Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS Ruedi Arnold
Inhalt Ablauf 1. Einführung Generationen 2. GSM (Global System for Mobile Communication) - Architektur - Handover - Zellen - Lokalisierung 3. GPRS (General Packet Radio Service) - Architektur - Routing (IP) - Session - Qualität 4. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - Architektur - UTRAN -Facts/ Ziele -Zellhierarchie 5. Schlussbemerkungen Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 2
Ziele des Vortrages Eine Übersicht über einige wichtige Mobiltechnologien Motivation und Einsatz Verständnis für das Mobilitätsmanagement und für Probleme der Mobilkommunikation (z.b. Lokalisierung, Handover) Möglichkeiten der Zukunft der mobilen Kommunikation skizzieren zeitlich nicht zu lange werden... ;-) Warnung: 47 Folien (und einige Extra...) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 3
Kein Ziel des Vortrages Das Gebiet GSM, GPRS und UMTS ist riesig!!! Es gäbe sehr viele Aspekte und Details Mein Ziel hier ist ein grober Überblick über das Mobilitätsmanagement und die dazu nötigen (technischen) Grundlagen zu geben vereinfachte Skizzen und Darstellungen! Es ist nicht mein Ziel, allzu technisch auf GSM usw. einzugehen. Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 4
Generationen Mobilkommunikation: verschiedene Generationen von Mobil- Technologien UMTS: dritte Generation mobiler Kommunikationssysteme Frage: Generationen davor? Zum Einstieg (historischer) Überblick Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 5
1. Generation analog Merkmale analoges System primär für Sprache konzipiert Zeitrahmen 1958: A-Netz (D) 1983: AMPS Vertreter C-Netz (D) AMPS (Advanced Mobile Phone Service) viele verschiedene Standards (80er: 7 inkompatible in Europa! nationale Beschränkung) 1981: NMT 1998: USA - immer noch über 80% AMPS NMT (Nordic Mobile Telephone) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 6
2. Generation digital Merkmale (GSM) digitales System verbindungsorientiert ISDN und analog Telefonie kompatibel einheitlicher Standard (Europa) Zeitrahmen 1982: Groupe Spéciale Mobile 1991: erste GSM Netze 2001: (in Europa) stark verbreitet! Vertreter GSM (Global System for Mobile Communications) IS-95 CDMA / IS-136 TDMA (USA) PDC (Personal Digital Cellular, Japan) [vgl: Vortrag imode!] Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 7
2.5 Generation GSM+ Merkmale Verbesserung & Erweiterung GSM HSCSD: parallel mehrere GSM Verbindungen GPRS: packet-service auf GSM Basis EDGE: höhere Bandbreite durch bessere Codierung (8PSK vs GK) Zeitrahmen 2001: HSCSD verfügbar in CH 2001: GPRS teilweise verfügbar (diax) EDGE:? Vertreter HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) GPRS (General Packet Radio Service) EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 8
3. Generation UMTS Merkmale digitales System verbindungs- UND packet-orientiert weltweit einheitlich Zeitrahmen 1992: Frequenzen festgelegt. 1998: 3GPP (Third Generation Partnership Project) Vertreter Universal Mobile Telecommunications System Transport multimedialer Daten 2001: Testnetze kommerziell geplant für 2002 Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 9
Inhalt Ablauf 1. Einführung Generationen 2. GSM (Global System for Mobile Communication) - Architektur - Handover - Zellen - Lokalisierung 3. GPRS (General Packet Radio Service) - Architektur - Routing (IP) - Session - Qualität 4. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - Architektur - UTRAN -Facts/ Ziele -Zellhierarchie 5. Schlussbemerkungen Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 10
GSM Facts I Kommunikation: Mobile Kommunikationsmöglichkeit über einen verbindungsorientierten Funkweg Unterstützung für Sprach- und Datendienste (bis 9.6 kbit/s) komplexe Rahmenstruktur (TDMA) getrennte Daten- und Kontrollkanäle Detail: S auf Kontrollkanal Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 11
GSM Facts II Erreichbarkeit: Grenzübergreifend unter gleicher Rufnummer (Roaming) Netz übernimmt Lokalisierungs-Aufgaben transparent Sicherheitsmaßnahmen: Zugangskontrolle durch Einsatz von Chipkarte und PIN Verschlüsselte Übertragung von Daten hohe Komplexität des Systems Draft des Standards: mehr als 5000 Seiten!!! Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 12
GSM FDMA / TDMA 890-915 MHz Frequenzbereich 935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Abwärtsrichtung 124 Kanäle mit je 200 khz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen GSM-TDMA-Rahmen Zeitbereich 1 2 3 4 5 6 7 8 4,615 ms GSM-Zeitschlitz Schutzzeit Schutzzeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail 3 57 1 26 1 57 3 bit 546,5 µs 577 µs Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 13
GSM Funksubsystem (RSS) SIM BSC BSC SIM SIM SIM Das Radio Subsystem (RSS) besteht aus: BSC Base Station Controler Base Transceiver Station Mobile Station SIM Subscriber Identity Module Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 14
GSM Netz und Betrieb HLR GC Festnetz VLR C VLR C BSC BSC BSC Das Netzwerk Subsystem und das Betriebs- und Wartungs-Subsystem bestehen aus: C Mobile Services Switching Center GC Gateway C VLR Visitor Location Register HLR Home Location Register Verbindung zum Funk Subsystem Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 15
GSM Architektur Netzwerk Subsystem / Betreib- und Wartungs- Subsystem VLR HLR C GC VLR C Festnetz SIM BSC BSC SIM Funksubsystem (RSS) / Mobile Station SIM SIM Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 16
GSM Warum Zellen? Wieso gibt es nicht weltweite Funkgeräte? Lokalität (Zellen) hat viele Vorteile/Gründe: mehr Benutzer möglich (Frequenzen sind beschränkt Wiederverwendung!) weniger Interferenz Mobilstation braucht weniger (Sende-) Energie Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 17
GSM Kennungen Kennungen für Lokalisierung und Verbindungsaufbau : ISDN (Mobile Subscriber ISDN): hierarchische Telefonnummer gebunden an SIM, NICHT an identifiziert HLR II (International Mobile Subscriber Identity): GSM interne eindeutige Kennzeichnung TI (Temporary Mobile Subscriber Identity): Identität nicht preisgeben: TI statt II verwenden periodische gewechselt vom VLR RN (Mobile Station Roaming Number): ähnlich wie ISDN im HLR abgelegt identifiziert aktuelles C/VLR Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 18
GSM VLR / HLR Home Location Register: 1 x pro wichtigste Datenbank in GSM Identifikation durch ISDN speichert alle Teilnehmer Daten: - ISDN - freigeschaltete Dienste - Authentifizierungsdaten - aktueller Aufenthaltsort (RN) Visitor Location Register: 1 x pro C Daten aller im Einzugsbereich der C häufige Aktualisierung durch neu auftretende Handys Hierarchisierung des HLR! updates!!! Identifikation durch RN Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 19
GSM Anruf zur 1: Ruf eines GSM Teilnehmers (ISDN) 2: Weiterleitung zum GC 3: Verbindungsaufbaunachricht zum HLR 4: Anfrage der Mobile Station Roaming Number (RN) vom VLR 5: Ortsangabe: derzeitiges C zum GC 6: Anrufweiterleitung zum derzeitigen C 7, 8: Request II, TI 9, 10: Ruf der (Paging) 11, 12: antwortet rufende Station Festnetz 1 2 HLR GC 4 VLR 3 5 7 8 9 6 9 C RSS RSS RSS 12 9 10 10 10 11 Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 20
GSM Handover Handover = aktive Netzverbindung beim Wechsel des Netzzugangspunktes transparent weiterreichen 4 Arten des Handovers 1 2 3 4 Gründe für ein Handover: BSC BSC BSC Bewegung der Zellenwechsel [2,3,4] Lastverumverteilung [2,3,4] Frequenzstörung [1] C C Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 21
GSM Wann Handover? Empfangssignalstärke und schicken sich periodisch Messungen der Qualität in Auf- und Abwärtsrichtung! alt neu BSC beobachtet und legt unter Verwendung eines Hysterese- Schwellwertes den Zeitpunkt eines Handovers fest Benutzer soll den Handover- Vorgang nicht bemerken Transparenz! Bewegung HO_MARGIN alt neu Umschaltpunkt Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 22
GSM Registrierung Was passiert, wenn ein Handy neu eingeschaltet wird? (Wenn in der keine TI vorhanden ist.) 1. ermittelt Frequenz des Trägers mit stärkster Leistung 2. schickt diesem C/VLR Location updating request 3. HLR Eintrag wird erneuert (neues VLR eintragen) 4. HLR löscht Eintrag im alten VLR 5. Eintrag Nutzerdaten im neuen VLR (Kopie vom HLR zum VLR) 6. erhält accept -Nachricht und neue TI (verschlüsselt) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 23
GSM Aktualisierung Aktualisierung = Prozess der Verfolgung der aktuellen Position einer. sendet periodisch Identifikation seines BSC-Gebietes (LA = Location Area) aus Registrierung und Aktualisierung besitzen einen nahezu identischen Ablauf Aktualisierung wird auch zur Wiederherstellung gebraucht. (HLR-VLR Daten/ Funkverbindung) Dem GSM-Netz ist Position von eingeschaltetem Handy jederzeit bekannt! Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 24
Lokalisierung: Trade off Paging Aktualisierung Lokalisierung Genaue Lokalisierung viel Aktualisierungs-Verkehr kleine Paging Area vs Grobe Lokalisierung wenig Aktualisierungs-Verkehr grosse Paging Area Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 25
GSM Schlussbemerkung GSM ist ein sehr umfangreicher Standard sehr viele funktionale Einheiten und Dienste definiert auf Sprachdienste optimiert weniger geeignet für Datendienste (http, ftp...) geringe Bandbreite verbindungsorientiert (Leitung bezahlen) gleiche Kapazität auf- und ab-richtung Beispiel für einen erfolgreichen Standard Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 26
Inhalt Ablauf 1. Einführung Generationen 2. GSM (Global System for Mobile Communication) - Architektur - Handover - Zellen - Lokalisierung 3. GPRS (General Packet Radio Service) - Architektur - Routing (IP) - Session - Qualität 4. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - Architektur - UTRAN -Facts/ Ziele -Zellhierarchie 5. Schlussbemerkungen Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 27
GPRS Facts Erweiterung des GSM Netzes paketorientierter Datendienst Belegung der Zeitschlitze nur wenn Daten vorhanden (z.b. max. 115 kbit/s bei kurzfristiger Belegung von 8 slots) Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexibler asynchroner Daten-Verkehr: verschiedene Anzahl slots in auf- und ab-richtung Web Applikationen Datenabhängige Bezahlung vs feste Verbindung (GSM) Verschiedene Stufen der Dienst-Qualität Nachteil: mehr Investitionen (neue HW!) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 28
GPRS slots 890-915 MHz Frequenzbereich 935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Abwärtsrichtung 124 Kanäle mit je 200 khz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen GSM-TDMA-Rahmen Zeitbereich 1 2 3 4 5 6 7 8 4,615 ms GSM-Zeitschlitz Schutzzeit Schutzzeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail 3 57 1 26 1 57 3 bit 546,5 µs 577 µs Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 29
GPRS Architektur Internet GGSN HLR/ GR GC Festnetz VLR SGSN C VLR C SGSN SIM BSC GR GPRS Register SGSN Serving GPRS Support Node GGSN Gateway GPRS Support Node BSC SIM SIM SIM Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 30
GPRS SGSN SGSN (Serving GPRS Support Node) Unterstützung der (Location, Abrechnung, Sicherheit) Attach / Detach Prozedur Kennt Location/ VLR sowie die II der Entspricht in der Hierarchie in etwa C in GSM Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 31
GPRS GR & GGSN GR (GPRS Register) = Erweiterung beim HLR speichert alle GPRS-relevanten Daten aktueller SGSN GPRS-Benutzeradressen GGSN (Gateway GPRS Support Node) Bidirektionale Konvertierung zwischen GPRS und Paket Daten Netzwerk (Internet) Kennt aktuellen SGSN eines Users Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 32
GPRS attach / detach attach = Registrierung der bei einem SGSN ähnlicher Vorgang wie Registrierung in GSM aber grundsätzlich unabhängig von GSM Verbindungsaufbau / Registrierung attach muss vor Benutzung von GPRS Diensten geschehen Falls Benutzer autorisiert werden Daten vom HLR zum SGSN kopiert und bekommt eine PTI (Packet Temporary Mobile Subscriber Identity) detach: Loslösung vom GPRS Netz Ausgelöst von oder Netz (SGSN oder HLR) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 33
GPRS Sessions Nach erfolgreichem attach: kann bei SGSN PDP (Packet Data Control, typischerweise IP) Adresse(n) beantragen Zustandsdaten einer Session: PDP context Sichtbarkeit im Paketnetz (z.b. Internet) PDP context: Adress-Typ (z.b. IPv4) die PDP Adresse von und GGSN verlangte QoS gespeichert in, GGSN und SGSN Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 34
GPRS Routing PC Internet GGSN HLR/ GR SGSN VLR C SGSN BSC IP Paket von Internet-PC zu routen Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 35
GPRS Lokalisierung Mobilitätsmanagement (MM) geschieht auf 2 Stufen: Mikro MM verfolgt aktuelle Routing Area oder Zelle der sendet routing Area request ähnlich zu Aktualisierung in GSM SGSN ist zuständig keine Änderung in HLR oder GGSN Makro MM verfolgt aktuelle SGSN gespeichert in HLR, VLR und GGSN Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 36
GPRS Qualität Reliability class Lost packet Duplicated packet Out of sequence packet Corrupted packet 1 10-9 10-9 10-9 10-9 2 10-4 10-5 10-5 10-6 3 10-2 10-5 10-5 10-2 Delay 128 byte packet 1024 byte packet class mean 95 percentile mean 95 percentile 1 < 0.5 s < 1.5 s < 2 s < 7 s 2 < 5 s < 25 s < 15 s < 75 s 3 < 50 s < 250 s < 75 s < 375 s 4 unspecified Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 37
GPRS Zusammenfassung GPRS erweitert GSM paket-orientierter Datendienst auf Datendienste optimiert asynchron auf- und ab-richtung Internet Anwendungen Qualitätsstufen Mikro- und Makro-Mobilitätsmanagement Schritt in der Evolution hin zu UMTS! neue Chance für WAP in Europa? Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 38
Inhalt Ablauf 1. Einführung Generationen 2. GSM (Global System for Mobile Communication) - Architektur - Handover - Zellen - Lokalisierung 3. GPRS (General Packet Radio Service) - Architektur - Routing (IP) - Session - Qualität 4. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - Architektur - UTRAN -Facts/ Ziele -Zellhierarchie 5. Schlussbemerkungen Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 39
UMTS Ziele / Facts weltweiter Standard (SOLL) diverse Sprach- und Datendienste (bis 2Mbit/s) Voll Internet kompatibel paket- und verbindungsorientiert Mobilitätsmanagement wie in GSM/GPRS Frequenzbereich 1900-2170 MHz Lizenzen wurden versteigert komplexe Rahmenstrukturen Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 40
UMTS Architektur Paket-Bereich GSM RSS GPRS E-SGSN E-GGSN Internet GSM HLR UTRAN E-C E-GC Telefon Festnetz / ISDN Verbindungs-Bereich UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 41
UMTS UTRAN / CDMA UMTS Terrestrial Radio Access Mobilitätsverwaltung enthält mehrere Funksubsysteme Code Division Multiple Access soft Handover = asynchroner Handover Menge von aktiven Stationen active set pro verschiedene Spreading-Codes Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 42
UMTS Zellhierarchie viele verschiedene Zellentypen - Pikozellen - Nanozellen - Minizellen - Makrozellen - Megazellen - Satellitenzellen verschiedene Anforderungen Datenraten max. Bewegungsgeschwindigkeit auch überlappend neue Probleme! (z.b. Handover) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 43
UMTS Datenraten bis 2Mbit/s in Gebäuden min. 144 kbit/s für weiträumige Bereiche bei hohen relativen Geschwindigkeiten Satelliten nötig für flächendeckende Erreichbarkeit! Welche Technologien? Wann kommerziell? Erfahrungen S-GSM (Iridium, Globalstar) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 44
UMTS Schlusswort diverseste Standards / Technologien / Dienste -GSM -UTRAN - verbindungsorientiert - Paketdienst - Zelltypen - Satelliten -CDMA vs TDMA -soft Handover UMTS Evolution Was wird sich durchsetzen & etablieren? Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 45
Mobiltechnologie Zellen Konzept Zellen hat viele Konsequenzen! Zellwechel Handover (aktive Verbindung) Lokalisierung Genauigkeit: Trade off (paging vs update) Roaming (anderer Anbieter) Hierarchien Wo ist welche Information gespeichert? Wer muss wann was wissen? generierter Netzverkehr Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 46
Ziele des Vortrages Eine Übersicht über einige wichtige Mobiltechnologien Motivation und Einsatz Verständnis für das Mobilitätsmanagement und für Probleme der Mobilkommunikation (z.b. Lokalisierung, Handover) Möglichkeiten der Zukunft der mobilen Kommunikation skizzieren zeitlich nicht zu lange werden??? Warnung: 47 Folien (und einige Extra...) Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 47
Haupt-Referenzen Jochen Schiller: Mobilkommunikation Techniken für das allgegenwärtige Internet, vor allem Kapitel 4. Addison-Wesley 2000. online: http://www.inf.fu-berlin.de/inst/ag-tech/mobile_communications.htm (Als Vorlage für die Illustrationen!) Thomas Ziegert: Nutzung von Verhaltensmustern zur Lokalisierung mobiler Objekte, Kapitel 2. In Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 10 Nr. 651. VDI Verlag. Chrisian Bettstetter et al: GSM Phase 2+ General Packet Radio Services GPRS: Architecture, Protocols, and Air Interface, IEEE Communications Surveys, Third Quarter 1999, vol. 2 no. 3. Josef F. Huber et al: UMTS, the Mobile Multimedia Vision for IMT-2000: A Focus on Standardization, IEEE Communications Magazine, September 2000. Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 48
GSM Architektur C Mobile Services Switching Center HLR GC Festnetz GC Gateway C VLR Visitor Location Register VLR C VLR C HLR Home Location Register BSC Base Station Controler BSC SIM SIM BSC Base Transceiver Station SIM Subscriber Identity SIM SIM Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 49
GPRS Architektur Internet GGSN HLR/ GR GC Festnetz VLR SGSN C VLR C SGSN SIM BSC GR GPRS Register SGSN Serving GPRS Support Node GGSN Gateway GPRS Support Node BSC SIM SIM SIM Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 50
GSM Rahmenhierarchie hyperframe 0 1 2... 2045 2046 2047 3 h 28 min 53,76 s superframe 0 1 2... 48 49 50 0 1... 24 25 6,12 s 0 multiframe 1... 24 25 0 1 2... 48 49 50 120 ms 235,4 ms frame 0 1... 6 7 slot burst 4,615 ms 577 µs Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 51
GSM Handover-Prozedur alt BSC alt C BSC neu neu Messbericht Messbericht HO-Entscheidung HO required HO request Ressourcenreservierung ch. activation HO command HO command HO command HO access HO request ack ch. activation ack Link establishment clear command clear command HO complete HO complete clear complete clear complete Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 52
GSM Netzelemente Funkzelle BSS U m Funkzelle RSS A bis A BSC BSC C C NSS VLR HLR O VLR GC IWF Signalisierung ISDN, PSTN PDN OSS EIR AUC OMC Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 53
IMT-2000 Familie UMTS Schnittstelle zum Übergang zwischen Netzwerken IMT-2000 Core Network ITU-T GSM (MAP) ANSI-41 (IS-634) IP-Netze freie Zuordnung von Core Network zu Radio Access IMT-2000 Radio Access ITU-R IMT-DS (Direct Spread) UTRA FDD (WCDMA) 3GPP IMT-TC (Time Code) UTRA TDD (TD-CDMA) 3GPP IMT-MC (Multi Carrier) cdma2000 3GPP2 IMT-SC (Single Carrier) UWC-136 (EDGE) UWCC/3GPP IMT-FT (Freq. Time) DECT ETSI Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS 54