GSM verkkojen rakenne
Petri Karttunen Ti IV 41569 U
Teknillinen korkeakoulu
Sähkötekniikan osasto
Teletekniikan laboratorio
S-38.116 Teletietotekniikka (2 ov)
Espoo 14.2.1996
Sisällysluettelo
Etukansi. . . . . . . . . . 0
Sisällysluettelo . . . . . . . . 1
Symboliluettelo . . . . . . . . 2
Esipuhe . . . . . . . . . 3
1 Johdanto . . . . . . . . . 4
2 MS . . . . . . . . . 5
2.1 SIM . . . . . . . . . 6
3 BSS . . . . . . . . . 6
3.1 BTS . . . . . . . . . 6
3.2 TRAU . . . . . . . . . 7
3.3 BSC . . . . . . . . . 7
4 Radiotie . . . . . . . . . 7
5 NSS . . . . . . . . . 8
5.1 HLR . . . . . . . . . 9
5.2 VLR . . . . . . . . . 9
5.3 AUR . . . . . . . . . 10
5.4 EIR . . . . . . . . . 10
6 OSS . . . . . . . . . 11
7 Yhteenveto . . . . . . . . . 11
Lähdeluettelo . . . . . . . . . 12
Takakansi . . . . . . . . . 13
Symboliluettelo
AGCH Access Grant Channel, tämän kanavan avulla allokoidaan SDCCH kanava
ARP AutoRadioPuhelin, 150 Mhz taajuudella toimiva laaja matkapuhelinjärjestelmä
AUC Authentication Center, huolehtii tilaajan identifioimisesta ja salauksesta
BCCH Broadcast Channel, yleislähetyskanava
BER Bit Error Rate, bittivirhesuhde
BSC Base Station Controller, tukiasemaohjain
BSS Base Station Subsystem, tukiasema
BTS Base Tranceiver Station, tukiaseman lähetin/vastaanottoyksikkö
CCH Control Channel, ohjauskanava
CSPDN Circuit Switched Public Data Network, piirikytkentäinen dataverkko
DTX Discontinuous Data Transmission, epäjatkuva lähetys
EIR Equipment Identity Register, laiterekisteri sisältäen mm. IMEI-koodit
FACCH Fast Associated Control Channel, rinnakkainen nopea ohjauskanava
FCCH Frequency Correction Channel, taajuuskorjauskanava
FDMA Frequency Division Multiple Access, taajuusjakoinen saantimenetelmä
GMSC Gateway Mobile Switching Center, matkapuhelinkeskus, joka suorittaa välittämistoimenpiteitä
GMSK Gaussian Minium Shift keying, GSM:n modulaatiomenetelmä
GSM General System for Mobile Communication (Group Special Mobile), toisen sukupolven matkapuhelinjärjestelmä
HLR Home Location Register, tilaajan kotirekisteri
IMEI International Mobile Equipment Identity, matkapuhelimen tunniste
IMSI International Mobile Subscriber Identity, tilaajan tunniste
ISDN Integrated Service Digital Network, digitaalinen palveluverkko
ISUP Integrated Service digital network User Part, YKM merkinannossa lähetetaan ISUP viestejä
MoU Memorandum of Understanding, kokous, jossa päätettiin sitoutumisesta GSM:n standartointiin ja soveltamiseen.
IWF Internetworking Function, suorittaa sovitintoimenpiteitä
MAP Mobile Application Part, GSM:n käyttäjaosa, jota käytetään signalointiin
MP Mobile Phone, matkapuhelin
MSC Mobile Switching Center, matkapuhelinkeskus
MSISDN Mobile Subscriber ISDN, E.164 numerointisuunnitelman mukainen MS:n numero
MSRN Mobile Subscriber Roaming Number, numero, joka liittyy MS:n maantieteelliseen sijaintiin.
MTP Message Transfer Part, sanomansiirto-osa, jonka avulla ISUP-viesti siirretään
NMT Nordic Mobile Telephone, pohjosmainen matkapuhelinverkko
NSS The Network and Switching Subsystem, huolehtii puheluiden kytkemisestä
OMC The Operation Maintanance Center, hallintakeskus (OSS:n osa)
OSS The Operation Sub-system, hallinta- ja ylläpitokeskus
PCH Paging Channel, kutsukanava
PIN Personal Identification Number, henkilökohtainen tunnusnumero
PSPDN Packet Switched Public Data Network, pakettiverkko
PSTN Public Switched Telephone Network, yleinen puhelinverkko
RPE-LTP Rectangular Pulse Excited - Linear Predictive coder, GSM:n puheenkoodausalgoritmi
RTX Discontinuous Data Reception, epäjatkuva vastaanotto
RACH Random Access Channel, hajasaantikanava
SACH Slow Assosiated Control Channel, rinnakkainen hidas ohjauskanava
SCCP Signalling Connection Control Part, merkinantoyhteyden ohjausosa
SCH Synchronisation Channel, syknronointikanava, jonka avulla pyritään löytämään solun rajat
SDCCH Stand-alone Dedicated Control Channel, signalointikanava
SIM Subscriber Identity Module, tilaajakortti
SMS Short Message Service, lyhytsanomapalvelu (160 merkkiä)
SNR Signal-to-Noise Ratio, signaalikohina suhde
SS7 Signalling System number 7, signalointijärjestelmä
TDMA Time Division Multiple Access, aikajakoinen saantimenetelmä
TMN Telecommunication Management Network, konsepti, joka mahdollistaa verkon eri osien hallinnan
TMSI Temporal Mobile Subscriber Identity, väliaikainen MS:n tilaajatunnus
TCH Traffic Channel, liikennekanava puhetta tai dataa varten
TRAU Transmission Rate Adapter Unit, muuttaa 64 kbit/s PCM standardinopeudeksi lähetettäväksi edelleen MSC:hen
UMTS Universal Mobile Telephone System, maailmanlaajuinen matkapuhelinjarjestelmä
VAD Voice Activity Detection, äänen aktivisuuden havaitseminen
VLR Visitor Location Register, vierailijarekisteri
YKM Yheiskanavamerkinanto
Esipuhe
Tama paperin aiheena on antaa yleiskäsitys GSM verkkojen rakenteesta ja sen perustoiminnallisuudesta. Sen tarkoituksena on lähinna tarkastella nykyisin vallitsevaa GSM matkapuhelinjarjestelmää arkkitehtuurin kannalta. Paperi on tarkoitettu seminaariesitelmäksi TKK:n kurssia S-38.116 Teletiototekniikka varten keväälla 1996.
Petri Karttunen, Espoo 1996
1 Johdanto
1982 perustivat CEPT:in jäsenet työryhmän, jonka tarkoituksena oli suunnitella standardiksi kattava ja turvallinen matkapuhelinjärjestelmä ja niin perustettiin ryhmä GSM, jolle annettiin tämä tehtävä. 1987 syntynyt GSM MoU [1] antoi GSM:lle vauhtia, koska 18 kansakuntaa ryhtyi toteuttamaan maailmanlaajuista matkapuhelinjärjestelmää GSM:n spesifikaation pohjalta. Vähin osin syntyi kattava standardi ja GSM tarjoaa tilaajalle monia mielenkiintoisia piirteitä. Tilaaja voi soittaa mistä päin tahansa verkon vaikutusalueella toiselle GSM-tilaajalle tai kiinteään verkkoon ilman että tarvitsee tietää eksplisiittisesti sijaintiinformaatioita (vertaa ARP). GSM tarjoaa verrattuna aikaisempiin analogisiin järjestelmiin suuremman kapasiteetin, joka on saavutettu käyttamällä FDMA:ta ja uutta saantimenetelmää TDMA:ta. GSM tarjoaa radiotien osalta luotettavan turvallisuuden. GSM on toisen sukupolven moderni matkapuhelinjärjestelmä, jonka levinnaisyys nykyään on laaja [2].
Kehityssuunta tällä hetkellä on menossa kuitenkin kolmannen sukupolven matkapuhelimen suunnittelussa (UMTS), jonka tarkoituksena ei ole pelkastään suunnitella uutta suurempikapasiteettista matkapuhelinjärjestelmää [3], vaan saada aikaan kattava universaalinen peittoalue ja yhtenäinen päätelaite, missä olisi jopa mahdollisuus multimedian tiedonsiirtoon (2 Mbit/s). Nämä tarjoisivat kuitenkin myös ne samat palvelut, jotka ovat löydettavissä GSM:ssä eli riittävän turvallisuuden radiotien osalta ja enemman tai vahemmän jalostettuina palveluina puhelinliikenteen välittamisen lisäksi mm. lyhytviestipalvelun, fax:in ja mahdollisuuden pienimuotoiseen datan siirtoon aina 9.6 kbit/s asti (2400 bps, 4800 bps, 7200 bps tai 9600 bps). Muina lisäpalveluina (supplementary services) voidaan mainita mahdollisuus mm. puhelun siirtoon (call forwarding), puhelun estämiseen (call barring) ja suljetun käyttäjäryhmän luomiseen. Koska UMTS:in inrastruktuurin toteuttamiseksi saattaa olla hyödyllistä käyttää jo olemassa olevaa ja hyvin toimivaa GSM matkapuhelinverkkoa, on hyvä tarkastella ja ymmärtää GSM verkon eri komponenttien toiminta. Jotta voidaan suunnitella ja tarkastella monimutkaista GSM matkapuhelimen arkkitehtuuria, tarvitaan erilaisia sopivia tarkastelunäkökohtia. GSM voidaan ajatella muodostavan joukon fysikaalisia laitteita, joita järjestelmässä esiintyy ja joita tarvitaan liikenteen välittamiseksi. GSM voidaan tarkastella funktionaalisella tasolla eli siitä voidaan identifioida niitä funktioita, joita tarvitaan pyrittäessä liikenteen välittamiseen matkapuhelimesta toiseen tai kiinteään verkkoon. GSM:stä voidaan saada ymmärrystä tarkastelemalla niitä ilmiöitä, joita systeemissä esiintyy myös tapahtumajonoina. Tässä paperissa pyritäänkin lähinnä tarkastelemaan kuvan 1 mukaista arkkirehtuuria ja sen eri komponetteja ja saamaan käsitys niiden toiminnasta ja niiden tarpeellisuudesta [4][14].
Kuva 1 GSM verkon arkkitehtturikomponentit.
2 MS
Matkapuhelin [5][6] on tilaajan päätelaite, joka on verkon liikkuva osa ja joka saattaa usein olla käyttäjälle ainoa verkon näkyvä osa. MS tarvitsee toimiakseen tarvittavan antennin, näytön, mikrofonin, kaiuttimen, signaaliprosessorin ja tehokkaan akkukennoston. MS on radiotien välityksellä yhteydessä muuhun kiinteään verkkoon. MS sisältää useita käyttäjälle huomaamattomia toiminnallisia piirteitä [4][9]. MS:lla on mahdollisuus mm. epäjatkuvaan vastaanottoon. DRX:n etuna tällöin on että MS:n tarvitsee vain ajoittain skannata PCH kanavaa tulevien kutsujen varalta. Väliaikana puhelin voi menna lepotilaan, jolloin se ei kuluta energiaa juurikaan ja näinollen säästää akkuja. Epäjatkuva lähetys (DTX) puolestaan perustuu seikkaan, etta henkilö puhuu vain tietyn osan yhteysajasta, jolloin MS:n ei tarvitse jatkuvasti lähettää radiotielle informaatioita. DTX:n etuna myös on tällöin tehon säästyminen MS:ssa ja radiojärjestelmän kapasiteetin kasvaminen, koska radiotie ei ruuhkaudu niin nopeasti ja näinollen voidaan parempaa palvelua antaa suuremmalla solukoolla. Lisaksi sekundäärisenä ilmiönä saadaan häiriötä vähennettyä. Tärkein komponentti DTX:ssa on VAD, joka pyrkii erottamaan hiljaiset ajanjaksot puheesta. Jos puhe kuitenkin kaikesta huolimatta tulkitaan taustameluksi, aiheutuu tästa ärsyttävä äkillinen puheen katkeaminen. Jotta vastapuoli ei luulisi yhteyden katkenneen, lähetetään siksi tasaista taustakohinaa väliaikana. Jos VAD puolestaan tulkitsee taustamelua puheeksi, pienenee DTX:n tuoma hyöty nopeasti.
Radioyhteyden aikana MS huolehtii koko ajan kehyksen lähetyshetken säätelystä (time alignment), jonka avulla pyritään vähentämään MS sijainnin vaikutusta solussa eliminoimalla erilaiset etenemisviivet tukiasemaan. Dopplerin ilmiöön perustuen MS:n liikkumisnopeus ei saa olla myöskään hyvin suuri tukiasemaan nähden. MS huolehtii koko ajan yhteyden laadun valvontaa skannaamalla viereisten tukiasemien lähetystasoja. MS mittaa signaalin laatua perustuen bittivirhesuhteeseen (BER) ja mittaukset suoritettuaan MS lähettää mittaustulokset BTC:lle, jossa päätetään mahdollisesta kanavanvaihdon suorittamisesta. Myös taajuushyppelyn suorittamisen avulla MS pyrkii lievittämään eri kanavien välistä häiriötä ja monitie-etenemistä (multipath fading). Tällöin MS tai BTS pyrkii lähettämään jokaisen TDMA purskeen eri kantoaallolla. Tietoa taajuushyppelysekvensistä lähetetään jatkuvasti BCCH kanavalla. MS:n tehon säätelyn tarkoituksena on, että sekä MS että BTS pyrkii lähettämään mahdollisimman alhaisella tehotasolla, joka vielä on hyväksyttävissä rajoissa (SNR). MS:lle on standardissa määritelty viisi erilaista teholuokkaa (0.8, 2, 5, 8 ja 20 wattia). Tehotasoa voidaan sen mukaan säätää 2 db askeleilla määritellystä huipputehosta aina 20 mW:n minimitehoon.
GSM:ssä on kiinnitetty riittävästi huomiota myös turvallisuuteen. Kun esim. tavallisia analogisia järjestelmiä on melko helppo salakuunella, on puolestaan GSM:n salakuuntelu miltei mahdotonta. Jo pelkkä TDMA:n ja taajuushyppelyn käyttäminen vaatii melkoisesti salakuuntelulaitteistolta puhumattakaan kun päälle on toteutettu salausjärjestelmä. MS huolehtii lisäksi lähetettavän tiedon salaamisesta. Salauksen aikana MS tunnistaa itsensä TMSI avulla ja MS sisältää myös salausavaimen tuottavan algorimin A5. MS sisältää myös IMEI-koodin, jolla matkapuhelin voidaan identifioida. Lisaksi MS:n SIM-kortti sisältää henkilokohtaisen salasanan (PIN), joka estää muiden käyttämästä terminaalia.
MS on mahdollista liittää myös muihin terminaalilaitteisiin. Esimerkkinä tästä on PCMCIA-kortti, joka mahdollistaa liitynnän tavalliseen PC:hen. Sen avulla voidaan lähettää tai vastaanottaa dataa ei-läpinäkyvästi (non transparent), lähettää tai vastaanottaa faxeja läpinäkyvästi (transparent) ja lähettää tai vastaanottaa 160 merkin lyhytviestisanomia PC:n avulla.
2.1 SIM
Matkapuhelimen sisältä on löydettävissä SIM-kortti [7], joka voidaan hankkia miltä tahansa operaattorilta. Fyysisesti SIM kortti sisältää prosessorin ja haihtumatonta muistia ja sen liityntä MS:ään standardissa on SIM-ME. SIM sisältää liittymän omistajan henkilökohtaista tietoa ja näinollen se mahdollistaa henkilökohtaisen liikkuvuuden riippumatta sijainnista tai käytettävästä terminaalista. Tälläinen konsepti mahdollistaa mm. tilaajan lainata puhelintaan toiselle. Korttiin on ohjelmoitu tilaajan hankkimat palvelut. SIM kortilla on suuri rooli turvallisuudessa. Se sisältää tunnuksen IMSI, jonka avulla tilaaja voidaan yksikäsitteisesti identifioida ja sisältää myös salaisen avaimen, jonka avulla voidaan autentikoiminen suorittaa. IMEI ja IMSI ovat toisistaan riippumattomia mahdollistaen tällöin henkilokohtaisen liikkuvuuden. SIM sisältää lisäksi salausavaimen generoivan algoritmin (A8) ja autenttikoimisalgoritmin (A3). Tarkempaa tietoa näiden toiminnasta löytyy kappaleesta AUC.
3 BSS
BSS [4][8][11] sisältää kaikki ne laitteistot, jotka ovat luonteenomaisia GSM:n solukkorakenteelle. Se siis huolehtii yhden tai useamman solun radioliikenteestä. Se sisältää BTS:n, joka on radiotien välityksellä yhteydessä MS:ään ja BSC:iin, joka puolestaan on yhteydessä MSC:iin. BSS voi olla jakamaton eli toisinsanoen se voi sisältää yhden BSC:n ja yhden BTS:n tai koostua yhdesta BSC:sta ja useammasta BTS:sta. BSS:n solukkorakenne voi koostua mm. 7 toistumakuviosta, tienvarsityyppisistä soluista tai ympärisäteilevistä soluista, jotka ovat sektoroituja. Solu on siis perusalue, jossa liikennekanavat ovat käytettävissä. Liikennealue puolestaan koostuu useiden solujen kattamasta alueesta. GSM-puhelimen sijainti tiedetäänkin aina liikennealueen tarkkuudella. Verkkomerkinanto on toteutettu BSS:n ja MSC:n välilla YKM:n avulla. Liityttäessa ISDN-verkkoon käytetään käyttäjaosaa ISUP ja NSS:n eri osien välillä käytetään käyttajaosaa MAP. Merkinanto toteutetaan kiinteassa verkossa SCCP:n ja sanomasiirto-osan MTP:n avulla.
3.1 BTS
BTS palvelee yhta tukisolua. Solun vaikutusalue voi yltää maantieteellisesti noin 35 km asti. GSM puhelinjarjestelmä onkin tarkoitetu pelkastään ulkokäyttöön. Niinpä tuleva standaroitava UMTS-järjestelmä [3] tulee sisältämään mikro- ja pikosoluja, jotka ovat sopivia myos suurikapasiteettia vaativaan käyttöön. RACE:n alaprojektin TSUNAMIN yhteydessä pyritäänkin kehittamään eteenpäin sellaisia antennijarjestelmiä, jotka koostuvat lukuisista antennielementeistä, jotka ovat asetettu esim geometrialtaan lineaarisesti. Tälläisten avulla pystytään muodostamaan tarkkoja antennikeiloja MS:aan päin. Etuna tästä on että ymparistöön säteilevää tehoa voidaan saada huomattavasti pienemmäksi verrattuna perinteisiin antenneihin. Yleisesti BTS sisältää tarvittavat laitteet radioliikenteen lähettämiseksi ja vastaanottamiseksi. Antennit ovat mastossa, jotka ovat kytketty syöttokaapeleilla maassa oleviin telineisiin, jotka sisaltävät tarvittavat laitteet signaalien prosessointiin.
3.2 TRAU
TRAU:ssa suoritetaan GSM spesifinen puheen koodaus ja dekoodaus ja datan ollessa kysymyksessa myos bittinopeuden sovitus. Se voi olla osana BTS:ää tai se voi sijaita myös BSC ja MSC välillä.
3.3 BSC
BSC on vastuussa kaikesta radioliikenteen hallinnasta BTS:s ja siten MS:n välillä. BSC voidaan ajatella olevan kytkin, joka omaa huomattavasti laskentakapasiteettia. BSC huolehtii MS:n lähettämien signaalivoimakkuusmittausten tulosten analysoinnista ja tekee sen perusteella kanavanvaihtopäätöksen (handover). Neljä erilaista kanavanvaihtotyyppia voidaan identifioida, joista kaksi on BSC:n hallinnassa. Sisäinen kanavanvaihto tehdään BSC:n toimesta kokonaan, jolloin siirrytään toiselle kanavalle ja MSC:ta tiedotetaan lopputuloksesta. Ulkoinen kanavanvaihto suoritetaan BSC hallitsemien BTS:ien välillä. MSC:n sisäinen kanavanvaihto suoritetaan, kun tilaaja liikkuu toisen BSC vaikutusalueelle. MSC:n välinen kanavanvaihto tehdään puolestaan, kun tilaaja liikkuu toisen MSC:n (täten myös BSC) alueelle. BSC:n muihin yleisiin tehtäviin kuuluu kanavakonfiguraation hallinta, salauksen suorittaminen ja avaaminen, taajuushyppelyn sarjan tiedottamisesta ja suorittamisesta ja kutsun hallinta (paging). Spesifikaation mukaisesti [4] loytyy BSS:ssa useita standartoituja liityntöjä (katso kuva 1). Abis-liityntä löytyy BSC ja BTS välillä, joka on puhetta, dataa ja signalointia varten (16/64 Kbit/s). BSC ja MSC välilla on puolestaan standardit 2Mbit/s PCM yhteydet.
4 Radiotie
GSM:n spesifikaatioissa radiotie [4][9][13] on yksi tarkimmin määritellyistä verkon osista. GSM:lle on spesifikoitu seuraavat taajuusalueet käytettäväksi: MS:stä BSS:ään 890-915 MHz (uplink) ja BSS:stä MS:ään 935-960 MHz (downlink). Muunmuassa NMT käyttää osaa tästä taajuusalueesta, joten GSM voi käyttää vain osan tästä alueesta. Radiotien resurssien jakamisessa on käytetty TDMA:tä ja FDMA:tä. FDMA:n avulla koko 25 MHz:in taajuuskaista on jaettu 124 kantoaaltoon, joiden välinen ero on 200 Khz. Näitä kantoaaltoja voidaan allokoida yksi tai useampi jokaiselle tukiasemalle. Jokaiseen kantoaaltoon on sovellettu vielä lisäksi TDMA:ta, jonka tuloksena kantoaalto on jaettu ajallisesti kahdeksaan soluun (577 us) ja saatu näinollen TDMA-kehys (4.6 ms), joiden jokaista solua voidaan käyttää lähetykseen tai vastaanottoon (katso kuva 2). TDMA kehyksistä muodostetaan edelleen ylikehyksiä, jotka voivat koostua 26 (120 ms) tai 51 (235 ms) kehyksestä. Edelleen voidaan vielä 26 tai 51 ylikehystä koostaa superkehykseksi (6.12 s). Hyperkehys koostuu puolestaan 2048 kpl:sta superkehyksiä (noin 3.5 tuntia), joten järjestelmä toistaa kanavakonfiguraatioita 3.5 tunnin välein. Jokainen TDMA kehys (määritelmän mukaan purske) voi sisältää viittä erilaista informaatiotyyppiä: normaalipurskeen, taajuuskorjauspurskeen, synkronointipurskeen, hajasaantipurskeen ja dummy-purskeen. Kuvassa 2 on esitetty eri pursketyyppejä kenttineen, TDMA kehys ja ylikehys. Yhtä solua voidaan käyttää vastaanottamiseen tai lähettamiseen. Kuitenkin lähetettavän ja vastaanotettavan solun välillä on erotettava muutamalla solulla, jolloin ei tarvitse vastaanottaa tai lähettää samanaikaisesti, mikä yksinkertaistaa laitteistorakennetta huomattavasti.
Puhekoodaus (RPE-LTP) tuottaa 20 ms:in välein 260 bitin näytteitä. Puheenkoodauksen tuloksena syntyneet bitit jaetaan eri luokkiin virheenkorjauksen kannalta eli koodauksen aikana syntyneisiin bitteihin lisatään informaatiobittejä sopivasti. Konvoloimalla saadaan hyvä suoja purskettaisia virheitä vastaan. Kanavan ulostulo on 456 bittinen kehys. Tämä 456 bittinen kehys lomitetaan sopivasti, jolloin saadaan varmistettua että alunperin vierekkäiset bitit eivat ole alttiina samalle häiriölle. Kokonaisbittinopeudeksi puheenkoodaukselle saadaan 13 kbps ja kanavakoodauksen bittinopeudeksi saadaan 22.8 kbit/s. Radiokanavan bittinopeudeksi puolestaan saadaan 270.833 kbit/s. Puheenkoodauksesta saadaan täyden nopeuden kanava radiotielle lähetettaväksi. Tulevaisuudessa pyritään myös kehittamään puheenkoodaukselle puolen kanavan nopeudella (<7Kbit/s) toimivia koodereita [10], johon GSM:n spesifikaatioissa olikin varauduttu.
Radiojärjestelmän kanavat muodostuvat kahdenlaisista kanavista, liikennekanavista (TCH), joilla voidaan välittää puhetta tai dataa ja ohjauskanavista (CCH), joilla voidaan välittää signalointi-informaatiota ja synkronointia. Ohjauskanavat jaetaan edellen useisiin kanavatyyppeihin. Yleislähetyskanava (BCCH) jatkuvasti lähettää tietoa mm. taajuushyppelysarjasta, tietoa taajuuksien allokoinnista ja tukiaseman identiteetistä. Yhteiskanava (CCCH) koostuu kolmesta kanavasta: hajasaantikanavasta (RACH), jonka avulla pyydetään yhteyttä verkkoon, kutsukanavasta (PCH), jonka avulla tiedotetaan MS:lle tulevasta puhelusta ja AGCH, jonka avulla allokoidaan SDCCH signalointikanava MS:lle. Yhteyskohtaista ohjauskanavaa (SDCCH) käytetään mm. sijainnin päivitykseen, autentikoimiseen, registeröimiseen ja puheyhteyden asettamiseen. Muita kanavia on mm. rinnakkainen hidas ohjauskanava (SACC), synkronointikanava (SCH), taajuuskorjauskanava (FCCH) ja rinnakkainen nopea ohjauskanava (FACCH). GSM käyttää modulaatiomenetelmänä GMSK. Sillä on ominaisuutena melko kapea spektri riittavällä tehokkuudella. Lisäksi kaistan ulkopuoleinen hajaspektri on matala näinollen vähentäen kanavien välista häiriötä. Monitie-etenemista vastaan pyritään myös välttämään sopivilla laskennollisilla menetelmillä. Tähän tarkoitukseen käytetaan normaalipurskeessa olevaa opetusjonoa. Standardi määritteleekin 16 us viiven hajonnan sietämisen.
Click here for Picture Kuva 2 Radiotien rakenne
5 NSS
NSS sisältää tarvittavat laitteistot ja tietokannat tilaajan identifioimiseksi ja liikkumisen hallinnaksi hänen pyytämiensä puheluiden ja palveluiden yhdistämiseksi. Signalointi eri verkon osien välillä tapahtuu kayttaen SS7, joka on laajasti käytössa mm. ISDN verkossa. NSS koostuu MSC:stä, HLR:stä, VLR:stä, AUC:sta ja EIR:stä.
5.1 MSC
MSC [4][11] hoitaa puheluiden ja palveluiden yhdistämisen. Se hoitaa liikenteen alueelta, jonka kattaa yksi tai useampi BSS. Se sisältää yhdysjohtoja muihin verkkoihin ja BSS:n päin. MSC tarjoaa myos liitynnän PSTN:ään ja ISDN:ään. Ninpä eri verkkojen välistä liikennettä varten tarvitaan useinmiten sovitustoimenpiteita (IWF). MSC:n tehtävät ovat monimutkaisia. Sen täytyy pystyä yhdistämään kaksi tilaaja sijaitsivat ne missä tahansa päin vekkkoa. MSC huolehtii myös kanavan vaihdosta, mikäli tilaaja sattuu ylittämään kahden hallinnollisesti erillisen MSC:n alueen. MSC voi olla rakennettu useilla eri kokoonpanoilla. GMSC hoitaa puheluiden väylöityksen puhelinverkosta edelleen siihen MSC:hen, jonka alueella MS sijaitsee. Tällöin GMSC:lla on oltava signalointiyhteys HLR:aan. SMS-GMSC on MSC, jolla on yhteys lyhytsanomien SC:hen. Se väylöittää sanomat siihen keskukseen, jonka alueella MS sijaitsee.
5.2 HLR
HLR [4][11][12] on tietokanta, joka sisältää tilaajakohtaista tietoa puheluiden välittämiseksi. Se sisältää tiedon tilaajan palvelujen tilasta, onko tilaaja tavoitettavissa, tilaajan sijainnista verkossa, tilaajan oikeuksista ja mahdollisista käyttörajoituksista palveluihin. HLR kerää myös tilastotietoa ja lähettää niitä OMC:lle aikaajoin. Myös laskutuksen yhteydessä HLR on mukana. HLR sisältää kansainvälisen matkapuhelimen tunnuksen (IMSI), joka on tallennettu myös SIM korttiin. Puhelujen väylöityksessä HLR:lla on merkittävä osa. Soitettaessa esim. kiinteästä verkosta MS:ään käytetään MSISDN numeroa, joka on E.164 numerointisuunnitelman mukainen. MSISDN on tilaajan puhelimen numero, joka liittyy IMSI:iin HLR:ssa. Kysylen tuloksena palautuu MSRN numero, joka on kytketty puhelimen maantieteelliseen sijaintiin. Tämän jälkeen puhelimelle lähetetään viesti tulevasta puhelusta kutsukanavalla. HLR:n tehtäviin kuuluu myös olla tilaajahallinnon alainen, tilaajatietojen ylläpitäminen, liikenteen ohjaus, vikatilanteista toipuminen (rekonstruointi VLR:n avulla), salauksen ja lyhytsanomien käsittely. HLR sisältää myös salausprosessiin liittyvat avaimet kuten salausavaimen.
5.3 VLR
VLR:n [4][11][12] tietokannat sisaltää väliaikaista tilaajakohtaista tietoa ja usein ne onkin osakopio HLR:n tietokannasta (mikäli VLR päivittyy, päivittyy myös tiedot HLR:ssä). VLR on nykyään usein toteutettu MSC:n rinnalla, joten MSC:n ja VLR:n vaikutusalueet ovat samat. VLR:n tarkoituksena on varmistaa MS:lle mahdollisuuden tilata ja vastaanottaa puheluja sellaisen MSC alueella, jossa ei sijaitse HLR. VLR on tietokanta, joka on yhdistetty yhteen tai useampaan MSC:hen ja se on saanut tietonsa yhdesta tai useammasta HLR:sta. Sen yleisiin tehtaviin kuuluu tilaajan rekisteröiminen, sijaintitiedon päivittäminen, tilaajatietojen päivittäminen, salauksen ja väärinkaytösten estäminen, MS päättyvien puhelujen reitittäminen, keskusten välinen kanavanvaihdon suorittaminen ja puhelujen kytkeminen.
5.4 AUC
GSM harjoittamat turvallisuupiirteet voidaan jaotella autentikoimiseen ja radiotiellä kulkevan tiedon salaamiseen [4][12]. Autentikoiminen suojaa puhelimen kloonausta vastaan eli voidaan palvelua pyytävää tilaaja identifioida. Tällöin ulkopuolinen ei pysty soittelemaan jonkun toisen tilaajan laskuun. Tärkeäksi autentikoiminen tulee varsinkin "roamattaessa" ulkomailla. Autentikoimisprosessi käydään läpi mm. tilaajan pyydettäessa lisäpalveluita ja tilaajan sijainnin päivittyessä. AUR on tietokanta, joka sisaltää MS:ien salaiset avaimet, joita tarvitaan suojausta ja autentisoimista varten. Sillä on signalointiyhteys HLR:ään ja se on myös yhteydessä puhelimessa olevaan SIM-korttiin prosessin aikana. On huomattava, että autentikoimisprosessi suoritetaan myös SIM:ssa. AUR ja SIM molemmat sisältävät tilaajan salaisen avaimen. Suoritettaessa autentikointia AUC lähettää 128 bittisen satunnaisluvun MS:lle, joka laskee 32 bittisen vasteen tilaajan salaisen autentikoimisavaimen avulla käyttäen A3 algoritmia, mikä lähetetään AC:lle. AC:ssa verrataan saatua lukemaa ja AC:n laskemaan omaan lukemaan ja näinollen varmistetaan tilaajan identifiointi. Tilaajan salainen autenttikointiavain on vain SIM:ssä ja AC:ssä ja avainta ei tietenkään tarvitse siirtää radiotiellä tai muualla verkossa. Jos autentikoiminen syystä tai toisesta epäonnistuu, yhteys puretaan. SIM:ssä olevan A8 algoritmin avulla tuotetaan myos chippausavain tiedon siirtoa varten, mikä ottaa argumentteina autenttikoimisavaimen ja samaisen satunnaisnumeron, jota käytettiin A3:ssa. Tämän chippausavaimen avulla salataan MS:n ja BSC:n välillä kulkevaa puhe tai data. Kun tilaajan autentikoiminen on tapahtunut, TMSI allokoidaan matkapuhelimelle, joka on liikennealuekohtainen. Sen tarkoituksena on varmistaa tilaajan identiteetin luotettavuus jatkossa.
5.5 EIR
EIR [4][12] on hajautettu tai keskitetty tietokanta, joka sisältää laitekohtaista tietoa kaikista voimassaolevista MS:sta. Rekisteri sisaltää kaikkien MS:ien IMEI koodit, jotka ovat osittain valmistajien antamat. EIR rekisteri näinollen mahdollistaa operaattorille mahdollisuuden tarkistaa MS:n tyyppi ja sarjanumerot ja päättää annetaanko tilaajalle mahdollisuus ottaa yhteys verkkoon. Tarkastus suoritetaan, kun MSC:aan otetaan yhteyttä. MS:ien IMEI-koodi jaetaan kolmeen pääluokkaan. Valkoiseen joukkoon kuuluvat matkapuhelimet saavat ottaa yhteyttä GSM-verkkoon ja johon huolitaan kaikki ne puhelimet, jotka ovat hyväksyttyjä. Harmaaseen joukkoon kuuluvat puhelimet puolestaan ovat valvonnan alaisia ja ne saavat ottaa yhteyttä verkoon operaattorin harkinnan mukaisesti. Mustaan joukkoon kuuluvat puhelimet ovat ei-tyyppihyvaksyttyjä tai ilmoitettu varastetuksi ja siten luonnollisesti niillä ei ole lupa ottaa yhteytta verkkoon lukuunootamatta hätäpuheluja. EIR:in keskusrekisteri sijaitsee Dublinissa Irlannissa. Jokaisella EIR:llä pitäisi olla yhteys tähän keskus EIR:iin vuoden 1995 jälkeen. Tällöin on mahdollista tarvittaessa kelle tahansa operaattorille estää jonkin tilaajan MS:n toiminen missä tahansa vieraassa PLMN:ssa.
6 OSS
OSS (OMC) on matkapuhelinverkon keskitetty ylläpidon keskus. OMC:in tehtavänä on mm. kerätä laskutustietoa, yleistä statustietoa verkon tilasta ja mahdollistaa pääsy muihin hallittaviin laitteisiin. Sitä ei ole määritelty tarkasti GSM:n spesifikaatioissa, joten sen toteuttamisen yksityiskohdat on jätetty operaattoreiden tehtäväksi. Sen merkitys on nykyään tullut korostuneemmaksi, koska hallittavien laitteiden määrä verkossa pyrkii kasvamaan. OSS on yhteydessä BSS:aan ja NSS:n eri osien välillä ja liityntöjä näihin on pyritty määrittelemään TMN:n hengessä. Pyrkimyksenä onkin hallittavien laitteistojen, niiden liityntöjen ja proseduurien standartoiminen, jolloin säästetään kustannuksia toimiessa monien laitetoimittajien ympäristössä.
7 Yhteenveto
GSM tulee olemaan pitkään varteenotettava vaihtoehto matkaviestimeksi. Sitä ei kuitenkaan ole tarkoitettu suurta kapasiteettia vaativaan käyttöön ja eikä sitä pystytä toistaiseksi käyttämään sateliittijärjestelmien kanssa, joilla voitaisiin kattaa esim. harvaanasuttuja seutuja. Lisäksi koko ajan on vaatimuksia kulutettavan tehon pienentämiseksi tietoliikennelaitteistoissa, mitä voidaan parantaa mm. kehittämällä parempia algoritmejä liittyen puheenkoodaukseen ja puheen tunnistamiseen. Tähän myös pyritään antennitekniikan kehittämisellä. RACE-projekti mm. osittain näihin päämääriin pyrkiessä onkin tekemassä aktiivisesti tutkimustyötä UMTS toteuttamiseksi.
Lähdeluettelo
[1] ITU, "Memorandum of Understanding Between IEC, ISO and UN/ECE (MoU)", http://www.itu.ch/itudoc/un/aviedicore/wp4/sept94s/rdocs/r1092_24121.html
[2] Supercall Cellural Ltd, "GSM Worl covarage information", http://www.supercall.co.za/gsm/coverage/index.html
[3] Lloyd Wood,"Integration of UMTS and B-ISDN - it is possible or desirable? ",http://www.ee.surrey.ac.uk/Personal/L.Wood/UMTS
[4] Michel Mouly, Marie-Bernadette Pautet, "The GSM system for mobile communications"
[5] WesTrade International Telecom, "product-info", http://www.euronet.nl/users/westrade/products.html
[6] Supercall Cellural Ltd, "Information on various phones", http://www.supercall.co.za/product/index.html
[7] AU-Sysytem, "aviSIM", http://www.ausys.se/gsm/avisim.html
[8] Vesa Volotinen, "Tietoliikenne: verkot ja päätelaitteet", WSOY, 1993, s. 261-280
[9] David T. Margrave, "Computer simulation of the radio channel aspects of the GSM system", http://www.utw.com/~dmargrav
[10] Joerg-Martin Mueller, "A codec candidate for the GSM half rate speech channel", http://www.io.org/~causal/c_p/ic94/ic94autm.htm#muellerjoergmartin
[11] Italtel, "GSM", http://www.italtel.it/vcbuctbpm/buct-bpm/gsm/
[12] D. Margrav., "GSM security and encryption", http://www.utw.com/~dmargrav/paper/gsm.html
[13] John Scourias, "Overview of the global system for mobile communications", University of Waterloo, http://ccnga,uwaterloo.ca/~jscouria/GSM/gsmreport.html
[14] Risto Hameen-Anttila, Pertti Holtta, Seppo Niinioja, "Tietoliikennejarjestelmat", painatuskeskus oy, 1993, s. 212-220
Huom! Lisää materiaalia aiheesta löytyy kirjoittamalla sopiva hakusana jossakin hakukoneessa esim. Alta Vista:ssa GSM HLR.
