Maros Dóra GSM 2012

duplex távolság: 80MHz sávszélesség: 60MHz GSM frekvenciasávok GSM900 : uplink: 890~915MHz downlink: 935~960MHz duplex távolság: 45MHz sávszélesség: 25MHz fr. raszter: 200KHz 124 duplex vivő csatornaszámok: 1-124 EGSM900 : uplink: 880~890MHz downlink: 925~935MHz duplex távolság: 45MHz sávszélesség: 10MHz fr. raszter: 200KHz GSM1800 : uplink: 1710-1785MHz downlink: 1805-1880MHz duplex távolság: 95MHz sávszélesség: 75MHz fr. raszter: 200KHz 374 duplex vivő csatornaszámok: 512-885 GSM1900MHz: uplink:1850~1910MHz downlink:1930~1990MHz duplex távolság: 80MHz sávszélesség: 60MHz fr. raszter: 200KHz

GSM rádiós interfész TS0-TS7 1 TDMA keret = 8 időrés Fizikai csatorna: Egy vivőfrekvencia egy időrése - fxTy 1 TDMA keret = 8 időrés 1 2 3 4 5 6 7 IDŐ TS0-TS7 DL és UL időzítés Bázisállomás

GSM antennák Omni-directional antenna (körsugárzó) 360 fokos sugárzás (szektorsugárzó) Egy szektorban sugároz pl. 120 fok, 60 fok

Hexagonális cellaminta R Körsugárzó antennák Zöld vonalon egyforma térerő a két antenna felől

A frekvencia újrafelhasználás elve (Frequency reuse) Azonos vivőfrekvenciát használó cellák, reuse factor:7 Két egymás melletti cellában nem lehet azonos frekvencia! Körsugárzó antennákat alkalmazunk

3/9-es cluster 120 fokos szektorsugárzóval Reuse factor = 9

4/12-es cluster 120 fokos szektorsugárzóval Reuse factor = 12

Szomszédos csatorna interferencia Két frekvenciasáv között nincs átlapolódás. 200 KHz f 200 KHz Két frekvenciasáv átlapolódik, zavarja egymást! (C/A) f

Azonos csatorna interferencia Szomszédos csatorna interferencia C/I és C/A hányados Azonos csatorna interferencia Szomszédos csatorna interferencia

GSM logikai csatornák 14.4Kbit/s FR TCH 9.6Kbit/s FR TCH Forgalmi csatornák (Traffic Channels) Data CH 4.8Kbit/s FR TCH 4.8Kbit/s HR TCH (TCH/H4.8) TCH FR (Full Rate, 13Kbit/s)) Voice CH HR (Half Rate, 6.5 Kbit/s) FCCH (DL): Frequency Correction CH. BCH SCH (DL): Synchronization CH. Kontrol csatornák (Control Channels) BCCH (DL): Broadcast Control CH. RACH (UL): Random Access CH. CCH CCCH AGCH (DL): Access Grant CH. PCH (DL): Paging CH. SDCCH: Stand-alone Dedicated CCH. DCCH FACCH: Fast Associated CCH. SACCH: Slow Associated CCH.

Szóró (Broadcast) csatornák típusai Broadcast Channels (BCH): Szóró csatornák. Ezek csak downlink irányú csatornák. Felelősek főleg a szinkronizációért, frekvencia korrekcióért, valamint a BTS ezeken sugározza pl. a celláról és a hálózatról szóló általános információkat. Mivel ez szórócsatorna, nem pont-pont között valósul meg, hanem pont-multipont, mivel a cellában lévő összes MS veszi ezt a csatornát. A BCH-ba tartoznak a következő csatornák: Broadcast Control Channel (BCCH): Általános szóró csatorna. A BCCH-n sugározza a BTS az általános információkat, mint pl. a hálózat kódját, a cellában használatos frekvenciákat, cella azonosítót, környező cellák információit és még sok egyéb dolgot (maximális teljesítmény a cellában, LAC stb.). Frequency Correction Channel (FCCH): Frekvencia korrekciós csatorna. Olyan információt tartalmaz, melynek segítségével az MS a BTS BCCH vivőjére tud hangolni. Az FCCH egy modulálatlan szinusz jel (csupa nulla), melyre az MS bekapcsolás után vagy másik cellába történő átlépéskor ráhangolódik. Synchronization Channel (SCH): Szinkronizációs csatorna. A BTS ezen a csatornán sugározza az MS felé a BTS kódját, valamit a TDMA keretszámot, melyet az MS felhasznál a titkosítási algoritmushoz. A csatorna csak downlink irányú.

Közös kontrol (Common Control) csatornák típusai Common Control Channels (CCCH): Közös kontrol csatornák. A BTS vagy az MS elérésére használják. A csatornákat az mobil készülékek közösen használják, azonban az információ csak egy MS-re vonatkozik. A CCCH magába foglalja a következő csatornákat: Paging Channel (PCH): Kereső csatorna. Downlink irányú, a BTS ezen értesíti az MS-t, ha bejövő hívása van. Access Grant Channel (AGCH): Hozzáférést felkínáló csatorna. Downlink irányú. Hívás felépítésekor a BTS kioszt egy SDCCH csatornát az MS számára, amelyen keresztül a jelzésváltás történik Random Access Channel (RACH): Véletlen elérésű csatorna. Uplink irányú. Híváskezdeményezéskor, vagy egy hívásértesítésre válaszoláskor ezen keresztül éri el az MS a BTS-t.

Dedikált kontrol (Dedicated Control) csatornák típusai Dedicated Control Channels (DCCH): Dedikált jelzéscsatornák. A dedikált azt jelenti, hogy a csatorna egy bizonyos MS-hez van társítva. Ezt a csatornát használják hívás felépítéshez, fenntartáshoz szükséges jelzések átviteléhez, mint pl. handover. A DCCH csatornák kétirányúak. Három csatorna tartozik ebbe a csoportba: Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH): Önálló dedikált jelzéscsatorna. Ezen a csatornán történik a hívás felépítéséhez szükséges jelzésátvitel az MS és a BTS között, mint pl. IMEI ellenőrzés, Autentikáció, titkosítás, TCH kijelölés. Amint az MS-nek kiosztásra került egy TCH, a mobil készülék elhagyja ezt a csatornát. Slow Associated Control Channel (SACCH): Lassú kisegítő jelzés csatorna. Ezen a csatornán küldi az MS a BTS felé az aktuális és a szomszédos cella mérési értékeit. Ezen értékek alapján dönt a BSC a csatornaváltásról, valamint vezérli az MS kimeneti teljesítményét és időzítését. TCH-hoz és SDCCH-hoz társul. Fast Associated Control Channel (FACCH): Gyors kisegítő jelzéscsatorna. Hasonló az SACCH-hoz, csak ezt akkor használják, amikor pl. sürgős handoverre van szükség, hogy elkerüljék a kapcsolat megszakadását. Ha a TCH időrésben a Stealing Flags (F) bit jelzi, akkor a TCH-n a titkosított beszéd bitek helyett jelzéseket visznek át. A folyamat olyan gyors, hogy a beszéd minőségét nem zavarja. TCH-hoz társul.

GSM burstök típusai

FC, S és A burst FCCH SCH RACH 148 bit 86 bit 0,577 ms, 156,25 bit G Guard periódus: védősáv T Tail bitek:000

IDLE: „csak kitöltésre”, nem információ! N és D burst BCCH, PCH, AGCH, SDCCH, SACCH, FACCH, TCH IDLE: „csak kitöltésre”, nem információ! 0,577 ms, 156,25 bit F Stealing Flag

A Guard periódus idő jellemzője Burst tartalom

TCH keretszervezés

Control csatornák keretszervezése BCCH vivő TS0 Downlink F:FCCH S:SCH C:Common Uplink Ez a struktúra a BCCH vivő 0. időrésében levő információkat tartalmazza. Az ismétlődés 51 keretenként történik.

Control csatornák keretszervezése BCCH vivő TS1 A Dowlink irányú csatornaszervezéshez képest az Uplink irány megegyezik, de időben el van tolva!

Keretszervezés

Rádiós átviteli jellemzők I. A hullámhossz és a frekvencia összefüggése A kisugárzott jel hullámhossza a kialakult elektromágneses hullám egy periódusának hossza. A frekvencia és a hullámhossz összefüggése: λ = c/f, ahol λ - hullámhossz (m) c - az elektromágneses hullám terjedési sebessége (vákuumban ill. levegőben körülbelül 3*108; pontosan 299792458 m/s) f - frekvencia (Hz) Példa: 1. f=900 MHz (9*108 Hz) λ =? 3*108 / 9*108 = 3/9 [m] ~ 0,33 [m] f=2,6 GHz (2,6*109) 3*108 / 2,6*109 = 1,154 * 10-1 ~ 0,1154 [m]

RSL Teljesítményszi nt a vevőben (dB) d (távolság az adóantennától) Rádiós átviteli jellemzők II. Rádióhullámok szabadtéri terjedése (Path loss) RSL Teljesítményszi nt a vevőben (dB) A szabadtéri csillapítás általános leírása: a0 = 20 log (4Πd/λ) a0 = 20 log (df) + 28,14 d (távolság az adóantennától)

Rádiós átviteli jellemzők III. Terjedési modellek Makrocellás terjedési modellek: Kevésbé forgalmas, elővárosi és vidéki környezet, laza beépítettséggel, nagyobb mozgási sebességgel Hata, COST231 Mikrocellás terjedési modellek: Forgalmas, nagyvárosi, sűrűn beépített környezet, kisebb mozgási sebességgel Walfish-Ikegami modell, COST 231 Beltéri (indoor) terjedési modellek Mootley-Keenan (félempirikus) Ray-tracing

Rádiós átviteli jellemzők IV. Árnyékolás, shadowing RSL (dB) d = Távolság az adóantennától Átlagérték Árnyékolás okozta változás (lassú fading)

Rádiós átviteli jellemzők V. Többutas terjedés (multipath fading) Verődések okozta változás (gyors fading)

Rádiós átviteli jellemzők VI Rádiós átviteli jellemzők VI. A frekvencia ugráltatás elve (frequency hopping) A különböző keretekben lévő burst-ök más-más frekvencián kerülnek átvitelre Az ugratás sebessége 217/mp 4 frekvencia Más hullámhossz Fading völgyek eltolódnak!

Rádiós átviteli jellemzők VII. Szimbólumok közötti áthallás (ISI) Bithiba a vevőben! 1? 0? A terjedési késleltetésből adódóan (> 1 bitidő) az egymás után küldött szimbólumok azonos időben érnek a vevőbe!

Rádiós átviteli jellemzők VIII. A VITERBI demodulátor és dekódoló Rádiós csatornán érkezett időrés tartalma Módosult training sequence Vevőben található eredeti training sequence Korrelátor Módosított csatornamodell Viterbi kiegyen- lítő Eredeti bitsorozat Rádió csatorna

Rádiós átviteli jellemzők IX. Interleaving elve Eredeti jelfolyam Kevert jelfolyam Csomagvesztés Rekonstruált jelfolyam Az eredeti jelfolyam azonos hosszúságú blokkokra van osztva, az egymás utáni blokkok elküldése különböző időkben történik!

Rádiós átviteli jellemzők X. Interleaving elve a GSM beszédcsatornán 20 ms csatornakódolt beszédminta (456 bit) 8 blokkra van bontva 57 bit Egy blokk egy keretben van elküldve (B blokk) Egy burst-be két minta egy-egy blokkja kerül

Az GSM védelmi jellemzői I. A biztonsági funkciók ellátásában a következő funkcionális elemek vesznek részt:   Mobil állomás (MS) Bázisállomás (BTS) Mobil kapcsolóközpont (MSC/MSS) Autentikációs központ (AUC) Honos helyregiszter (HLR) Látogató helyregiszter (VLR).

Az GSM védelmi jellemzői II. A SIM kártya csak a személyes azonosító szám (PIN = Personal Identity Modul) megadásával működik, ez kellő biztonságot nyújt a kártya ellopása (klónozása) esetén is. A hitelesítés vagy autentikáció az IMSI érvényességének ellenőrzésére szolgál. A hitelesítés az előfizetői kártya (SIM) segítségével történik, számított paraméter alapján. A titkosítás teljes bizalmasságot biztosít a rádiós csatornán az előfizetői információnak (beszédnek vagy adatnak). A titkosítás csak a mobilkészülék és a bázisállomás között valósul meg, a központban az információ már nincs titkosítva. Minden mobiltelefon rendelkezik egy IMEI azonosítóval, amely alapján a hálózatok ellenőrizhetik a készülék státusát. Ha lopott készülékről van szó, a hálózathoz való hozzáférést le lehet tiltani, vagy más intézkedést lehet életbe léptetni.

Az AUC feladata: a TRIPLET előállítása Véletlenszán generátor IMSI1 – Ki1 IMSI2 - Ki2 IMSI3 – Ki3 RAND Ki AUC A8 algoritmus A3 algoritmus SRES Kc Signed Response Ki Ciphering Key RAND Random Number

Az autentikáció folyamata SIM

A Kc generálása SIM

A titkosítás folyamata Mobil készülék (ME)

A kiszolgáló cella kiválasztása (IDLE mód) BCCH vivő 1 BCCH vivő 3 BCCH vivő 2 Kiszolgáló (serving) BTS RSL vivő1 > RSL vivő2 > RSL vivő 3

IMSI Attach/Detach, az IMSI flag Bekapcsoláskor: IMSI attached Kikapcsoláskor: IMSI detached 1 IMSI rekord VLR SDCCH

A Location Area Location Area 2 (LAC2) Location Area 1 (LAC1) Location Area 3 (LAC3) MSC/MSS

A Location Area jelentősége (paging) A Paging üzenet a kijelölt LA-n belül az összes cellában kiküldésre kerül!

Location update eljárás BCCH-n az új cella más LAC-t (LAC2) közvetít Location Area 2 (LAC2) Location Area 1 (LAC1) IMSI rekord LAC1 LAC2 VLR A Location Update eljárás frissíti a LAC-t a VLR IMSI rekordon!

Location update eljárás MSC/MSS szolgáltatási területen belül LA2 LA1 BSC1 VLR MSC BSC 2 (1) new LAI (2) Channel Req. IMSI (RACH) (3) Channel required IMSI: LA1 LA2 (6) (7)Loc. Upd. Accept. (7) Loc. Upd. Accept. (SDCCH) (4) Immediate Assign. (AGCH) (5) Loc. Upd, Req. (SDCCH)

Location update eljárás MSC/MSS szolgáltatási területek között (8) Loc. Upd. Ack (SDCCH) (4) Suscriber Information Request VLR MSC2 IMSI: VLR1 VLR2 BSC2 MSC1 (5) LA 2 LA 1 BSC1 (1) new LAI (2) Loc. Upd. Req. (SDCCH) (2) Loc. Upd. Request (6) Loc. Upd. Acknowledge HLR IMSI  MGT (3) (6) Subscriber Information (7) Location Cancellation

Handover (handoff) típusai Rescue handover: A cél a kapcsolat megmentése (pl. a BTS-től való távolság miatt, a MR alapján a BSC handover parancsot ad MS-nek) Traffic handover: Forgalmi okok miatti áthangolás (pl. hirtelen megnő a forgalom a kiszolgáló cellában, torlódás következhet be) Confinement handover: S/N optimalizálása, adási teljesítmény optimalizálása

Szomszédos cella mérése TCH multikeret 24. 25.  IDLE  Downlink 1 2 3 4 5 6 7   Uplink A multikeret végén 12 időrésnyi idő áll rendelkezésre a BSIC ellenőrzésére a szomszédos cellában!

A mérési report (measurement report) TCH BCCH vivő Kiszolgáló (serving) BTS TCH-n végzett mérések a serving cellában: RXLEV RXQUAL DISTANCE Szomszédos cellák mérése a BCCH vivőn: Mérési jelentés (measurement report) SACCH Összevont jelentés BSC Szomszédos cellák TCH-n végzett mérések RXLEV RXQUAL DISTANCE

A handover margin jelentése b c Jelerősség (SS) BTS A BTS B SS MIN. (A) SS MIN. (B) HO. MARGIN (B)

A handover esetek I. Intracell handover Forrás: Alien Coders: Basics of GSM in depth

A handover esetek II. Intercell handover Forrás: Alien Coders: Basics of GSM in depth

A handover esetek II. Inter BSC handover Forrás: Alien Coders: Basics of GSM in depth

A handover esetek III. Inter MSC handover Forrás: Alien Coders: Basics of GSM in depth