Mobil Informatikai RendszerekModern informatikai rendszerek közös
tulajdonsága. Távközlési alapfogalmak.
2016. szeptember 19.
Sicz-Mesziár Jánoss icz -mesz ia r. janos@nik .un i -obuda.hu
Távközlési alapfogalmak
Vivőfrekvencia (f)
Egységnyi idő alatt hányszor
ismétlődik (gyakoriság)
GSM rendszerben
900MHz környéke, újabban 1800 és 1900MHz is.
Két 25 MHz-es sávszélességű sáv.
Duplex távolság alatt az adott Uplink vivő és a
hozzátartozó Downlink vivő közötti különbséget értjük.
Csatornaszám:
9/19/2016Sicz-Mesziár János 2
Sávszélesség Vivőfrekv. száma Csatorna sávszélesség Duplex távolság
900MHz 25MHz 124 25MHz / 124 ~= 200KHz 45MHz
1800MHz 75MHz 374 75MHz / 374 ~= 200KHz 95MHz
Távközlési alapfogalmak (2)
Magyarországi GSM frekvencia feloszlás
R-GSM, E-GSM (GSM 900)
DCS 1800 (GSM 1800) – Digital Cellular System
Forrás: https://hu.wikipedia.org/wiki/GSM
9/19/2016Sicz-Mesziár János 3
Távközlési alapfogalmak (3)
Hullámhossz (λ)
az a távolság, amekkora távolságonként a hullám
ismétlődik.
f = 1/T T = 1/f
λ = C*T = C*1/f λ = C/f
A fentiekből adódik, hogy a GSM rendszerben
900MHz-en:
300 000 000 / 900 000 000 = ~0,33m = 33cm
1800MHz-en:
300 000 000 / 1 800 000 000 = ~0,17m = 17cm
9/19/2016Sicz-Mesziár János 4
λ = hullámhossz,
C = fénysebesség (vákuum: ~300 000km/s)
T = idő
Távközlési alapfogalmak (3)
Felületi hullámok
Talaj menti
Talajról visszavert
30 MHz felett néha a rádióhullám a
troposzféra csapdájába kerül fel-le
pattogva benne, majd valahol a
távolban visszaverődik a földre.
Térhullámok
Az ionoszférába érkező
elektromágneses hullámok terjedési
iránya megtörik és - ha a feltételek
ehhez megfelelőek – a hullámok a
Föld felé visszaverődnek.
9/19/2016Sicz-Mesziár János 5
Hullámterjedés
Távközlési alapfogalmak (4)
Jel-zaj viszony
A jel (információ) és a háttér zaj teljesítményének
hányadosa.
A jel-zaj meghatározásánál a logaritmikus decibelskálát
használják. Decibelekben mérve, a jel-zaj viszony az
amplitúdók hányadosának 10-es alapú logaritmusának
20-szorosa vagy a teljesítményarány logaritmusának 10-
szerese.
ahol:
P = átlagos teljesítmény
A = amplitúdók négyzetes átlaga.
9/19/2016Sicz-Mesziár János 6
Távközlési alapfogalmak (5)
Moduláció
biztosítják, hogy egy tipikusan szinuszos jel - a vivő -
képes legyen információ hordozására
Amely végrehajtja a modulációt: modulátor;
Ami a visszaállítja (inverz műveletet): demodulátor.
Digitális modulációs technikák
A szinuszos jel három fő paraméterét módosítják.
AM: Az amplitúdómoduláció során a hasznos
jel a vivőfrekvencia amplitúdóját változtatja.
FM: A frekvenciamoduláció során a hasznos jel
a vivőfrekvencia frekvenciáját változtatja.
PM: fázis moduláció - a moduláció során a vivő jel fázisát
változtatja az átvinni kívánt bitek függvényében, gyakorlatilag
késlelteti, vagy sietteti azt.
9/19/2016Sicz-Mesziár János 7
GSM rendszer
GSM rendszer
Global System for Mobile Communications, eredetileg Groupe SpécialMobile
Európai Távközlési Szabványok Intézete (ETSI) által kifejlesztett szabvány
1982 GSM munkacsoport létrehozása
1988 GSM rendszer specifikációja (6000 oldal)
1991 Első hivatalos beszélgetés (Júl.1)
GSM rendszer célkitűzése
Pán Európai rendszer
Jó beszédminőség
A rádiófrekvencia hatékony kihasználása
Jó megbízhatóság (előfizetőnek és a továbbított információnak)
ISDN kompatibilitás
Kompatibilitás más adatkommunikációs rendszerekkel
Nyílt rendszer
9/19/2016Sicz-Mesziár János 8
GSM rendszer
Cellamintázatok
A 124 darab csatorna nem elegendő
még ha időbeli multiplexelést használunk sem
(8-an használnak egy csatornát egy időben)
Ötlet: az egymással szomszédos cellákban ne legyen
frekvenciaütközés, de az egymástól távoliakban lehessen
használni ugyanazt a frekvenciát.
A cellák kialakításánál a következő kiinduló
szempontokat kell figyelembe venni:
a mobil készülékek földrajzi eloszlását
az előfizetők közlekedési szokásait,
az átvitel minőségét,
a szolgáltatás földrajzi kiterjedését
a domborzati viszonyokat
9/19/2016Sicz-Mesziár János 9
GSM rendszer
A cellás hálózatban kétféle antennát használnak
körsugárzó – egyenletesen sugároz 360°-os szögben,
szektorsugárzó - amely általában 120°-os szektort lát el.
A cellák csoportosítása nagyságuk szerint
Nagy cellák: nagy kiterjedésű, kis forgalmú vidéki
területeken (~10-30km sugarú)
Közepes méretű cellák: (általában nagyvárosban),
szektorsugárzóval antennákkal (~1-5km)
Kis cellák: városokban és nagy forgalomigényű
területeken. (~300-1000 méter s.)
Mikro cellák: vasúti pályaudvarok, repterek,
üzletközpontok (kisebb mint 300 méter sugarú)
9/19/2016Sicz-Mesziár János 10
GSM rendszerInformáció átvitel a GSM rendszerben
FDMA (Frequency Division Multiple Access)
Frekvenciaosztásos többszörös csatorna-hozzáférésMinden csatornának egy-egy külön frekvencia van kijelölve. Hátránya, egyszerre csak egy előfizető használhat adott frekvenciát.
TDMA (Time Division Multiple Access)
Időosztásos többszörös csatorna-hozzáférésEgyetlen frekvenciát 8 előfizető használ időosztásban. Keret idő: 4.615ms Slot idő: 4.615ms / 8 ~= 0.577ms
SDMA (Space Division Multiple Access)
Térosztásos többszörös csatorna-hozzáférésGyakorlatilag maga a cellás rendszer.
9/19/2016Sicz-Mesziár János 11
GSM rendszer
9/19/2016Sicz-Mesziár János 12
CDMA (Code Division Multiple Access)
Kódosztásos többszörös csatorna-hozzáférésÁtvinni kívánt digitális adatot egy pszeudorandom jelsorozattal modulálják (XOR), így a másik oldalon csak az a vevő veszi, aki ismeri az adó pszeudó kódját.
„Koktélparti” – „Zajos helyen több társaság beszélget és megértik egymást”
Kódolás menete:
1. Asignal = Adata XOR Akey
2. Bsignal = Bdata XOR Bkey
3. Composite = Asignal + Bsignal
Dekódolás menete:
1. Composite AND Akey (local)
2. Kimenet integrálása
3. Komparálás(összehasonlítás)
GSM rendszerTDMA keretek
9/19/2016Sicz-Mesziár János 13
GSM rendszerGSM kapcsoló rendszer
9/19/2016Sicz-Mesziár János 14
GSM rendszer
GSM kapcsoló rendszer – BSS részei
BTS:
megfelelő rádiós kapcsolat megteremtése a rendszer és az MS
között. A BTS besugárzási területét hívjuk cellának, ami a
mobilhálózat alapsejtje.
BSC:
a BTS egy csoportját a bázisállomás-vezérlők irányítják.
Digitális kapcsolóközpontok mobilmenedzsment funkciókkal.
Megteremti a kapcsolatot a BTS és az MSC között.
Csatornakiosztás.
Csatornaváltás: beszélgetés közben a mért értékektől függően
dönt a handover-ről - átadásról.
9/19/2016Sicz-Mesziár János 15
GSM rendszerGSM kapcsoló rendszer – BSS részei
MSC:
hívás felépítése, hívásvezérlés, kapcsolási funkciók ellátása, számlázás,
előfizetői adatok, szolgáltatások kezelése, közvetítő vezetékes szolg. között
HLR:
információkkal látja el az MSC-t a szolgáltató összes előfizetőjéről, IMSI alapján
nyilvántartott előfizetők, helyadatok, utoljára kapcsolt bázisállomás helye,
bejövő hívásnál innen kérik le az előfizetői adatokat, utolsó bázisállomás
VLR:
távoli MSC-ből érkező felhasználók adatai vannak itt, helyben is használhatja
telefonját, folyamatos adatcsere a távoli HLR és helyi VLR között, ehhez
roaming szerződés kell, ha idegen előfizető kilép törlődik az IMSI-je a VLR-ből
AUC:
Hitelesítési központ, hálózat előfizetőihez hozzárendeli a hitelesítési és
titkosítási adatokat, hálózat oldalról végzi a biztonsági funkciókat
EIR:
hálózatban használt mobilkészülékek IMEI száma (gyártó típuskód, gyártó,
gyártási szám), 3 féle lista: Fehér: korlátozás nélküli, Szürke: átmenetileg
korlátozott, Fekete: kitiltott, pl.: lopott9/19/2016Sicz-Mesziár János 16
GSM rendszer
GSM authentikáció
Érvényesíti az IMSI-t,
megvédi a hálózatot
jogosulatlan használattal
szemben.
Adott egy Ki kulcs, ami az előfizető felvételekor bekerül az
AUC-ba, és ott van a SIM-en is.
Az AUC generál egy véletlen számot (RAND) és a Ki kulccsal
együtt az A3 algoritmusson keresztül kap egy SRES (Signed
Response) értéket.
A RAND érték kiküldésre kerül az MS számára.
Az MS a helyi SIM-en tárolt Ki-t és a kapott RAND-ot
felhasználva ugyanúgy az A3 algoritmussal előállítja ő maga is
az SRES-t.
Az MS visszaküldi a kapott SRES értéket az MSC/VLR-hez.
Az MSC összehasonlítja a két SRES értéket. Ha egyezik akkor
megfelelt az authentikációnak.9/19/2016Sicz-Mesziár János 17
GSM rendszerGSM titkosítás (ciphering)
A rádiós csatornán a BTS és MS közötti kommunikáció csak az arra jogosult két fél számára álljon rendelkezésre.
MSC/VLR leküld egy üzenetet a BTS-nek és az MS-nek a titkosítási eljárás elindításához.
Authentikációnál használt RAND és a Ki felhasználásával az A8 algoritmuson keresztül előáll egy Kc titkosítási kulcs. Ezt a BTS megkapja. (Eredetileg a Kc a VLR-ben korábban tárolásra kerül)
Az MS szintén előállítja Ki és RAND ismeretében A8 algoritmussal a Kc-t, aminek egyeznie kell a BTS-ben lévővel.
MS oldalon: Kc és a TDMA keret sorszám felhasználásával előállít egy 114bites titkos bitsorozatot. A kapott bitsorozat a burst114bit XOR kapuk bemenetére kerül.
BTS oldalon: Kc és TDMA keret sorszám ismeretében előáll a titkos bitsorozat. Visszafejtéskor a kapott titkos adatok kerülnek a XOR kapukra.
9/19/2016Sicz-Mesziár János 18