mit vorhandenen Mobilfunknetzen für den Übergang heutiger Circuit-Switched-Datendienste

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1 ANFORDERUNGEN AN MODERNE KOMMUNIKATIONSMESSGERÄTE DURCH DIE KOMMENDE MOBILFUNK-GENERATION GPRS-Tests sichern Zusammenwirken mit vorhandenen Mobilfunknetzen Martin Bublitz Dieser Beitrag beschreibt GPRS-Interfaces (General Packet Radio Services) und Protokolle unter besonderer Beachtung der Wechselwirkungen mit den Strukturen vorhandener GSM-Netzwerke. Ausserdem werden Testund Messstrategien zur Gewährleistung der Interoperabilität mit vorhandenen Mobilfunknetzwerken umrissen. Eine Auflistung wichtiger Faktoren, die beim GPRS-Protokolltest von Bedeutung sind, erleichtert die Auswahl passender Messgeräte. D ER A UTOR Dipl.-Inf. Martin Bublitz studierte Informatik an der TU Berlin. Für die Tektronix-Produktlinie Monitoring & Protocol Test ist er als Produktmanager mit Sitz in Berlin tätig. GPRS ist von grundlegender Bedeutung für den Übergang heutiger Circuit-Switched-Datendienste zu schnellen Packet-Switched-Diensten, die voraussichtlich innerhalb der nächsten Jahre in GSM-Netzen Einzug halten werden. Die neue Technik fördert die Verbreitung zusätzlicher mobiler Dienste, da sie einerseits wegen der paketorientierten Übertragung eine Kostensenkung verspricht, und andererseits die Datentransferrate in Mobilfunknetzen von 9,6 kbit/s auf mehr als 100 kbit/s steigert. GPRS wurde vom ETSI (European Telecommunications Standards Institute) als Upgrade für GSM entwickelt, dem heute am weitesten verbreiteten Mobilfunkstandard. Durch Aufnahme vieler bandbreitenintensiver Dienste (Internet, Multimedia) gilt GPRS als Sprungbrett für Mobilfunksysteme der dritten Generation (3.G) die ab dem Jahre 2001 schrittweise eingeführt und die heutigen GSM-Netze ergänzen werden. Gegenwärtige GSM-Netze bestehen aus einem Base-Station-System (BSS) darin enthalten sind die Base-Transceiver-Stations (BTS) und ein Base-Station-Controller (BSC) - sowie aus einem Mobile-Switching-Centre (MSC), Visitor-Location-Register (VLR), Home-Location-Register (HLR) und Equipment-Identity-Register (EIR). Solche Circuit-Switched-Networks (Leitungsvermittlung) sind in aller Regel an ein SS7-Netzwerk oder an ein anderes Mobilfunknetz (Public Land Mobile Network, PLMN) angebunden. Die Signalisierung beruht dabei auf einer Packet-Switched-Komponente. Mit GPRS wird dem GSM-System ein weiteres Netz hinzugefügt. Dabei handelt es sich um ein parallel angeordnetes Netz, das sich einige gemeinsame Systembestandteile mit dem GSM-Netz teilt. Die notwendigen Ergänzungen für GPRS sind die Erweiterung der BSS um eine Packet-Control-Unit (PCU), sowie die neuen Netzelemente Ser- Telecomm & Elektronik 1/

2 ving-gprs-support-nodes (SGSN) und Gateway-GPRS-Support-Nodes (GGSN). Das daraus resultierende System stützt sich voll und ganz auf ein Paketvermittlungsverfahren und ist normalerweise mit Packet-Data-Netzen verbunden, wie dem Internet, X.25-Netzwerken oder anderen GPRS-Netzen. Die gemeinsam genutzten Ressourcen des existierenden GSM- Netzes und des neuen GPRS-Netzes sind das BSS (davon hauptsächlich die BTS) sowie die Datenbanken VLR, HLR und EIR. GPRS-Schnittstellen und -Protokolle Bild 1 zeigt das GPRS-Referenzmodell des ETSI einschließlich der Elemente eines GSM- und GPRS-Netzes. Wie gezeigt, sind BSS und Mobilfunktelefone Bestandteile beider Netze. Außerdem sind noch Netzwerke eingetragen, an die GPRS angeschlossen sein kann: ein Packet Data Network (PDN) und andere PLMNs. Die durchgezogene Linie zeigt alle neuen GPRS-Schnittstellen zur Übertragung von Signalisierung und Daten. Die Übertragung der Paketdaten geht vom Bild 1: GPRS- Referenzmodell Testbedingungen Die Testbedingungen für GPRS und GSM lassen sich in vier Bereiche einordnen: 1. Physikalische Schicht: Die Mehrzahl der Testgeräte für die physikalische Schicht bieten auch Protokollanzeige und Protokolltests für die Schicht Leitungsvermittlung: Hier ist die Überprüfung der Signalisierungsprotokolle und der geschalteten Verbindungen notwendig. Ein weiterer Punkt sind Endanwendertests, z.b. durch die Bestimmung des Quality of Service (QoS) der Sprachund Datenübertragung. 3. Paketvermittlung: Diesem Bereich lassen sich die Tests der Netzwerkschichten zuordnen (bis zur Schicht 3 im OSI-Modell der ISO). Diese Schichten unterliegen dem Zugriff durch Netzknoten oder durch das Netzwerk selbst. In den darüberliegenden Schichten erfolgt der Zugriff in aller Regel durch die Anwendergeräte etwa durch eine Workstation oder ein Mobilfunktelefon. 4. Kompatibilität: Prüfen des Zusammenspiels von Netzwerken mit Leitungsvermittlung und Paketvermittlung. Mobilfunktelefon via BSS zu den SGSNs innerhalb des GPRS-Backbone, und von dort über ein GGSN in die PDNs. Die unterbrochenen Linien zeigen alle Signalisierungsschnittstellen, einschließlich derjenigen, die sich zwischen GPRS- und GSM- Netzen befinden. Schauen wir uns jetzt das Schema der Datenübertragung einmal näher an, insbesondere den Datenfluss, der vom GPRS-Netzwerk kommt. In Bild 2 ist links ein Mobilfunktelefon (MS, Mobile Station) zu erkennen. Die obere Schicht ist der Application- Part, um dessen Spezifikation sich ETSI nicht kümmert. Dennoch gibt es hier Standard-Applikationen (z.b. HTTP via TCP- Connections), die auf IP-Netzwerken aufsetzen. Als nächstes folgt die IP-Schicht. Es ist wichtig zu erkennen, dass dieses Protokoll an unterschiedlichen Stellen auftaucht und die User-IP-Schicht nicht mit derjenigen IP-Schicht gleichgesetzt wird, die als Grundlage des GPRS-Backbone fungiert. Das bedeutet, dass für die Übertragung von Anwenderdaten neben IP auch noch andere Protokolle (z.b. X.25) zulässig sind. 54 Telecomm & Elektronik 1/2000

3 Das Mobilfunktelefon ist über die Luftschnittstelle mit einer Basisstation verbunden. Da eine BTS für GPRS und GSM aber normalerweise baugleich ist, entfallen in diesem Bereich meist zusätzliche GPRS- Tests. Die wesentliche Veränderung der Basisstation ist in der Aufnahme der PCU in den BSC zu sehen. Innerhalb des BSC werden die leitungs- und paketvermittelten Daten voneinander getrennt. Leitungsvermittelte Daten werden über das A-Interface zum MSC geschickt. Paketvermittelte Daten erreichen dagegen über eine PCU den SGSN im GPRS-Backbone. Am Gb-Interface, es befindet sich zwischen BSS und SGSN, wurden die meisten neuen Protokolle eingeführt. Hier ist nahezu alles neu, wenn man vom Frame-Relay als Basis des Protokollstacks einmal absieht. Deshalb gibt es an dieser Stelle viele Funktionen, die geprüft werden müssen. Im GPRS- Backbone gibt es nur ein einziges neues Protokoll am Gn-Interface zwischen den GPRS-Support-Nodes (GSN). Dabei handelt es sich um das GPRS-Tunnelling-Protokoll (GTP), das zum Übertragen von IP-, X.25- und MAP-Messages (Mobile Application Part) zwischen den GSNs verwendet wird. Den gleichen Protokollstack verwendet auch das Gp-Interface, das unterschiedliche GPRS-Netzwerke verbindet. Ein weiteres Interface, im GPRS-Referenzmodell des ETSI meist nicht gezeigt, ist das GPRS-Abis-Interface (vom BSC zum BTS). Es ist ziemlich ähnlich zur Standard-Luftschnittstelle, arbeitet jedoch mit nichtstandardisierten Schicht-2-Protokollen, die sich von Hersteller zu Hersteller unterscheiden. TRAU-Frame Protokolle bilden lediglich eine gemeinsame Grundlage. Diese wurden von den Herstellern auf individuelle Weise ergänzt, um letztlich gleiche Funktionen zu bieten. Für die Messtechnik bedeutet dies, dass viele einzelne Protokolle zur Verfügung gestellt werden müssen. Am GPRS-Abis-Interface gibt es zusätzlich zu den Funktionen der drahtlosen Übertragung noch einige andere Schichten wie Radio-Link-Control und Media-Access-Control (RLC/MAC). In den Schichten darüber befinden sich Logical-Link-Control (LLC), Subnetwork-Dependent-Convergence- Protokoll (SNDCP) und Internet-Protokoll (IP). Getestet werden diese üblicherweise am Gb-Interface, weil innerhalb des BSS die Daten dieser Schichten (von LLC bis IP) lediglich weitergeleitet und nicht verarbeitet werden. Am Gi-Interface herrschen einige gängige Varianten vor, z.b. Frame-Relay via E1- oder T1-Leitungen mit IP gemäß RFC 1490 sowie einem Standard-Ethernet-Interface mit IP-Daten. In Zukunft sind auch ATM- Interfaces mit IP-over-ATM denkbar. Das Protokoll-Layout für den neuen Teil der GPRS-Signalisierung ist, bis zum LLC- Protokoll, identisch mit dem der Datenübertragung (Bild 3). Oberhalb der LLC- Schicht ist das GPRS-Mobility-Management (GMM/SM), eine Schicht, in der alle Signalisierungsfunktionen zwischen Mobilfunktelefon und einem SGSN angesiedelt sind. An der Luftschnittstelle und am GPRS- Abis-Interface sind lediglich die Funktionen der drahtlosen Übertragung, RLC und MAC ersetzt worden durch Frame-Relay, Netzwerkservice und die BSSGP (BSS GPRS Protokoll), so dass Tests dieser Schichten am GPRS-Abis-Interface stattfinden könnten. Zusätzliche Signalisierungsschnittstellen sind: Das Gr-Interface, platziert zwischen SGSN und HLR, das Gf- Interface zwischen SGSN und EIR sowie das Gc-Interface zwischen GGSN und HLR. Die unteren Schichten dieser Interface entsprechen den GSM-Standardschnittstellen: Bild 2: Datenübertragung innerhalb eines GPRS-Systems Bild 3: Signalisierung innerhalb eines GPRS-Systems Telecomm & Elektronik 1/

4 BSC BSS BTS EIR ETSI GGSN GPRS GSN GTP HLR IP LLC MAC MAP MSC MTP PCU PDN PLMN RLC SCCP SGSN SNDCP TCAP VLR A BKÜRZUNGEN Base Station Controller Base Station System Base Transceiver Station Equipment Identity Register European Telecommunication Standardisation Institute Gateway GPRS Support Node General Packet Radio Services GPRS Support Node GPRS Tunnelling Protocol Home Location Register Internet Protocol Logical Link Control Media Access Control Mobile Application Part Mobile Switching Centre Message Transfer Part Packet Control Unit Packet Data Network Public Land Mobile Network Radi Link Control Signalling Connection Control Part Serving GPRS Support Node Subnetwork Dependent Convergence Protocol Transaction Capabilities Application Part Visitor Location Register Alle wichtigen Abkürzungen finden Sie übrigens auch im Internet unter W ICHTIGE E IGENSCHAFTEN EINES GPRS-MESSGERÄTES 1. Kompatibilität zu allen physikalischen Interfaces und allen Schicht-2-Varianten 2. Unterstützung aller GSM/ GPRS-Protokolle 3. Gleichzeitiger Betrieb mehrerer Interfaces 4. Fähigkeit zum Monitoring und zur Simulation 5. Standard-Interface für User-Applikationen mit IP-Daten 6. Konformitätstests 7. Kompatibilität zu kommenden Systemen wie UMTS mit Unterstützung von ATM-Interfaces MTP, SCCP und TCAP. Der MAP weist jedoch einige Ergänzungen auf, die wegen der Anforderungen von GPRS nötig waren. Das zweite Signalisierungs-Interface, das nahe verwandt ist mit den üblichen GSM-Signalisierungsschnittstellen, ist das Gs- Interface zwischen SGSN und besuchtem MSC mit dem VLR. Lediglich ein Protokoll ist verändert, das BSSAP+, eine Variante des BSSAP-Protokolls. Zusätzliche Funktionen werden vom Gd-Interface eingebracht. Der Short-Message-Service (SMS), der in Standard-GSM-Netzen über das MSC mit Signalisierungsprotokollen realisiert wird, kann in einer GPRS-Umgebung auch über den SGSN abgewickelt werden. Damit wäre eine bessere Nutzung der Funk-Ressourcen verbunden. In der physikalischen Schicht treffen wir auf unterschiedliche Schnittstellen, wobei größtenteils E1-Interfaces verwendet werden. E1- und T1-Interfaces stützen sich auf das Frame-Relay, das in unterschiedlichen Varianten vorkommt: neben der gängigen ITU-Version gibt es noch die ANSI-Version. Hinzu kommt, dass es Frame-Relay in unterschiedlichen Betriebsarten gibt: channelized, unchannelized und fractional. Je nach Netzbetreiber und Komponentenhersteller lassen sich alle Varianten der Schnittstellen antreffen. Für einen Protokolltester bedeutet dies, dass er bei Analysen an E1- und T1-Interfaces sowohl die drei Frame-Relay-Betriebsarten beherrschen muss als auch die beiden Varianten gemäß ITU und ANSI. Ein ebenfalls gerne verwendetes Interface, im GPRS-Backbone und als Schnittstelle zum PDN, ist Ethernet, gewöhnlich in der 100baseTx-Version (100 Mbit/s). Zuweilen wird auch auf die 10baseT-Version zurückgegriffen, die von allen 100 basetx-schnittstellen mit angeboten wird. In absehbarer Zukunft wird auch die ATM- Schnittstelle Einzug in GPRS halten. ATM ist die elementare Übertragungstechnik für UMTS, der Basis für die nächste Generation von Mobilfunksystemen. Infolgedessen werden Protokolltester auch ATM-Verbindungen über eine Vielzahl von Schnittstellen beherrschen müssen, etwa STM1 (optisch und elektrisch), STM4, DS1, DS3, E1 und E3. Messungen und Tests Sowohl beim Monitoring wie bei der Simulation kommt es zu ähnlichen Problemen. Das außerordentlich komplexe Signalverhalten resultiert aus der Vielzahl von Interfaces zwischen GPRS-Diensten, GPRS- Backbone, GPRS-Nodes und GSM-Nodes. Daraus folgt, dass zur Fehlerlokalisierung keines dieser Interfaces außer acht gelassen werden darf. Für ein lückenloses Monitoring müssen tatsächlich nicht weniger als etwa zehn unterschiedliche Schnittstellen gleichzeitig beobachtet werden. Aus der Vielzahl überwachter Parameter lassen sich dann neue Statistiken anlegen, z.b. über die mittlere Paketverzögerung, den Durchsatz in kbyte/s, mittlere Paketgröße oder Durchsatz in kbyte pro Nutzer. Auch Parameter, die Bezug zur Gebührenerfassung haben, müssen untersucht werden. Sowohl SGSNs als auch GGSNs sammeln zunächst Gebühreninformationen und leiten sie weiter an die Charging-Gateway-Function (CGF). Ein Schlüsselelement, das in GPRS-Netzen geprüft werden muss, ist die Übertragung der Datenpakete. Nehmen wir z.b. an, ein Mobilfunktelefon hätte Probleme mit TCP- Verbindungen. Solche Verbindungen werden regelmäßig im Verlauf einer Datenübertragung optimiert. Wechselt das Mobilfunktelefon z.b. von einer Zelle mit 100 kbit/s Übertagungsrate in eine Zelle mit nur 10 kbit/s, wird es viele TCP Timeouts und retransmissions geben, woraus eine drastisch reduzierte TCP-Datenübertragung resultiert. Nächster Schritt beim Testen ist die Erzeugung von IP-Paketen und die Kontrolle des Routings, der Verzögerungszeiten, der Datenintegrität usw.. Dazu ist es notwendig, Emulationen aller Schichten unterhalb von IP zur Verfügung zu haben. Zusätzlich sollten die Pakete an den GPRS-Interfaces Abis, Gb, Gn und Gi überprüft werden. Um 56 Telecomm & Elektronik 1/2000

5 Bild 4: K1297 Kommunikationstestgeräte für die 3. Mobilfunkgeneration alle Interfaces abzudecken, ist es vorteilhaft, einen mobilen Call-Generator zu haben, mit dem sich Datenpakete an der Luftschnittstelle einspeisen lassen. Für die Überprüfung der Benutzerschichten ist es hilfreich, über eine IP-Weiterleitung vom GPRS- Netz zu Standard-Benutzerschnittstellen zu verfügen. Dies könnte z.b. ein Software-Interface, das die Verwendung von Standardapplikationen zulässt, oder eine Ethernet-Schnittstelle sein. Dadurch wäre es z.b. möglich, reale Applikationen zu nutzen, die das Wireless-Application-Protokoll verwenden, um über das Testgerät Datenverkehr (Traffic) ins GPRS-Netzwerk einzuspeisen. Nicht zuletzt ist es notwendig, das Zusammenspiel zwischen GPRS und PDN zu prüfen. Das Augenmerk gilt hier der Funktion des Domain-Name- Servers, um sicherzugehen, dass alles, auch das Routing einwandfrei funktioniert. Im Bereich der Performance-Messungen ist es zu einigen Änderungen gekommen. Statt BHCAs und Erlang werden Kilobyte pro Sekunde gemessen, oder - noch passender - Pakete pro Sekunde (passender deshalb, weil im Tester und den Netzwerkelementen im allgemeinen die Menge der verarbeiteten Pakete die Performance begrenzt und nicht die Größe der Pakete). Eine weitere wichtige Größe ist die Paketverzögerung (Packet-Delay), weil dieser Wert entscheidend für die Reaktionszeit eines GPRS-Systems ist. Nehmen wir an, dass es trotz sehr großer Bandbreite zu größeren Verzögerungen kommt. Dadurch werden die Reaktionszeiten der einzelnen Systembestandteile untereinander derart lang, dass auch Endanwender das Problem zu spüren bekommen. Die Performance-Messung ist daher im unmittelbaren Zusammenhang mit der Dienstequalität, also dem Quality-of-Service (QoS) zu sehen. 404 Telecomm & Elektronik 1/