Mobilfunksysteme: GSM/SMS/EDGE/MMS

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1 Mobilfunksysteme: GSM/SMS/EDGE/MMS GSM, die Systemarchitektur 6. Januar 2008 Seite 1 Typische Anwendung von GSM... Seite 2 1

2 Einleitung Seite 3 History of cellular systems cellular concept: Bell Labs 1949 (evolution from MTS to IMTS) 1st generation: NATEL-A: , 5000 customers NATEL-B: NATEL-C: nd generation: NATEL-D = GSM: 1993 Seite 4 2

3 Standard deployment of cellular systems (as of spring 2006) Seite 5 Statistics of Mobile Communications Seite 6 3

4 GSM History 1982: CEPT decides to set up pan-european standard originally: Groupe Spéciale Mobile new: Global System for Mobile Communications 1987: MoU of 13 countries 1989: ETSI (European Telecommunication Standardisation Institute) acquires GSM 1991: first tests today: networks in more than 200 countries Seite 7 Goals of GSM (Global System for Mobile Communications) Speech and data services Compatibility to other networks (ISDN, PSTN) European roaming and handover High spectral efficiency Digital transmission Independence of manufacturer Small handset prices possible Seite 8 4

5 GSM, die Systemarchitektur Public Switched Telephone Network, ISDN Operations and Maintenance Centre (OMC) Base Station System (BSS) Radio Interface Mobile Station (MS) SC PSTN, ISDN, etc. Storage I- OMC OMC BSS BSS BSC BSC BTS BTS BTS 900MHz, 1800MHz, 1900MHz MS MT SIM MS MS ME SIM TA SIM TE Short Message Service - Service Centre (SC) Network Subsystem () Base Station System (BSS) Radio Interface Mobile Station (MS) Das vereinfachte GSM-Blockschema besteht aus folgenden fünf Hauptkomponenten: Mobile Station MS (die Mobilstation z.b. ein Handy oder ein GSM-Modem) Base Station System BSS (Funknetz mit Basisstationen, Sendern und Empfängern) Network Subsystem (Vermittlungsnetz und Datenbanken) Operations and Maintenance Centre OMC (Betriebs- und Wartungs-Zentrale) Short Message Service-Service Centre SC (Schalt- und Speicherstelle für den Kurznachrichtendienst) Zur drahtlosen Übertragung der Nachrichten dient die Luftschnittstelle (Radio Interface). Je nach Land und Netz beträgt die Frequenz der Übertragung 900 MHz, 1800 MHZ oder 1900 MHz User / Application Seite 9 Mobile Station MS MS SIM MS SIM MS MT SIM ME TA TE User / Application Das Mobilgerät (Mobile Equipment ME). Das Mobilgerät kann ein Handy oder ein GSM- Modem sein mit oder ohne externem Steuergerät. Eigene Identifikationsnummer, die IMEI (International Mobile Equipment Identity, internationale Gerätekennung). Identifizierbar. *#06# oder AT+CGSN Je nach Konfiguration zwei weitere Interface- Komponenten: TA (Terminal Adaptor) und TE (Terminal Equipment). Die SIM-Chipkarte (Subscriber Identity Module, Teilnehmer Identitäts-Modul). Identifizierungskarte, teilnehmerrelevante Daten und Rechenfunktionen SIM-Chipkarte, Mobilgerät und Antenne bilden zusammen das Mobilendgerät (Mobile Termination, MT) Seite 10 5

6 Mobilendgerät: Mobilgerät, Antenne und SIM-Chipkarte Das Mobilendgerät MT führt folgende Haupt-Funktionen aus: Übertragung (Senden und Empfang) der HF-Signale Steuerung der zugeordneten HF- Kanäle Anzeige und Eingabe von Nachrichten Sprachkodierung bzw. Dekodierung Fehlerkorrektur für alle gesendeten Informationen Verwaltung von internen Daten (z.b. Speicherung der Tel-Nummern) Anpassung der Übertragungsgeschwindigkeit zwischen Anwender und Radiokanal Etc. Seite 11 Veranschaulichung der Begriffe MT2 und TE2 MT2 PC-Card (PCMCIA) TE2 Drei verschiedene MT s: MT0, MT1 und MT2. MT0: Ein GSM-Endgerät, das voll funktionsfähig ist und keine weitere Anschlussmöglichkeit (Interface) hat, wird als MT0 bezeichnet. MT1: Verfügt das GSM-Endgerät MT über eine ISDN-Schnittstelle, wird es als MT1 bezeichnet. An dieser ISDN-Schnittstelle kann ein ISDN-Datenterminal (Terminal Equipment TE1) direkt angeschlossen werden. Wird ein Nicht-ISDN-Datenterminal (Terminal Equipment TE2) angeschlossen, bedarf es eines Schnittstellenumsetzers (Terminal Adaptor TA). MT2: Verfügt das GSM-Endgerät über eine Schnittstelle, die nicht ISDN-kompatibel ist (z.b. RS-232, V.24, PC-Card, IrDA, PCMCIA), wird das GSM-Endgerät als MT2 bezeichnet. In diesem Fall kann ein Nicht- ISDN-Datenterminal (TE2) direkt angeschlossen werden. Ein Datenterminal TE kann z.b. ein PC, ein Mikrokontroller oder ein Bildschirm sein.. Seite 12 6

7 Radio Interface (Luftschnittstelle Um), Übersicht Luftschnittstelle: Zwischen Mobile Station (MS) und Base Station System (BSS). GSM 900 Uplink: MHz (MS zu BTS) Downlink: MHz (BTS zu MS). Kanalabstand: 200 khz GSM 1800 Uplink: MHz Downlink: MHz Kanalabstand: 200 khz GSM 1900 Uplink: MHz Downlink: MHz Kanalabstand: 200kHz Kombination aus Vielfachzugriff im Zeit- und Frequenzmultiplex (Zeitmultiplex: Time Division Multiple Access TDMA, Frequenzmultiplex: Frequency Division Multiple Access FDMA). Seite 13 Base Station System BSS BSS BTS BSC BTS BSS BSC BTS Base Station System BSS besteht aus: Base Transceiver Station BTS (inkl. Antenne) Base Station Controller BSC Base Station Controller BSC: Stellt die physikalische Verbindungen zwischen der Mobilverbindungsstelle (Mobile- Services Switching Centre auch Mobile Switching Centre) und der Transceiverstation BTS her übernimmt die notwendigen Kontrollfunktionen. steuert den Handover konfiguriert den Datenfluss und regelt die Sendestärke der BTS Eine BSC kann eine oder mehrere BTS kontrollieren (bis zu einigen Hundert). BSC Base Transceiver Station BTS: Über Funkwellen Kontakt mit den Mobilstationen. Empfangs- und Sendeantenne Für die Kanalcodierung- bzw. Dekodierung und für die Verschlüsselung bzw. Entschlüsselung verantwortlich Seite 14 7

8 Frequenzverteilung, Frequenzplan: Zellenstruktur (7er-Cluster), Grösse: 100m. 35km Seite 15 Antennenstandort Die Sendeleistung (ERP, ERP = effektive abgestrahlte Leistung, effective radiated power): "sehr klein": Gesamtleistung ist weniger als 10 W "klein": Die Gesamtleistung liegt im Bereich zwischen 10 und 100 W "mittel": Die Gesamtleistung liegt im Bereich zwischen 100 und 1000 W "gross": Die Gesamtleistung liegt im Bereich oberhalb 1 kw. Seite 16 8

9 Location Area (LA) Location Area: variable Anzahl von Funkzellen (BTS) oft vom selben Base Station Controller (BSC) kontrolliert BSC-übergreifende LAs sind möglich (BSC am selben!) LA-Bereich wird -Datenbank überprüft Grösse von LA abhängig von der Verkehrsdichte und der Kapazität des Besucher-Registers Optimale Grösse: Teilnehmerdaten bei lokalen Bewegungen der Mobilstation nicht ständig aktualisieren Seite 17 Network Subsystem I- Zum Network Subsystem gehören folgende Netzelemente: Mobile-Services Switching Centre: (Mobilvermittlungsstelle) Equipment Identity Register: (Geräte-Identitätsregister) Home Location Register: (Heimatregister) Visitor Location Register: (Besucherregister) Authentication Centre: (Authentifizierungszentrum) Gateway-: Gateway-: Interworking-: I- Seite 18 9

10 Network Subsystem : Mobile-Services Switching Centre I- Mobilvermittlungsstelle Kernstück eines Mobilfunknetzes Aufbau, Lenkung und Steuerung der Anrufe Auslösung des Anrufes Erfassen und Weiterleiten der Taxdaten Schnittstelle zwischen öffentlichem Mobilfunknetz und Festnetz (über Gateways) Steuerung der Registerabfragen (zur Registrierung, Authentifizierung und Aktualisierung der Aufenthaltsregistrierung) Steuerung der Handover (Wechsel der Funkzellen) Seite 19 Network Subsystem : Equipment Identity Register I- Im (Geräte-Identitätsregister) werden Gerätenummern (IMEI) gespeichert: Weisse Liste: Auflistung aller bekannten und gültigen IMEI s Schwarze Liste: Auflistung aller defekten und gestohlenen IMEI s Graue Liste: Auflistung der IMEI mit zweifelhaftem Status Seite 20 10

11 Network Subsystem : Home Location Register I- (Heimatregister) beinhaltet folgende Teilnehmerdaten: Die internationale Teilnehmer- Identifikation (International Mobile Subscriber Identity, IMSI) Die ISDN-Rufnummer der Mobilstation (Mobile Station ISDN-Number, MSISDN) Die Gerätedaten Die Parameter für die Authentifizierung und Verschlüsselung Die abonnierten Dienste, unabhängig vom gegenwärtigen Ort des Teilnehmers Der Aufenthaltsbereich LA (Location Area) des Teilnehmers, damit dieser bei ankommenden Rufen im Netz gefunden werden kann, ohne dass er in jeder Zelle gesucht werden muss. Seite 21 Network Subsystem : Visitor Location Register I- Visitor Location Register : Aktuelle Position eines Teilnehmers wird im (Besucherregister) gespeichert. Es enthält die Daten (z. B. IMSI, MSISDN, etc.) aller Mobilstationen, die sich momentan im Verwaltungsbereich der zugehörigen aufhalten. Jedes Mal wenn eine Mobilstation Funkkontakt mit einer neuen Funkzelle aufnimmt, wird die Registrierung erneuert. Ein Besucherregister kann mehreren s zugeordnet sein, in der Praxis ist jedoch jedem ein zugeordnet. Seite 22 11

12 Network Subsystem : Authentication Centre I- Authentication Centre : geschützte Datenbank die eine Kopie der auf der SIM-Chipkarte gespeicherten vertraulichen Daten enthält. Im werden die Schlüssel für die Authentifizierung der Benutzer und die Verschlüsselung ihrer Daten gespeichert, so dass diese vor dem Zugriff Fremder und damit vor Missbrauch geschützt sind. Die Schlüssel authentifizieren den Benutzer und geben ihm den Zugang zum jeweiligen Dienst frei. Seite 23 Network Subsystem : Gateway- I- Gateway- : Wickelt Gesprächs- oder Datenverkehr mit dem Festnetz (z.b. PSTN) ab Wenn das Festnetz keinen direkten Zugang zu einem Heimatregister hat, leitet es die Verbindung an das des entsprechenden Mobilfunknetzes. Dieses kümmert sich dann um die Verbindung zum mobilen Teilnehmer. Seite 24 12

13 Network Subsystem : Gateway- Interworking- I- I- Gateway- : Liefert Kurzmitteilungen (SMS) von der Kurzmitteilungszentrale (SC) an die Mobilstation Schaltstelle, welche die in der Zentrale zwischengespeicherten Kurzmitteilungen ins öffentliche Mobilfunknetz PLMN übermittelt. Interworking- I- Liefert SMS von der Mobilstation an die Kurzmitteilungszentrale (SC) Schaltstelle, welche die im Mobilfunknetz abgesetzten Kurzmitteilungen in der Kurzmitteilungszentrale zwischenspeichert Seite 25 Operations and Maintenance Centre OMC OMC OMC Funktionen des OMC: Kontrolle und Wartung von, BSC und BTS Verwaltung der Abrechnungen Führen der Statistiken und der Verkehrsdaten Sicherheitsmanagement Konfigurieren des Netzes Performance Management (Qualitätskontrolle) Organisieren und Verwaltung von Wartungsarbeiten Zur Überwachung des Netzbetriebs muss die OMC auf die gespeicherten Gerätedaten des und die Teilnehmerdaten des zugreifen können. Ein OMC kann ein gesamtes nationales Mobilfunknetz oder auch nur Teile des Netzes überwachen Seite 26 13

14 Short Message Service-Service Centre SC SC Storage Swisscom: Im SC werden die Kurznachrichten (SMS) zwischengespeichert Mobilstation 1 sendet die Kurznachricht zur Kurzmitteilungszentrale SC, welche diese speichert Die Kurzmitteilungszentrale SC übermittelt die gespeicherte Kurznachricht zur Mobilstation 2 Kurzmitteilungszentrale SC ist eine Art Store & Forward- Einrichtung (Speicherung und Weiterleitung). SMS: 160 Zeichen à 7 Bit = 140 Byte = 1120 Bits Seite 27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. 6. Januar 2008 Seite 28 14