lista, mely alapján a készülék a hálózathoz kapcsolódik.

Az előfizetői adatok szervezése Az előfizetői adatok A nemzetközi mobil előfizetői szám (IMSI - International Mobile Subscriber Identity) három részből tevődik össze, ezek az MCC, MNC és MSIN. MCC MNC Mobile Country Code 3 digit Network 1 v. 2 digit MSIN Subscriber Identity Number max. 15 digit

Ki = 128 bit R = 128 bit SRES = 32 bit Előfizetői azonosítás algoritmusa

Kc = 64 bit Titkosító kulcs előállítása