1 genercia mobilnch komunikanch siet Analgov siete Prv

1. generácia mobilných komunikačných sietí • • • Analógové siete Prvé medzinárodné systémy • NMT (Nordic Mobile telephony) v 1981 • AMPS (Advanced Mobile Phone Service) – severná amerika Základné problémy • Zariadenia veľké a ťažké, skôr vhodné iba na montovanie do auta • Zlá kvalita reči • Presluchy medzi hovormi

GSM (Global System for Mobile communications) (originálne Groupe Spécial Mobile ) Historické míľniky • • • 1991 Zverejnenie štandardu GSM, prvá funkčná GSM siet (Fínsko - Radiolinja) 1992 – široké zavádzanie GSM sietí v Európe SR- licencie na prevádzku 4. 9. 1996 – Eurotel (T-mobile) 10. 2. 1997 – Globtel (Orange) 15. 1. 1997 Stav (koniec r. 2006) - 2. 18 miliardy pripojení v 212 krajinách 82 % podiel na trhu

GSM Koncepcia systému GSM • GSM - štandard pre PLMN (Public Land Mobile Network) • Obojsmerný prenos informácií medzi účastníkmi • Zabezpečenie väčšieho rozsahu služieb (telefón, núdzový hovor, dátový prenos, fax, pošta – Chceli sa vyrovnať ISDN • Podpora medzinárodného roamingu v rámci celej Európy • Vysoká efektívnosť využitia prideleného rádiového spektra • Bunkový systém, max. polomer 35 km • Handover aj pri rýchlosti 200 km/hod

2. 5 Generácia High Speed Circuit-Switched Data: • 1996 – ako softvérová aktualizácia existujúceho riešenia • Maximálna prenosová rýchlosť: 57. 6 kbit/s • Spájanie okien (max 4) dohromady a odstránenie FEC General Packet Radio Service: • 1999 – vyžaduje modifikáciu v sieti • Využíva paketové prenos • Pripojenie bod-bod • Prístup k IP sieťam • Vyššia stredná latencia oproti HSCD • Max. prenosová rýchlosť: 133 kbit/s

2. 75 Generácia - EDGE • Enhanced Data Rates for GSM Evolution • Prenosová rýchlosť až 473, 6 kbit/s pre 8 časových slotov (t. j. 4 x toľko ako GPRS) • Prakticky je to skôr 236 kbit/s (4 timesloty) • V zásade ide o „novšiu“ generáciu GPRS označovanú aj ako EGPRS • Obsahuje aj EHSCD update

Označenie štandardu poznámka IMT-DS (Direct Sequence) FDD komponent systému UMTS (UTRA/FDD), [3 GPP] IMT-MC (Multi Carrier) štandard systému cdma 2000, [3 GPP 2] IMT-TC (Time Code) TDD komponent systému UMTS (UTRA/TDD) a štandard systémov založených na TD-SCDMA, [3 GPP] IMT-SC (Single Carrier) štandard systému UWC-136 (vývoj systému IS-136 v USA) [ATIS/TIA] IMT-FT (Frequency Time) DECT, [ETSI]

3 generácia - UMTS Universal Mobile Telecommunications System • schopnosť pracovať vo viacerých frekvenčných pásmach s jedným terminálom a s jedinečným identifikačným číslom, • schopnosť adaptovať spojenie v závislosti od jeho kvality, prevádzke a zaťažení, • rádiový systém optimalizovaný prenos hlasu, dát i multimédií, • podpora služieb s prenosovou rýchlosťou od 144 kb/s do 2 Mb/s, podpora asymetrického prenosu a prenosu s prepojovaním okruhov i paketov, • pracovať do rýchlosti terminálu 500 km/h, • široký rozsah kvality služieb, • zabezpečiť flexibilitu pre zavedenie nových služieb, • vytvorenie domáceho virtuálneho prostredia VHE

LTE • Long Term Evolution • Štandard pre vysokorýchlostný prístup bezdrôtových zariadení do paketovej siete (Internet) • Štandardizovaný 3 GPP od Rel. 8 • Podpora mobility do 500 km/h • Max. 300 Mbit/s download, 75 Mbit/s upload • Podpora rôznych veľkostí buniek

GSM – pokrytie územia bunkami Požiadavky na zariadenia: – čo najmenší výkon vysielačov – dobrá citlivosť a selektivita prijímačov Delenie buniek podľa veľkosti • makrobunky (desiatky km) – veľké územia s malou prevádzkou – typicky dediny • mikrobunky (stovky m) - územia s veľkou prevádzkou - typicky mestá • pikobunky (desiatky m) – vnútri budov • selektívne bunky - vysielajú len do určitého smeru (120°) • dáždnikové (prekrývajúce sa) bunky – väčšie bunky prekrývajúce niekoľko menších • Rýchlo hýbuci sa účastníci sú predávaní väčšími bunkami (redukcia počtu HO) • Väčšie bunky prekrývajú medzery medzi menšími Veľkosť buniek Nastavuje plošnou kapacitu siete a je ovplyvnená: – vysielaným výkonom – výškou antény (nad terénom) – členitosťou terénu – kmitočtovým pásmom

Príklady reálnych zariadení (Um)

Architektúra siete GSM MAP MSC/ VLR GMSC PSTN MAP-D A BTS Um BTS Abis BTS HLR Gs BSC Gr Gc Gb BSS SGSN Gp Gn GGSN Gi PDN GPRS GGSN AC – Authentication Centre BSC – Basis Station Controller BSS – Basis Station Subsystem BTS – Basis Transceiver station EIR – equipment register Other PLMN HLR – Home location register NSS – network switching subsystem GMSC – Gateway MSC OSS – Operational Support System ME – Mobile Equipment OMC – Operation Maintenance Center MS – Mobile Station SIM – Subscriber identity module MSC – Mobile Switching Center VLR – Visitor Location Register

Ako to bolo v pevných sieťach?

Public Switched Telephone Network (PSTN) • Verejná telefónna sieť • Základné bloky – Signalizácia – Prístup do siete – Prepínanie – Prenos signálov • Služby

Prístup do siete • Spôsob ako používatelia pristupujú do tf. Siete – Ako sú pripojení používatelia do siete? • Konverzia hlasu do elektrického signálu • Ako sa prenáša informácia o volenom telefónnom čísle? • Používateľské zariadenie sa označuje ako Customer Premises Equipment (CPE)

Prepínanie • Vlasnosť PSTN: Každý používateľ je pripojený ku každému • História: – Prvé prepínače boli ľudia – Stowgerove automatické spínače – krokový volič (1889) – Od 70 -tych rokov sa používali ústredne bez pohyblivých prvkov (počítače) • Prepájanie sa dialo na základe informácií zdielaných v pamäti

Prepínanie • Používateľ je pripojený k lokálnej ústredni (class 5 ústredňa) • Ústredne sú navzájom prepojené cez class 4 (Tranzitné) • Medzinárodné ústredne • PBX (Pobočkové ústedne) • CENTREX

Telekomunikačná sieť • • koncové zariadenia účastnícka prípojka spojovacie zariadenia prenosové zariadenia Všetko analógové

Analógové siete • Hlas bol prenášaný v analógovej podobe • Čím viac prepínačov a väčšiu vzdialenosť prekonal, k tým väčšej degradácii prichádzalo • Nebolo možné odfiltrovať šum a rekonštruovať pôvodný signál

Vývoj k digitálnej sieti 1

Vývoj k digitálnej sieti 2

Digitálne siete • Signál sa začal kódovať (do PCM) • S vývojom elektroniky sa začala presadzovať digitalizácia

Pulzne kódová modulácia použitie AD prevodníkov • 0111 • 0110 • 0101 • 0010 • 0001 • 0000 • 1111 • 1110 • 1100 • 1010 • 1101 • 1011 • 1001 • 0000 • 0111 • 0011 • 1100 • 1001 • 1011

• vstup • vzorkovanie • filtrácia • výstup • kvantovanie • DA prevodník • Kódovanie, modulácia • Demodulácia, dekódovanie

Aké vzorkovanie zvoliť? • Nyquistova teoréma: – Ak kódujeme signál s frekvenciou f Hz potrebujeme vzorkovaciu frekvenciu fvz> 2 f (2 f vzoriek za sekundu) • Telekomunikačné systémy sú dimenzované na prenos 300 -3400 Hz ~ potrebujeme cca 6. 8 k. Hz, pričom štandard je 8 k. Hz • Preto fvz = 8000, t. j. Tvz = 125 ms • Štandarne sa používajú 32 kanálové PCM systémy: – Tvz = 3. 906 ms – Prenosová kapacita: 2048 Mbit/s

Vývoj k digitálnej sieti 3

Vývoj k digitálnej sieti 4

Telekomunikačná sieť • • koncové zariadenia účastnícka prípojka spojovacie zariadenia prenosové zariadenia Všetko digitálne

Signalizácia • Zodpovedá za zostavovanie spojení a ich rušenie • Umožňuje spojenie ktorýchkoľvek účastníkov pripojených k VTS • Tri hlavné zodpovednosti: – Dohľad – monitorovanie stavu liniek a okruhov – Alerting – spracúva správy ako vyzváňanie prichádzajúcom hovore – Adresovanie – smerovanie hovoru cez telekomunikačnú sieť

• Volanie (v dátovom kanáli) • Obsadzovací tón (tú-tú-tú)

Štandardizácia signalizácie Signalizačný systém 7 (SS 7) • Potreba medzinárodného štandardu na rozdiel od národných štandardov • Štandardizovaný ITU-T Q. 700 – Q. 788 (verejne dostupné na http: //www. itu. int ) • Definuje samostatnú signalizačnú sieť zloženú zo: – Signalizačných liniek – Signalizačných uzlov • Signalizácia zviazaná s dátami – dáta aj signalizácia idú tou istou cestou – CAS (Channel Associated Signalling) • Oddelená signalizácia – CCS (Common Channel Signalling)

Transportné služby

Transportné služby • Cieľ: – Prenos 64 kbit/s kanálov • Riešenie: – Synchrónna digitálna hierarchia (SDH) • Štandard z r. 1988 – V USA je štandardizovaná ako Synchrónna optická sieť (SONET) • Podporuje synchrónny transparentný prenos dát v kontaineroch • Využíva výhody optickej technológie

Charakteristika SDH • Používa optické káble miesto doterajších metalických • Používa viacero princípov zabezpečujúcich kvalitnejší prenos informácie (napr. kruhová ochrana v chránenom režime) • Zavádza add/drop multiplexory ADM • Zavádza cross-connecty (krížových prepojovačov) SDXC • Je spätne kompatibilná s PDH

SONET Kontainer STS 1 • Regeneration section Overhead 1 2 3 4 1 A 2 J 0 J 1 2 B 1 E 1 F 1 B 3 3 D 1 D 2 D 3 C 2 4 H 1 H 2 H 3 G 1 5 B 2 K 1 K 2 F 2 6 D 4 D 5 D 6 H 4 7 D 8 D 9 Z 3 8 D 10 D 11 D 12 Z 4 9 S 1 M 0 E 2 N 1 • Pointer • Multiplex section overhead 5 . . . 90 • Synchronous Poyload Envelope • Payload overhead

A 1 A 2 J 0 J 1 B 1 E 1 F 1 B 3 D 1 D 2 D 3 C 2 H 1 H 2 H 3 G 1 B 2 K 1 K 2 F 2 D 4 D 5 D 6 H 4 D 7 D 8 D 9 Z 3 D 10 D 11 D 12 Z 4 S 1 M 0 E 2 N 1 • A 1, A 2: začiatok rámca (1111 0110 001010000) • D 1, D 2, D 3: spoločne tvoria kanál na výmenu riadiacich správ medzi uzlami (192 kbit/s) • H 1, H 2: pointer ukazujúci na začiatok dát • H 3: pole používané pri negatívnom posunutí pointera • D 4 -D 12: obdobne ako D 1 -D 3 tvoria kanál na výmenu správ

2. generácia mobilných komunikačných sietí GSM

GSM – pokrytie územia bunkami Požiadavky na zariadenia: – čo najmenší výkon vysielačov – dobrá citlivosť a selektivita prijímačov Delenie buniek podľa veľkosti • makrobunky (desiatky km) – veľké územia s malou prevádzkou – typicky dediny • mikrobunky (stovky m) - územia s veľkou prevádzkou - typicky mestá • pikobunky (desiatky m) – vnútri budov • selektívne bunky - vysielajú len do určitého smeru (120°) • dáždnikové (prekrývajúce sa) bunky – väčšie bunky prekrývajúce niekoľko menších • Rýchlo hýbuci sa účastníci sú predávaní väčšími bunkami (redukcia počtu HO) • Väčšie bunky prekrývajú medzery medzi menšími Veľkosť buniek Nastavuje plošnou kapacitu siete a je ovplyvnená: – vysielaným výkonom – výškou antény (nad terénom) – členitosťou terénu – kmitočtovým pásmom

Príklady reálnych zariadení (Um)

Architektúra siete GSM PSTN BTS Um HLR BTS Abis BTS BSC

Identifikácia účastníka – SIM Karta Subscriber Identity Module (SIM Karta) – dáta zdieľané s HLR-/Au. C: IMSI (International Mobile Subscriber Identity) • Permanentne pridelené každému GSM/UMTS účastníkovi • Formát IMSI - max. 15 číslic : = MCC(3 číslice) + NMSI = MCC(3 číslice) + MNC(2 alebo 3 číslice) + MSIN MSISDN (MS ISDN číslo) • Každý účastník má pridelené ISDN číslo (MSISDN) podľa číslovacieho plánu domácej krajiny mobilného účastníka • Formát MSISDN: MSISDN= CC + NDC + SN CC - Country Code NDC - National Destination Code SN - Subscriber Number K – tajný kľúč

Architektúra siete GSM PSTN BTS Um HLR BTS Abis BTS BSC

Architektúra siete GSM MAP MSC/ VLR GMSC PSTN MAP-D A BTS Um BTS Abis BTS HLR Gs BSC Gr Gc Gb BSS SGSN Gp Gn GGSN Gi PDN GPRS GGSN AC – Authentication Centre BSC – Basis Station Controller BSS – Basis Station Subsystem BTS – Basis Transceiver station EIR – equipment register Other PLMN HLR – Home location register NSS – network switching subsystem GMSC – Gateway MSC OSS – Operational Support System ME – Mobile Equipment OMC – Operation Maintenance Center MS – Mobile Station SIM – Subscriber identity module MSC – Mobile Switching Center VLR – Visitor Location Register

Bezpečnosť v GSM sieti • • identifikácia účastníka voči SIM identifikácia SIM voči sieti (Authentication) anonymita účastníka (TMSI) šifrovanie (medzi UE a BTS)

Autentifikácia – identifikácia SIM vočie sieti

Spolupráca algoritmov pri autentifikácii a šifrovaní MS Ki A 3 RAND SIM Kc ? Časové info SRES A 5 RAND SRES A 3 Kc Kc Šifrované data Data Au. C RAND SRES A 8 MSC A 5 Data A 8 Ki Autentikačný vektor(triplet)

Informácie k algoritmom pri autentifikácii a šifrovaní • A 3/A 8 (tzv comp algoritmy) – Verziu COMP 128 -1, ktorý bol prelomený v. r. 1998 – Existujú novšie algoritmy COMP 128 -2, COMP 128 -3 • A 5 – Je viacero verzií algoritmu A 5: • • A 5/0 Šifrovanie vypnuté A 5/1 je používaný v Európe/USA A 5/2 je úmyselne oslabená verzia, extrémne slabá A 5/3 (Kasumi) – Na A 5/1 a A 5/2 boli navrhnuté a zrealizované úspešné útoky – Úspešný útok na A 5/3 zatiaľ zrealizovaný nebol

Zachovanie anonymity účastníka TMSI (Temporary MSI) • Dočasná identita pridelená VLR hosťujúcim účastníkom • VLR si musí pamätať mapovanie TMSI IMSI • Formát TMSI: 4 oktety Þ IMSI sa používa iba pri autentifikácii používateľa Þ Problém: ako lokalizovať používateľa? MSRN (Mobile Station Roaming Number) • Používa sa pri smerovaní príchodzích hovorov k MS. Je dočasne alokované vo VLR, kde je MS registrované.

Architektúra siete GSM MAP MSC/ VLR GMSC PSTN MAP-D A BTS Um BTS Abis BTS HLR Gs BSC Gr Gc Gb BSS SGSN Gp Gn GGSN Gi PDN GPRS GGSN AC – Authentication Centre BSC – Basis Station Controller BSS – Basis Station Subsystem BTS – Basis Transceiver station EIR – equipment register Other PLMN HLR – Home location register NSS – network switching subsystem GMSC – Gateway MSC OSS – Operational Support System ME – Mobile Equipment OMC – Operation Maintenance Center MS – Mobile Station SIM – Subscriber identity module MSC – Mobile Switching Center VLR – Visitor Location Register

Lokalizácia účastníka • HLR : – volacie číslo MS (MS ISDN) – IMSI (International Mobile subscriber Identity) - identifikácia MS v danej PLMN – adresa aktuálnej databázy VLR • VLR : – – dočasná identifikácia MS (TMSI) šifrovací kľúč prevádzkový stav kód aktuálnej lokalizačnej oblasti LAI ( v ktore BTS a BSC sa účastník nachádza)

Lokalizácia používateľa

GSM – kódovanie, bitové rýchlosti • Reč – 13 Kbps – Full Rate (FR) • Kodek = regular pulse excitation–long term prediction (RPE-LTP). – 12. 2 Kpbs - Enhanced full rate (EFR) • Kodek = algebraic code excited linear prediction (ACELP) – 6. 5 Kpbs –Half Rate (HR) • Kodek = CELP–VSELP(prediction-vector sum excited linear prediction ) – Adaptive Multirate (AMR) – 4. 75, 5. 15, 5. 9, 6. 7(PDC EFR), 7. 4, 7. 95, 10. 2, 12. 2 (=GSM EFR) Kpbs • Data (bearer services) – 9. 6 Kbps, 4, 8 Kbps, 2, 4 Kbps, 1, 2 Kbps

Riadenie v GSM (1) Radio Resource Management (RRM) • Hlavné funkcie – Úlohy súvisiace s fyzickou vrstvou – Riadenie na úrovni frekvenčného spektra – Prideľovanie udržiavanie a uvoľňovanie rádiových kanálov. • Procedúry – Priradenie/uvolnenie/zmena kanála – Zmena frekvencie kanálu, riadenie frekvenčného skákania, tabuľky frekvencií – Spracovanie „measurement reports“ z MS – Riadenie výkonu (Power control) a „Timing advance“ – Zmeny módov kanálov (hovor/data) – Riadenie šifrovania

Riadenie v GSM (2) Mobility Management (MM) • Hlavné funkcie – – Podpora mobility, registrácie Kontrola identity účastníka a zariadenia Kontrola oprávnenia používania služieb Podpora anonymity (TMSI) a bezpečnosti • Procedúry – – – Location Update, periodický Update Autentikačná procedúra „IMSI attach“ (získanie TMSI na základe IMSI po zapnutí MS) „IMSI detach“ ( pri vypnutí MS) TMSI realokácia Identifikácia

Riadenie v GSM (3) Connection Management (CM) • Hlavné funkcie – Riadenie hovorov (Call Control) – Kontrolné funkcie definované pre ISDN signalizáciu – Doplnkové služby • presmerovanie hovorov (Call Forwarding) • zakazovanie hovorov (Call Barring) • . . . – SMS –. . . • Procedúry – – – Zriadenie mobile terminating (MT) a mobile originating (MO) hovorov Zmena prenosového módu počas hovoru („incall modification“) Znovuvytvorenie hovoru po prerušení MM spojenia Riadiaca procedúra na prenos DTMF(Dual-tone multifrequency). . .

GSM – Rozhrania, protokoly BTS – Basis Transceiver Station BSC – Basis Station Controller BSS – Basis Station Subsystem MSC – Mobile Switching Center CM – Connecion Management MM – Mobility Management RR – Radio Resources (management) BSSAP – BSS Application protocol SCCP - Signaling Connection Control Part LAPD – Link Access Protocol na D kanali MTP – Mobile Transfer Part TDMA/FDMA – Time/Frequency Division Multiple Access