Mobilnät. Sidorna i boken

Transkript

1 Mobilnät Sidorna i boken

2 Bakgrund Framgången av första generationens mobiltelefoner visade att det fanns ett behov för mobil kommunikation ARP (AutoRadioPuhelin) i Finland NMT (Nordic Mobile Telephone) i norden En andra digital generation utvecklades på basen av dessa (2G) Skild utveckling i Europa och USA på 1980-talet Resultatet av den europeiska utvecklingen var GSM Global System for Mobile Communications Togs i bruk på 1990-talet Viktigaste tjänsterna: Ljud, 3,1 khz Data, 9,6 kb/s SMS-textmeddelanden

3 Mobilnätets princip Målet är att få en täckande trådlös kommunikationstjänst på ett geografiskt stort område Möjlighet att kommunicera medan man rör sig Området delas in i celler och i varje cell byggs en en sändtagare som täcker cellen Det använda frekvensområdet delas mellan cellerna så att samma frekvens inte används i närliggande celler När en mobilapparat rör sig från en cell till en annan, noterar nätet detta och ber apparaten byta kommunikationsfrekvens

4 GSM:s arkitektur basstationssytem (BSS) centralsystem (NSS) PSTN mobilterminal (MS), SIM-kort bassändarstation(bts) basstationsstyrenhet (BSC) mobiltelefocentral (MSC), gästregister (VLR) gateway- MSC hemregister (HLR)

5 Basstationssystemet Base Station Subsystem (BSS) Basstationssystemet sköter mobilnätets funktioner som har med radiogränssnittet och mobilitet att göra Basstationsstyrenheten, Base Station Controller (BSC) styr en eller flere bassändarstationer Allokerar tidsintervall i radionätet Kontrollerar byte av basstation Informerar MSC/VLR om mobiltelefoner på sitt område Vet inte exakt läge för mobilterminalen förrän det behövs Bassändarstationen, Base Transceiver Station (BTS) Styr sändtagare, en eller flere Varje sändtagare använder ett frekvensområde och 8 tidsintervall En BTS kan ha högst sex frekvensområden, så en cell kan hantera 45 samtal (3 tidsintervall av 48 reserveras för signalering) Transcoding Rate and Adaptation Unit (TRAU) kodar om telefonnätets 64 kb/s PCM-data till 13 kb/s för GSM-nätet

6 Centralsystemet Network and Switching Subsystem (NSS) Bygger på traditionella telefonnätet SS7-signallering, intelligenta nätets tjänster och ISDN-digitalteknologi Mobiltelefoncentralen, Mobile Switching Center (MSC) Nätet har en eller flere MSC:n ISDN-telefoncentral utvidgad för mobilkommunikation Gästregister, Visitor Location Register (VLR) En databas kopplad till MSC, med information om mobilterminaler under denna MSC med BSC:s noggrannhet Hemregister, Home Location Register (HLR) Abonnentinformation för olika tjänster, t.ex. International Mobile Subscriber Identity (IMSI) MSISDN (Mobile Subscriber ISDN number) Samt Location Area Code, som berättar under vilken MSC terminalen är Autentikeringscentralen Authentication Center (AuC) i samband med HLR innehåller den information som behövs för autentikering av klienten Apparatidentifieringsregister, Equipment Identity Register (EIR) T.ex. International Mobile Station Equipment Identity (IMEI) -koder för stulna apparaters spärrlista

7 Mobilterminal Mobile Station (MS) MS består av två delar Mobilapparaten, Mobile Equipment (ME) Radiosändtagare Användargränssnitt Minne och databehandlingskapacitet för signalering, kryptering, textmeddelanden o.s.v. SIM-kort, Subscriber Identity Module(SIM) Smart kort, d.v.s. har egen centralenhet och minne Innehåller identifieringsinformation för autentikering till AuC

8 Övriga delar i nätet Driftstödsystem, Operations Support System (OSS) Styrsystem för hela systemet (t.ex. lägga till nya användare och tjänster) Tillverkarberoende, icke standardiserad Mervärdestjänster Utnyttjar bl.a. intelligenta nät Svarartjänst, vidarekoppling, telefonkonferens o.s.v. Textmeddelandetjänst, Short Message Service (SMS) SMS-central, SMSC Sparar och skickar vidare SMS-meddelanden SMSC fungerar lika som en e-postserver

9 GSM-nätets struktur Nätet består av olika delar, som alla har sin uppgift Delarnas uppgifter är noga definierade så att olika tillverkares komponenter kan kombineras Mellan delarna finns definierade gränssnitt och överenskomna protokoll Strukturen är betydligt mer invecklad är t.ex. Internets arkitektur Kretskoppling Användning kostar Tillförlitlighet och (drifts)säkerhet Nätet är planerat för investeringscykler på tiotals år och nya egenskaper kan läggas till

10 Uppdatering av position En väsentlig del av mobilnätet mobilitetsstyrning Cellerna är överlappande och typiskt kan flere basstationer (BTS) höra meddelandet Basstationerna sänder en identifierare enligt den basstationscontroller (BSC) som styr dem När telefonen inte är i bruk men påkopplad, följer den med identifieraren När telefonen märker att BSC-identifieraren ändras, ber den uppdatering av position av den nya BSC:n BSC informerar MSC om att telefonen har kommit on på dess område MSC sparar i gästregistret (VLR) information om terminalens position och skickar dessutom informationen till den gamla BSC:n Såhär har nätet ungefärlig kontroll på var terminalen befinner sig Kompromisslösning

11 Överräckning (handover) När ett samtal är i gång blir uppdatering av position mera krävande Under en basstationskontroller (BSC) är det BSC som kontrollerar radiogränssnittet och följer terminalen rörelse När det blir aktuellt att byta basstation, reserverar BSC en kanal (frekvens och tidsintervall) från den nya basstationen och skickar terminalen ett kommando att byta kanal Detta kallas hård överräckning (hard handover) I en mjuk överräckning skulle terminalen vara i kontakt med flere basstationer samtidigt MSC sköter bytet från en BSC:s område till en annan

12 Besök (roaming) Mobilterminalen kan kan utnyttja även andra operatörers nät, ifall operatörerna har kommit överens om detta Autentikeringen förmedlas från SIM-kortet till den egna operatorna AuC

13 Koppling av samtal till mobiltelefonen När ett samtal från telefonnätet kommer till mobiltelefonen, kommer det förs till GMSC GMSC frågar HLR under vilken central telefonen befinner sig och styr samtalet till denna MSC MSC frågar VLR under vilken BSC telefonen är BSC skickar ett sökmeddelande till basstationen och ber telefonen anmäla sig När telefonen svara känner nätet dess position (med basstationens sändtagares noggrannhet) och samtalet kan kopplas

14 Användning av radiolänken Olika kodningsmetoder FDMA, Frequency Division Multiple Access En frekvens per användare T.ex.. NMT TDMA, Time Division Multiple Access Flere användare på samma frekvens T.ex. GSM CDMA, Code Division Multiple Access En bit kodas till flere symboler som en mottagare med samma kod kan urskilja ur bakgrundsbruset Flere samtidiga sändningar T.ex. UMTS

15 GSM:s frekvensområde Ursprungligen planerades GSM för 900 MHz frekvensen Från telefonen till basstationen MHz Från basstationen till telefonen MHz 124 kanaler med en bandbredd på 200 khz och 100 khz skyddsband i båda kanterna av området Varje kanal kan innehålla 8 TDMA-förbindelser I allmänhet får inte en enstaka operator hela frekvensområdet i bruk GSM-teknologi används nuförtiden även på andra frekvenser 450, 800, 1800, 1900 MHz På grund av tidsmultiplexeringen är maximala räckvidden 35 km Handtelefonen största sändningseffekt är 2 W

16 Radionätets planering Efter att har fått tillstånd till vissa frekvenser på ett område, försöker operatorn utnyttja resurserna så effektivt som möjligt Täckande nät överallt Tillräcklig kapacitet Om kunden inte får betjäning får operatorn inte inkomst Grundidén är att använda olika frekvenser i närliggande celler och återanvända frekvenserna längre borta Cellerna är inte runda (eller sexkantiga) utan i praktiken används nästan alltid riktade antenner Stark huvudkägla och sidokäglor Cellen kan formas också med att justera sändningseffekten Picoceller inom byggnader Mikroceller för t.ex. en gata Makroceller för glest bebodda områden Eftersom det kostar att bygga radionätet är detta en optimeringsfråga

17 Utmaningar i trådlös kommunikation Signalen dämpas och försvinner Byggnader, träd o.s.v. hindrar eller dämpar Signalen reflekteras Framför allt mångvägsstörning där signalen mottas mångdubbelt längs olika rutter och alltså olika tid Interferens kan dämpa signalen Klientens beteende Eftersom terminalen är mobil kan nätet lätt överbelastas Olyckor Flash crowd -fenomen

18 GSM:s datatjänster I GSM-nätets första skede definierades även digital kretskopplad dataöverföring Användande ett tidsintervall liksom ett samtal 9,6 eller 14,4 kb/s Tidsbaserad fakturering Slutar ofta via modem i telefonnätet High Speed Circuit Switched Data (HSCSD) utnyttjar flere tidsintervall Upp till 57,6 kb/s GSM data verkar vara en återvändsgränd Paketdata har kört förbi

19 GPRS och UMTS

20 Global Packet Radio Service GPRS är en utvidgning till GSM "2,5 G" Fria tidsintervall används för förmedling av paketdata Transmissionskapaciteten beror på telefontrafiken Teoretisk maximikapacitet är 171,2 kb/s I praktiken kb/s Enhanced Data rates for Global Evolution (EDGE) höjer transmissionskapaciteten "2,9 G" Upp till 348 kb/s Kräver utrustning som stöder EDGE i både BTS och telefon, och programuppdatering i BSC I ett tidsintervall kodas mera data än i vanlig GPRS

21 GPRS-nätet GPRS utnyttjar samma radionät som GSM Radio Access Network (RAN) En enhet som förmedlar paket läggs till i BSS-systemet från basstationen skickas GPRS-paketen i tunnel över samma nät som övrig GSM-data (samtal) GPRS för med nya element till nätet Serving GPRS Support Node (SGSN) är en växel (router) Följer terminalens position Förmedlar trafik Känner igen terminalen och sköter övriga kontrollfunktioner Gateway GPRS Support Node (GGSN) Förmedlar trafik till andra nät T.ex. IP-paket till Internet GPRS använder GSM:s VLR- och HLR-register

22 GPRS basstationssystemet centralsystemet PSTN MS BTS BSC MSC, VLR GMSC HLR Internet SGSN GGSN

23 Basstationsbyte i GPRS-systemet Eftersom GPRS inte är kretskopplad så som samtalen, är bytet enklare Terminalen ber om cellbyte och trafiken växlas till den nya cellen

24 GPRS Connection Protocol Stack Tillämpning IP/X.25 SNDCP LLC RLC MAC RLC MAC Relay BSSGP Network LLC Relay SNDCP BSSGP Network GTP UDP /TCP IP L2 IP/X.25 GTP UDP/ TCP IP L2 GSM RF GSM RF L1bis L1bis L1 L1 MS BSS SGSN GGSN

25 GPRS-protokollen Dessa protokoll överför användarens TCP/IP-trafik från terminalen till Internet BSSGP, BSS GPRS Protocol GTP, GPRS Tunneling Protocol LLC, Logical Link Protocol RLC, Radio Link Control Inkluderar återsändande felkorrigering MAC, Medium Access Control GSM RF, GSM:s fysiska skikt på radiofrekvenser SNDCP, Subnetwork Dependent Convergence, ofta IP UDP, TCP ja IP i sina vanliga uppgifter X.25, ett nätskiktets protokoll som motsvarar IP, inte nödvändigtvis implementera

26 UMTS Universal Mobile Telecommunications System Eller 3G Mera av samma som GSM/GPRS/EDGE Datatransmission 2 Mb/s eller mer 144 kb/s mera realistisk uppskattning VoIP ersätter eventuellt kretskopplade samtal Videosamtal och andra multimedietjänster Effektivare utnyttjande av radiofrekvenserna

27 UMTS kretskopplad GERAN PSTN MS BTS BSC MSC, VLR GMSC HLR UTRAN paketförmedlad Internet UE BS RNC SGSN GGSN

28 UMTS RAN UMTS definierar ett nytt radionät UTRAN (Universal Terrestrial RAN) baserad på bredbands-cdma MHz (uplink) MHZ (downlink) GSM/EDGE:s GERAN-nät kan fungera parallellt med UMTS Möjligt att UMTS aldrig sprider sig utanför stadsområden Några nya komponenter och termer Radio Network Controller ersätter BSC Base Station ersätter BTS User Equipment ersätter MS Nya egenskaper Större transmissionskapacitet Cellandning Mjuk överräckning (handover)

29 Cellandning W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) -teknologin ersätter i sändningen en bit med flere symboler Sändaren och mottagaren har samma kod Bandspridningsteknik som använder brett frekvensband Trafik från andra användare på samma frekvens är bakgrundsbrus för CDMA-trafiken SNR inverkar fortfarande på kanalens kapacitet (Shannon) I samband med CDMA-teknikerna används termen Signal to Interference Ratio (SIR) Eftersom SNR/SIR är beror på mängden trafik, kommer cellens storlek att minska när trafikmängden ökar (bittakten hålls konstant) Kallas cellandning CDMA kan flexibelt hantera en större mängd klienter, men cellstorleken varierar enligt trafikenmängden

30 Mjuk överräckning Soft Handover Terminalens (UE) bredbands bandspridningsradio kan ha kontakt med flere basstationer samtidigt Därför kan överräckningen skötas så att terminalen lägger till en basstation till mottagarna och tar senare bort den förra basstationen Dessutom kan terminalen utnyttja samma flere basstationers metod för att styra transmissionens kvalitet (QoS)

31 Konvergens I UMTS definieras ett IPv6-baserat stamnät istället för de traditionella telefonnätets teknologier I operatorns slutna nät är garanterad tjänstekvalitet inte ett problem På kommande är också IMS, IP Multimedia Subsystem, som ersätter MSC och sköter samtal och multimedietjänster utnyttjande TCP/IP-familjens protokoll Idéerna i fjärde generationens nät (4G) för konvergensen vidare Förutom horisontellt basstationsbyte (horizontal handover) även vertikalt byte från en teknologi till en annan (vertical handover) Flyttning av SIP/RTP-baserade VoIP-samtal från WLANförbindelse till UMTS- eller GSM-samtal 4G termen är inte ännu definierad, utan är än så länge närmast hype

32 Viktigaste idéerna i mobilnät Datakommunikation för mobila klienter Terminalen rör sig i radionätet Klienten kan identifieras (SIM-kort) Nätet följer terminalens position och reserverar resurser (kanal) för kommunikationen Tjänsten avbryts inte när terminalen flyttar mellan sändtagare Systemet är standardiserat och kan utvecklas vidare GSM GPRS EDGE UMTS 4G Nya generationers apparater och tjänster utnyttjar existerande teknologi