Hálózatok alapjai és üzemeltetése

© Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék 1

Budapest,

2019.04.09.

Hálózatok alapjai és üzemeltetése

Mobil rendszerek

14. előadás

Gódor Győző

BME Hálózati Rendszerek és Szolgáltatások Tanszék

[email protected]


TARTALOM

• Cellás rendszerek

• 2G – GSM

• 2,5G – GPRS


Cellás rendszerek


A CELLÁS HÁLÓZATOK ÁLTALÁNOS

FELÉPÍTÉSE

• elemek: – mobil terminál (MS)

– bázisállomás (BS): mobil terminálok ezzel kommunikálnak közvetlenül

– cella: a BS egy adó-vevője által lefedett terület

– kapcsolóközpont, vagy csomagtovábbító központ, többféle is lehet, hierarchikusan

– átjárók: a mobil hálózat kapcsolódási pontja külső hálózatok felé

cellák

BS

kapcsolóközpontok

átjáró

PSTN

Internet


RÁDIÓHÁLÓZAT TÍPUSOK

• makrocella: – nagy terület lefedésére (1-35km)

– ritkán lakott területek, gyorsan mozgó felhasználók

– külvárosok, kisvárosok, falvak és nem lakott területek lefedése

– kétszintű hálózatok esetén a felső szint biztosítása

– nagy adóteljesítmények (1-20W), nagy G

• mikrocella: – kis területet lefedése (0,2-1 km)

– sok felhasználó, lassabb mobilok (városok, külvárosok városközpontja)

– a bázisállomás antennája épületek tetőszintje alatt

– kis teljesítmény (0,01-5 W), nagy kapacitás

• pikocella: – főként beltéri lefedésre, illetve nagyon nagy forgalmú területek

lefedésére (nagy kapacitás)

– kis teljesítmény (<100 mW), antennák beltérben


CELLA TÍPUSOK I.

• hatszögletű cella:

– gyakorlatban nincs ilyen

– hatszögekkel lefedhető a sík

– jól közelíti az omni cellákat

– közelítő számításokhoz

– elméleti modellekhez

– jól szektorizálható, három szektor

– K faktor meghatározásához (frekvencia-

újrafelhasználás)

– városokban


CELLA TÍPUSOK II.

• omni cella:

– körsugárzó antenna

– elvileg kör alakú (a Hortobágyon lehet)

– gyakorlatban a terep miatt szabálytalan

– főleg rural területen


CELLA TÍPUSOK III.

• szektorantennák:

– egy bázisállomással több cella kialakítására

– létező cellák feldarabolására

– gyakorlatban a terep miatt szabálytalan

– 60, 90, 120 fok

– antennánként külön-külön kezelve

– különböző méretű szektorok


CELLA TÍPUSOK IV.

• hierarchikus cellák:

– nagy forgalmú területek lefedése több átlapolódó cellával

– a cellák természetesen más frekvenciákat használnak

– egy bázisállomás több cellát is „működtet”


CELLA TÍPUSOK V.

• hierarchikus cellák, esernyő cella:

– egy nagy cella több kisebbet is lefed

– különösen mikro-, pikocellás környezetben

– a gyorsan mozgó felhasználók kiszolgálására

– a gyakori handoverből eredő problémák kiküszöbölésére


BME RÁDIÓS LEFEDETTSÉGE

• Az BME területének

rádiócella lefedettsége és

a cellák elhelyezkedése


FREKVENCIA ÚJRAFELHASZNÁLÁS

• frekvencia újrafelhasználás: a teljes rendelkezésre álló frekvenciasávokból csak néhányat használnak egy cellában

• ugyanazokat a frekvenciákat ismét használják egy lehető legtávolabbi cellában

• sokkal több felhasználó kiszolgálható

f1, f2, f3

f1

f2

f3

f2 f2

f1

f1

f3

f1

f3

f3

f1

f2

f2max. n felhasználó

kb.

ugyanakkora

terület

max. több

mint 4*n

felhasználó

rendelkezésre

álló frekvenciák


MOBIL RENDSZEREK I.

• A mobil hálózatok fejlődése – 1. generáció (analóg)

• NMT (Nordic Mobile Telephone) 450 MHz,

• Skandináviában először, 1981

• Magyarországon 1990-2005

– 2. generáció (digitális) • GSM, 900 MHz és 1800 MHz sávot

• Magyarországon 1994-től

• HSCSD , GPRS, EDGE

– 3. generáció • UMTS, 1900 MHz, 2000 MHz és 2100 MHz sávokban

• HSDPA/HSUPA

• WiMAX (802.16)

• Európában 2003-tól

• Magyarországon 2005-től

– 4. generáció • LTE – Long Term Evolution

• 2012. január 1-től


MOBIL RENDSZEREK II.

• 1989 decemberében megalakult Westel Rádiótelefon Kft

• A korabeli cikkek és hirdetések alapján

– havi előfizetési díj 6300 Ft

– készülék

• legolcsóbb készüléket 69 950 Ft

• legdrágább mobil 114 950 Ft

• (nettó átlagkereset 1990-ben 10 108 Ft)


MOBIL RENDSZEREK III.


MOBILITÁS KEZELÉS

• A mobil eszköz csak az idő egy részében kapcsolódik a hálózathoz

• Mobil hálózatokban, ahol felhasználók milliói vannak, komoly gond lehet a felhasználók követése – skálázhatósági problémák

• A mobilitás kezelése alapvetően két feladat: – helyzet-nyilvántartás (Location Management)

– hívásátadás-kezelés (Handover Management)


HELYZET-NYILVÁNTARTÁS

• Két feladata van:

– Helyzet-frissítés (Location Update): mobil terminálok követése

– Paging: mobil terminálok megkeresése • A mobil terminál megtalálása egy broadcast (üzenetszórás) üzenet

kiküldésével lehetséges

• Szinte alig, vagy egyáltalán nem terheli a hálózatot jelzés üzenetekkel, amikor nincs adatforgalom

• Viszont nagyméretű – broadcast – keresést igényel az adatátvitel kezdetekor

• Fontos tervezési feladat a kettő közötti kompromisszum megtalálása


HÍVÁSÁTADÁS

• Két típus:

– cellán belüli handover:

• felhasználó nem hagyja el egy adott cella lefedettségi területét,

de megváltoztatja az eddig használt rádiós csatornát

• csökkentve a csatornák közötti interferenciát

• 2. rétegben kezelik (a hálózat szempontjából ugyanott marad,

csak máshogy csatlakoztatjuk)

– cellák közötti handover:

• mobil terminál cellák között vándorol

• szükség van felsőbb réteg támogatására is


2G – GSM


GSM TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS I.

• 1982-ben a Conference of European Post and Telegraph (CEPT) alakított egy vizsgálati csoportot, Groupe Spécial Mobile (GSM)-t, fejlesszen ki egy pán-európai nyilvános földi mobil rendszert.

• 1986-ban Szakértői központot hoztak létre Párizsban

• 1987-ben aláírták a GSM-Memorandumot

• 1989-ben a GSM kötelező részeinek leírását átadták az European Telecommunication Standards Institute (ETSI)-nek, megalakul az ETSI TC-GSM, és a GSM specifikációjának 1. fázisát 1990-ben publikálták.

• 1991-ben a TC-GSM-t átnevezik TC-SMG-nek. A kereskedelmi szolgáltatás 1991 közepén indult és 1993-ra 36 GSM hálózat volt 22 országban, 25 további ország már fontolóra vette a GSM-et.

• 1992-ben Európa-szerte indul a GSM. 1993-ban indul az első DCS1800 rendszer.


GSM TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉS II.

• A GSM hamar átlépte az európai határokat. Dél-Afrika, Ausztrália, és a közép- és távol-keleti országok is a GSM-et választották.

• 1994 elejére 1,3 millió előfizetője volt világszerte. – Mára (2017) már 7,6 milliárd előfizetés/5,2 milliárd előfizető

világszerte, 220 országban (Ericsson Mobility Report 2017. 06.)

• Magyarországon is sikeres: több mint 10 millió előfizetés: – T-mobile: kb. 45 százalék

– Telenor: kb. 35 százalék

– Vodafone: kb. 20 százalék

• A magyar penetráció több mint 100%-os!


A GSM RENDSZER FELÉPÍTÉSE I.


A GSM RENDSZER FELÉPÍTÉSE II.


A GSM RENDSZER FELÉPÍTÉSE III.

• A GSM hálózat négy alrendszerből áll:

– a Mobil Állomás (MS),

– a Bázisállomás Alrendszer (BSS),

– a Hálózati és Kapcsoló Alrendszer (NSS) és

– az Üzemeltetési Alrendszer (OSS).

• A rendszer funkcionális egységeit interfészek

választják el.


A BÁZISÁLLOMÁS ALRENDSZER

BSS, BASE STATION SUBSYSTEM

• A bázisállomás alrendszer tartalmazza a cellás

hálózat kialakításához szükséges adó-vevő és

vezérlő berendezéseket.

• Három fő funkcionális elemet foglal magában:

– a Bázis Adóvevő Állomást (BTS),

– a Bázisállomás Vezérlőt (BSC) és

– a transzkódert (TC-k).


HÁLÓZAT ÉS KAPCSOLÓ ALRENDSZER

NSS, NETWORK AND SWITCHING SUBSYSTEM

• A Hálózat és Kapcsoló Alrendszer fő feladata,

hogy irányítsa a GSM felhasználók és az egyéb

távközlési hálózati rendszerek felhasználói közötti

kommunikációt.

• Két funkcionális része van:

– a kapcsoló rendszer, valamint

– az előfizetői és végberendezés adatbázisok.

• A kapcsoló rendszer

– a Mobil Szolgálati Kapcsolóközpontból (MSC), és

– egyéb szolgálati központokból, mint pl. a Rövid Üzenet

Szolgálati Központ (SMSC) áll.


HÁLÓZAT ÉS KAPCSOLÓ ALRENDSZER

• Az előfizetői és végberendezés adatbázisok

tartalmazzák

– a Látogató Előfizetői Helyregisztert (VLR),

– a Honos Előfizetői Helyregisztert (HLR),

– az Előfizetői Azonosító Központot (AUC) és

– a Berendezés Azonosító Regisztert (EIR).

• Az Hálózat és Kapcsoló Alrendszer további

funkcionális egysége a Hangposta Rendszer

(VMS) is.


GSM AZONOSÍTÓ SZÁMOK

• MSISDN (Mobile Station ISDN Number)

• IMSI (International Mobile Subscriber Identity)

• TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)

• IMEI (International Mobile station Equipment

Identity)

• LAI (Location Area Identity)

• MSRN (Mobile Station Roaming Number)


GSM SZOLGÁLTATÁSOK I.

• Beszéd – kodek sebessége 13 kb/s

– gyenge hangminőség, cserébe jobb frekvenciakihasználtság

• SMS (Short Message Service) – rövid szöveges üzenet szolgáltatás

– max. 160 karakter

• Adatátvitel – vonalkapcsolt

– alapesetben 9,6 kb/s, később 14,4 kb/s

• A GSM hálózatot beszéd átvitelre tervezték – a rádiós hozzáférési hálózat kódolását is ennek megfelelően alakítottak

ki.

– csomagkapcsolt adatátvitelhez ez nem optimális


GSM SZOLGÁLTATÁSOK II.

• MMS (Multimedia Messaging Service)

– multimédia üzenetküldő szolgáltatás

– multimédia üzenet: kép, írott szöveg és hang egyszerre

– 2002-től mai napig használatos

• WAP (Wireless Application Protocol)

– vezetéknélküli alkalmazás protokoll

– leegyszerűsített web-szerű alkalmazás


A GSM hálózat továbbfejlesztése


GSM EVOLÚCIÓ


HSCSD I.

High Speed Circuit-Switched Data (HSCSD), azaz

Nagy sebességű áramkörkapcsolt adat:

• Előnye, hogy hardver elemek cseréje nélkül

illeszthető a GSM hálózatba.

• Hátránya, hogy továbbra is vonalkapcsolt az

összeköttetés.


HSCSD II.

• A GSM vonalkapcsolt adatcsatornánként és időrésenként egy felhasználót tud kiszolgálni.

• A HSCSD egy felhasználó számára több (1-4) csatornához való egyidejű hozzáférést biztosít. – Ezáltal kompromisszum köthető a nagyobb sebesség és az

ehhez szükséges többszörös, párhuzamos hívás magas költsége között.

• A rendszer négy 14,4 kbit/s-os átviteli időrés összekapcsolásával 57,6 kbit/s mobil sávszélességet biztosít. – Ez gyakorlatilag megegyezik egy ISDN-B csatornával.

• A beszédhívások megelőzhetik a HSCSD-t, azaz a HSCSD hívásokat kevesebb csatornára redukálják, ha a beszéd számára nincs elegendő kapacitás.


2,5G – GPRS


GPRS ALAPOK I.

• A General Packet Radio Service (GPRS) teljesen

különböző a hagyományos (áramkörkapcsolt) adat

vagy beszéd átviteltől. → csomagkapcsolt

rendszer

• Az ilyen típusú forgalom kezeléséhez teljesen új

hálózati elemek szükségesek.

• GPRS csomagkapcsolt gerinchálózatot egyesíti a

hagyományos GSM hálózattal (beszéd-adat

konvergencia):

– hangtovábbítás GSM felett,

– adattovábbítás GPRS felett.


GPRS ALAPOK II.

• Csomag alapú szolgáltatás – Felhasznált adatmennyiség alapú számlázás

– Best-effort szolgáltatás

• Adatsebesség: 56-114 kbps – IP alapú adat infrastruktúra

– A mobil készülékek IP címmel fognak rendelkezni

• Előnye, hogy a GPRS készülék folyamatos online üzemmódban működik, mégis csak a tényleges adatátvitelért kell fizetnie a felhasználónak.

• Hátránya, hogy teljesen új felhasználói készülékek szükségesek, illetve a beszéd és adat hívások külön csatornákat igényelnek.


GPRS HÁLÓZATI ELEMEK I.


GPRS HÁLÓZATI ELEMEK II.

• Új elemek a maghálózatban:

– Serving GPRS Support Node (SGSN)

– Gateway GPRS Support Node (GGSN)

• Új elem a BSS-ben:

– Packet Control Unit (PCU)


PACKET CONTROL UNIT

• Tipikusan a BSC-be helyezik el

• Interfész a GPRS maghálózat és a GSM BSS

között

• PCU keretekké formálja az adatot

• Rádiós erőforrás menedzsment a csomagkapcsolt

szolgáltatásokhoz

– Időrések kiosztása, bejelentkezés kezelése

• A CS és a PS hálózati forgalom szétválasztása

• Hozzáférés vezérlés


SERVING GPRS SUPPORT NODE I.

• A csomagkapcsolt kommunikáció „központja”.

• Kapcsolódás (attach)/Leválasztás (detach)

– Az MS-ek több BSC-hez való csatlakozásának

vezérlése.

• Mobilitás menedzsment

– A mobilok helyzetének követése.

• Cellaváltás

• Csomag továbbítás

– Más GGSN-ek és PCU-k között


SERVING GPRS SUPPORT NODE II.

• Titkosítás, adattömörítés (opcionális)

• Hitelesítés

• Számlázás

• Az SGSN-ben van egy helyregiszter:

– helyinformációk és

– felhasználói profilok tárolása.


GATEWAY GPRS SUPPORT NODE

• Átjáró, útválasztó és tűzfal funkciók kombinációja

– Belső hálózat elrejtése

• Átjáró a külső adathálózatok felé

• Csomagok továbbítása a megfelelő SGSN felé

(MS-t kiszolgáló)

• Számlázás

– a kifelé irányuló forgalommal kapcsolatos számlázás


A GSM ÉS A GPRS HÁLÓZAT

EGYÜTTMŰKÖDÉSE


GPRS PROTOKOLLOK

• Rétegzett architektúra – ISO OSI réteg

• Két protokoll sík – User Plane – Transmission Plane (Adat sík)

– Control Plane – Signalling Plane (Kontroll sík)

• User Plane – Adatforgalom továbbítása

– Kapcsolódó vezérlési üzenetek (pl. flow control, hibajavítás)

• Control Plane – Jelzésüzenetek továbbítása

– Felhasználói információk továbbításához szükséges vezérlés


GPRS CONTROL PLANE

• BSSAPC: Base Station System Application PartC;

• GMM: GPRS Mobility Management;

• MAP: Mobile Application Part;

• MTP: Message Transfer Part;

• SCCP: Signaling Connection Control Part;

• SM: Session Management;

• TCAP: Transaction Capabilities Application Part.

GMM/SM

MAC

PLLRFL

MAC

PLLRFL

NS (FR)

L1

NS (FR)

L1

RLC BSSGPIP

Um

MS BSS SGSN GGSN

RLC

LLC

BSSGP

LLC

GMM/SM GTP

UDP/TCP

L2

L1

IP

L2

L1

UDP/TCP

Gb Gn Gc

Relay

Relay

MTP3

MTP2

MTP1

SCCP

TCAPGTP

MAP

MTP3

MTP2

MTP1

SCCP

TCAP

MAP

HLR

Interworking

BSSAP+ BSSAP+

SCCP SCCP

MTP3 MTP3

MTP2 MTP2

MTP1 MTP1

Gs

SGSN MSC/VLR


GPRS USER PLANE

• PLL: Physical Link Layer

• RFL: Physical Radio Layer

• MAC: Medium Access Control

• RLC: Radio Link Control

• LLC: Logical Link Control

• BSSGP: BSS GPRS Protocol

• SNDCP: Sub-Network Dependent Convergence Protocol

• IP: Internet Protocol

• TCP: Transport Control Protocol

• UDP: User Datagram Protocol

• GTP: GPRS Tunnelling Protocol

IP/X.25

SNDCP

MAC

GSM RF

MAC

GSM RF

Network Service (FR)

L1bis

Network Service (FR)

L1bis

RLC BSSGPIP

Um

MS BSS SGSN GGSN

RLC

LLC

BSSGP

LLC

SNDCP GTP

UDP/TCP

L2

L1

IP

L2

L1

UDP/TCP

GTP

IP/X.25

Application

Gb Gn Gi

Relay

Relay


GPRS PROTOKOLL STACK

• A GPRS protokoll stack az MS-től a BSS-en és az

SGSN-en keresztül a GGSN-ig tart.

• A különböző PLMN-ekkel, valamint más

adathálózatokkal (Packet Data Network – PDN)

való összeköttetést a GGSN valósítja meg.

• Az SGSN és a GGSN közötti IP és UDP/TCP

protokollok jelentik a PLMN-ek közötti

gerinchálózati szállítási közeget, mely a GPRS

Tunneling Protocol (GTP)-t szállítja.


TUNNELING


GPRS TUNNELING PROTOCOL I.

• A felhasználói adatcsomagok „becsomagolva”, úgynevezett „konténerekben” kerültnek továbbításra a GPRS maghálózat felett.

• Ha egy külső adathálózat felől csomag érkezik a GGSN-hez, az beteszi egy konténerbe és így továbbítja az SGSN felé.

• A GPRS maghálózaton közlekedő konténerek folyama a felhasználó számára teljesen transzparens. – A felhasználó számára úgy tűnik, mintha közvetlen

kapcsolatban állna a külső hálózattal egy routeren keresztül.

• Adathálózatok esetén az ilyen típusú adatátvitelt tunnelezésnek (alagutazásnak) hívják.

• A GSN-ek hajtják végre a felhasználói adatcsomagok alagutazását.


GPRS TUNNELING PROTOCOL II.


ENHANCED DATA RATES FOR GSM

EVOLUTION (EDGE)

• Az EDGE egy nagysebességű mobil adathálózati

szabvány.

• 8 időrés használata esetén 480 kbps érhető el.

– Ez 60 kbps-t jelent időrésenként.

– UMTS közeli sebességek

– UMTS-hez hasonló moduláció

• Az EDGE evolúciós lépcsővé vált a GPRS és az

UMTS.


EDGE JELLEMZŐK

• A HSCSD és a GPRS is a GMSK modulációt használja, ami időrésenként csak kis átviteli sebességet biztosít.

• Az EDGE-ben használt 8-PSK automatikusan alkalmazkodik a rádiós környezethez, a bázisállomáshoz közelebb, jó terjedési viszonyok mellett nagyobb sebesség érhető el.

• Ez a moduláció váltás a csomagkapcsolás mellett az egyik legfontosabb változás, ami előkészítette az UMTS bevezetését.

• Az EDGE implementálása

egyszerűnek tűnik, mivel a

meglévő GSM spektrum, cellák,

és vivők, valamint cellatervezési

eljárások alkalmazhatók.

– Csupán az EDGE adóvevőket

kell a cellákba telepíteni.


Documents

Hálózatok alapjai és üzemeltetése