Kommunikationssysteme Teil Mobilkommunikation

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1 Kommunikationssysteme Teil Mobilkommunikation Stephan Rupp Informatik Masterstudium Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 1

2 Inhaltsübersicht Was steckt hinter meinem Händi? Funk und Funkzellen Szenarien: Anrufen und angerufen werden Authentisierung Roaming und Hand-Over GSM-Netzarchitektur (2. Generation Mobilfunk) Datendienste der 2. Generation Mobilfunk Mobilfunk der 3. Generation (UMTS) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 2

3 Funk und Funkzellen Die letze Meile per Funk Echos Interferenzen keine Sichtverbindung Uplink-Kapazität Downlink-Kapazität Quelle: Gerd Siegmund (1) Ein Fall für die Funkspezialisten und für die Regulierung. Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 3

4 Zellulare Netzstruktur Funken auf der gleichen Frequenz gibt Ärger? Muster wiederkehrender Frequenzen Basisstation Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 4

5 Die Größe der Funkzellen variert mit der Teilnehmerdichte. Rural Area Land Autobahn Motorway Warum? Vorstadt Suburban Area Stadt City Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 5

6 Was ein Mobilnetz können muss Szenarien: (1) Anrufen aus dem Mobilnetz (2) Angerufen werden im Mobilnetz A Datenbank B Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 6

7 Anforderungen an das Mobilnetz Anrufen (Outgoing Call) Allokieren von Funkresourcen aber nur für Kunden (autorisierte Nutzer) Sonst nichts neues. Authentisierung und Autorisierung Angerufen werden (Incoming Call) Wo bin ich? Das Netz muss meinen Standort ständig mitführen, wenn ich erreichbar sein möchte. Erfordert neue Funktion: Location Updates bzw. Roaming Mobilitätsverwaltung Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 7

8 Zur Definition der Begriffe Authentisierung und Autorisierung: Zugang nur für Kunden authentisch: Identität ist überprüft autorisiert: Zugang ist erlaubt Diskussion: Identitätsdiebstahl, falsche Rechnungen, Abstreitbarkeit; wie implementiert man so etwas? Mobilitätsverwaltung: Roaming: Ankommen, Händi einschalten, erreichbar sein Hand-Over: Ich bewege mich während eines Anrufes zwischen den Funkzelle, die Verbindung soll erhalten werden. Diskussion: wie implementiert man denn so etwas? Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 8

9 GSM Netzarchitektur Radio Cell BSS BTS BSC Signalling Channels with Mobile Applicaton Protocols Gateway MSC Home Register Authentication Authority Equipment Reg. Tepehone Network Visitor Register Signalling Channels with Mobile Applications Part and ISDN Applications Protocols MSC Home Register Authentication Authority Visitor Register Equipment Reg. Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 9

10 GSM Netzelemente BSS NSS SMS-C AC HLR OMC BTS MSC VLR digital radion transmission BTS BSC A-Interface EIR MS Air-Interface A bis -Interface Voice Mail System Quelle: Gerd Siegmund (1) AC: Authentication Center BSS: Base Station Subsystem BSC: Base Station Controller BTS: Base Transceiver Station EIR: Equipment Identification Register HLR: Home Location Register MSC: Mobile Switching Center MS: Mobile Station NSS: Network Subsystem OMC: Operation and Maintenance Center SMS-C: Short Message Service Controller VLR: Visitor Location Register Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 10

11 GSM Netzelemente Mobiltelefon (Mobile Station, MS, dt. Händi) Basistation (Base Transceiver Station, BTS): Modem zur MS Vermittlunsanlage (Mobile Switching Centre, MSC): kombiniert mit Care-of-Postamt 1 ( VLR, Visited Location Register) Home-Location Register, HLR: Care-of-Postamt 2, kombiniert mit Authentication Centre (AuC) Zusatzdienste: Voice Mail Server SMS Server Equipment Register Operation & Maintenance Centre (Administration der Teilnehmer und der Netzinfrastuktur) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 11

12 Hand-Over: Von Station zu Station 1 2 Feldstärke Das Mobiltelefon möchte während des laufenden Telefongesprächs zur stärkeren Station wechseln und beantragt den Wechsel beim Netz. Wenn der Antrag genehmigt wird, darf das Händi wechseln und die laufende Verbindung wird im Netz nachgeführt. Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 12

13 Mit dem Händi anrufen (1) Random Access BSS VMSC/VLR GMSC Exchange Establish a Signalling Link Service Request (MS-No.,Service type...) Authentication (RAND/SRES) Encryption (Cipher Mode Setting) SETUP (B-Number, Bearer Service, Tele Service...) Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 13

14 Mit dem Händi anrufen (2) BSS VMSC/VLR GMSC Exchange Allocate User Channel IAM (B-Number, Bearer Service, Tele Service...) ALERT ACM (B-User available, Ringing) CONN ANS (establish connection) Connection (Verbindung) Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 14

15 Aus dem Mobilnetz anrufen Sequenzdiagramm zur Darstellung des Ablaufs Die einzelnen Schritte: Kanal beantragen Authentisierung Verschlüsselung vorbereiten Speziell für den Mobilfunk Verbindung aufbauen Wie beim Telefonnetz Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 15

16 Authentisierung Verhandlung zwischen Netz und Händi GSM Network (HLR/AuC) Mobile Set (SIM card) Generator private Ki Random Number Challenge Ki private (Challenge) A3 A3 Response Response = equal? Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 16

17 Authentisierung - Fragen Beim Login in einen Server reichen doch auch User-ID und Passwort warum macht man das bei GSM nicht genau so? Die GSM Authentisierung beruht auf einem Geheimnis, das auf der SIM-Karte und im HLR/AuC abgelegt ist (dem geheimen Schlüssel Ki). Warum wird der geheime Schlüssel bei GSM bei der Authentisierung nie über das Netz übertragen? Wie funktioniert die in der Abbildung auf der letzten Folie gezeigte Authentisierung? Die SIM-Karte ist weg, was tun? Brauche ich jetzt eine neue Telefonnummer? Sicherheitslücke SIM-Karte: Wer SIM-Karten herstellt oder fälscht oder gefälschte SIM-Karten in Umlauf bringt? Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 17

18 Roaming: Location Updates Erreichbarkeit unterwegs Aufenthaltsort (Care of Adresse) Aufenthaltsort (Care of Postamt) BSS new VMSC/VLR HLR Random Access Establish Signalling Connection Hätte da nicht ein Verzeichnis genügt? Request Location Update Confirm Location Update Update Location Insert Subscriber Data Subscriber Data Insertion Ack. Update Location Ack. Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 18

19 Sequenz eines Anrufs ins Mobilnetz Location Area 7 HLR Home Register Telephone Network Mobile SC 4 Gateway- Mobile SC Visitor Register VLR 2b 2a Quelle: Gerd Siegmund (1) Radio Cell Radio Base Station Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 19

20 Anruf ins Mobilnetz (1) BSS VMSC/VLR HLR GMSC Exchange MAP: Provide Roaming Number (IMSI/LMSI) MAP: Send Routing Info (B-Number Tele Service ) HLR Request IAM (B-Number, Tele Service) Check authorisation and requested services MAP: Result (MSRN) MAP: Result (MSRN) Paging Read subscriber data from VLR IAM (B-Number, Tele Service) Random Access (IMSI/TMSI) Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 20

21 Anruf ins Mobilnetz (2) Set up Signalling Connection Response to Paging (MS-No./CKSN/MS-Classmark) Connection Resolution Authentification Cipher Mode Setting Call Setup (BC/Facility) Assign Channel (TCM Assignment) ALERT CONN ACM (B available, Ringing) ANS (establish connection) Connection Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 21

22 Anruf ins Mobilnetz - Ablauf Sequenzdiagramm zur Darstellung des Ablaufs Die einzelnen Schritte: Verbindungswunsch signalisieren an Gateway-MSC Aufenthaltsort des gewünschten Teilnehmers nachschlagen in HLR und VLR Verbindungswunsch weiter signalisieren an Visited MSC Mobiltelefon wird in der Location Area ausrufen (Paging) Ausgerufenes Mobiltelefon meldet sich Ablauf wie beim Anruf vom Händi aus (Kanal beantragen, Authentisieren, Verbindung aufnehmen) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 22

23 Beziehungen im Schichtenmodell Mobile Set gleiche Niveaus korrespondieren miteinander BTS BSC MSC CC SMS SS MM Anwendungen (Call Ctrl, SMS, ) Mobility Management (MM) CC SMS SS MM RR RR RR Radio Resource Management (RR) BSSAP BSSAP Layer 3 SCCP + MTP Layer 3 SCCP + MTP Layer 2 LAPDm Layer 2 LAPDm Layer 2 LAPD Layer 2 LAPD Layer 2 MTP Layer 2 MTP Layer 1 Layer 1 Layer 1 Layer 1 Layer 1 Layer 1 U m A bis A Air Interface Interface Interface SS: Supplementary Services Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 23

24 Hand-over & Roaming Ganz unterschiedliche Dinge: MSC MSC Location Area Location Area Zelle BTS BTS BSA Base Station Area (BSA) BSA BSA BSA Handover Handover Location Update Roaming: Netz führt Aufenthaltsort nach (sofern Händi eingeschaltet) Hand-over: Nachführen der laufenden Verbindung ohne Unterbrechung siehe auch: Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 24

25 Transaktionen an HLR und VLR (1) BSS VMSC/VLR HLR GMSC Exchange Transaction Request Provide Roaming Number Request Send Routing Info call set up Response Provide Roaming Number Response Send Routing Info paging call set up Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 25

26 Transaktionen an HLR und VLR (2) Szenario: 50 Mio. Teilnehmer 4 Transaktionen pro Teilnehmer in der Hauptverkehrsstunde 50 ms Verarbeitungszeit für Look-up (HLR und VLR) 80% der Teilnehmer werden bereits im HLR gefunden 200 Bytes pro Nachricht Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 26

27 Transaktionen an HLR und VLR (3) Fragen: Transaktionen pro Sekunde insgesamt? Throughput (bits/s) an HLR und VLR Round-Trip Delay pro Transaktion? Welchen Vorteil hätte ein kombiniertes HLR/VLR? Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 27

28 Inhaltsübersicht Was steckt hinter meinem Händi? Funk und Funkzellen Szenarien: Anrufen und angerufen werden Authentisierung Roaming und Hand-Over GSM-Netzarchitektur (2. Generation Mobilfunk) Datendienste der 2. Generation Mobilfunk Mobilfunk der 3. Generation (UMTS) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 28

29 GPRS Der Datendienst in GSM GSM ISDN MS-GSM U m - Interface FDMA/TDMA BTS A-Interface MSC VLR HLR/(GR) Air-Interface BSC G b -Interface 64 kbit/s SGSN GGSN Packet Network GPRS GSM Packet Radio Service SGSN Serving GPRS Service Node (Access Control) GGSN Gateway GPRS Service Node (Übergang zum Internet) Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 29

30 Beziehungsgeflecht für GPRS MS IP over IP? Doppelt genäht hält besser? Network Layer Data Link Layer Applicat. IP SNDCP LLC RLC BSS Relay RLC BSSGP SNDCP LLC BSSGP SGSN Relay GTP TCP/UDP IP GGSN IP GTP TCP/UDP IP MAC MAC NS NS Data Link Data Link Physical Layer PLL PLL RFL RFL RFL RFL RFL RFL U m G b G n G i SNDCP: Subnetwork Dependent Convergence Protocol LLC: Logical Link Control RLC: Radio Link Control MAC: Medium Access Control PLL: Physical Link Control RFL: Physical RF Layer BSSGP: BSS GPRS Application Protocol GTP: GPRS Tunneling Protocol TCP: Transmission Control Protocol UDP: User Datagram Protocol IP: Inernet Protocol NS: Network Service Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 30

31 UMTS - die 3. Generation Mobilfunk other mobile or fixed Networks CN Core Network Transport user data, Roaming, User data bases, Services UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network Radio interface and radio specific funktions (Radio Resource Management) MS Mobile Station Radio interface, Service execution User interface USIM UMTS Subscriber Identity Module User specific data authentification for network access Nochmals angebaut. Kernnetz: von GSM/GPRS Mitbenutzung zum eigenen IP-Kernnetz Quelle: Gerd Siegmund (1) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 31

32 UMTS Kernnetz - Mitbenutzung 2G GSM BSS U m BTS BTS A bis A bis BSC UTRAN TRAU IWF/TC G b A A MSC/VLR GMSC CSE EIR HLR AC PSTN ISDN 2G Kernnetz Node B I ub RNC I u(cs) U u Node B I ub I u(ps) SGSN G n GGSN G i X.25 IP Node B I ub I ur RNC GSM Phase 2+ Core Network Node B I ub AC: Authentication Center BSC: Base Station Controller BTS: Base Transceiver Station (GSM) CSE: CAMEL Service Environment (GSM SSF und GSM SCF) EIR: Equipment Identification Register GGSN: Gateway GPRS Support Node GMSC: Gateway MSC 3G (UMTS) Funknetz HLR: Home Location Register IWF/TC: Interworking Function/Transcoder MSC: Mobile services Switching Center PSTN: Public Switched Telephone Network RNC: Radio Network Controller SGSN: Service GPRS Support Node TRAU: Transcoding and Rate Adaption Unit VLR: Visitor Location Register Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 32

33 UMTS - IP basiertes Kernnetz Call Control Level MSC Server Nc GSMC Server GERAN A Mc Mc UTRAN Iu CS-MGW Nb CS-MGW Bearer Level Im Kernnetz: MSC-Server für die Steuerung von Transaktionen (Verbindungen) Media-Gateways (MGW) für den Datenverkehr Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 33

34 Vom Vermittlunssystem zu Call Server und Media Gateway: Prozessor Trunks Call Server (MSC Server, Gateway Controller) Koppelnetz IP Netz Line Cards Lines (Teilnehmeranschlussleitungen) Vermittlungssystem (MSC: Mobile Switching Centre) Gateway (Media Gateway) Lines Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 34

35 Anschaltung des GSM Zugangsnetzes Gemeinsames Kernnetz für 2G (GSM/GPRS) und 3G (UMTS) Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 35

36 Zuletzt: IP basiertes Kernnetz IN and Application Servers CSE WAP... U u Node B Node B Node B Node B UTRAN I ub I ub I ub I ub RNC I ur RNC HLR I u(ps) CSCF MGC R R IP-Backbone R SGSN MG R R GGSN G i PSTN ISDN X.25 IP All IP Core Network MG: Media-Gateway MGC: Media-Gateway-Controller CSCF: Call State Control Function R: IP-Router/IP-Switch Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 36

37 Die wichtigsten Funktionen im Netz AAA: Authentisierung (ich bins), Autorisierung (ich darfs), Accounting (ich zahle) Netzelemente: BTS bzw. Node B: Basisstation BSC bzw, RNC: Controller für die Basisstation SGSN: Zugangskontrolle im Paketnetz AAA/HLR/HSS: Zugangskontrolle und Aufenthaltsverwaltung (Care-of Postamt) Media Gateway: Teilnehmeranschlüsse (Line Cards) und Medientransport Media Gateway Controller bzw. Call Server: Verbindungen und Konferenzen steuern; IMS-CSCF: Call State Controller, verallgemeinerter Call Server, hält Sessions zusammen Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 37

38 Kommunikationssysteme ENDE Teil 1.2 Mobilkommunikation Kommunikationssysteme, Teil 1.2, S. Rupp 38