2. gsm global system for mobile communications · im gsm-standard sind 64 frequency hopping muster...

Abteilung Informatik

aF&E

Einführung in die Mobilkommunikation GSM: Global System for Mobile Communications

Prof. Dr.-Ing. Andreas Rinkel / Sandra Frei [email protected]

Tel: +41 79 33 20562

[email protected]

Institut für Internet-Technologien und -Anwendungen

GSM: Global System for Mobile Communications Prof. Dr.-Ing. A. Rinkel / Sandra Frei

2

Gliederung

2.  GSM: Global System for Mobile Communications Ø  Historische Entwicklung Ø  Ausblick anhand von Fragen Ø  Multiplextechniken Ø  Übertragungsprobleme Ø  Kanalstruktur Ø  Identifikationsnummern Ø  Abläufe Ø  Datenübertragung und Sprachübertragung im GSM



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Historische Entwicklung: Das A und B Netz

A-Netz (1958 - 1976) Ø Handvermittlung Ø  sehr teure Endgeräte Ø Kapazitätsgrenzen (Rufnummerngrenzen) Ø Höchstteilnehmerzahl 11 000 (1971)

B / B2-Netz (1972 - 1994) Ø  Selbstwahl ab 1977 Übernahme von A-Frequenzen durch Ø B2-Netz Ø  keine einheitliche Vorwahl (genauer Standort musste bekannt sein) Ø Höchstteilnehmerzahl 27 000 (1986)



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Historische Entwicklung: Das C Netz

C-Netz (1985 - ) •  Analoges Mobilfunknetz •  Selbstwahl mit Handover ("automatischer" Wechsel innerhalb der Zellen) •  Einheitliche Vorwahl 0161 •  Dienste

Ø  Mobilbox Ø  Rufumleitung Ø  Servicedienste Ø  Zählimpuls für Endgerät Ø  Daten/Faxübertragung Ø  Höchstteilnehmerzahl ca. 800 000 Ø  Challenge/Response Authent., Sprach”verschleierung”



5

Historische Entwicklung: Das D-Netz I

•  1982 wurde auf der Conference of European Posts and Telegraphs (CEPT) eine “study group” Groupe Spécial Mobile (GSM) ins Leben gerufen, um an einem neuen Mobilfunknetz zu arbeiten. Ziele: Ø  Subjektiv gute Sprachqualität Ø Hohe Sicherheit Ø  Preisgünstige Endgeräte, niedrige Betriebskosten Ø  International Roaming Ø Unterstützung von Handgeräten Ø Unterstützung neuartiger Dienste (z.B. SMS, WAP, GPRS) Ø  ISDN-Kompatibiliät (betrifft die Signalisierung und das Nummerierungsschema) Ø  1989wurde die Verantwortung für GSM an das European Telecommunication

Standards Institute (ETSI) übertragen, Phase I der GSM Spezifikationen wurde 1990 publiziert.



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Historische Entwicklung: Das D-Netz II

•  1990 Abschluss der Standardisierung für GSM Phase I •  1992 Kommerzieller Start des ersten GSM- Netzes (T-D1)

Ø  International Roaming zwischen UK und Finnland Ø Aufbau eines GSM- Netzes in Australien

•  1993 Neudefinition für GSM: Ø Global System for Mobile Communications Ø GSM 900, 1800 und 1900 (U.S.A)

•  1995 Weltweit 120 GSM- Netze mit Ø  12 Millionen Teilnehmern in mehr als Ø  90 Ländern. Insgesamt150 Provider

•  1998 Über 200 GSM- Netzbetreiber in über 110 Ländern Ø  International Roaming stellt weltweite Erreichbarkeit sicher



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Netzstruktur und Aufbau: Ausblick anhand von Fragen

•  Multiplextechniken: Ø  Raummultiplex -> Netzstruktur und

-Aufbau Ø  Frequenzmultiplex -> Frequenzplan Ø  Zeitmultiplex -> Rahmenstruktur und

Kanalplanung

•  Übertragungsprobleme Ø  Bitfehlerrate -> Kanalcodierung Ø  Rayleigh Fading -> Frequency Hopping Ø  Time Dispersion –> Adaptive Equalization Ø  Rahmensynchronisation -> Timing Advance

Welche Multiplextechniken werden beim GSM-Netz verwendet und wie werden die Übertragungsprobleme gelöst?



8

Netzstruktur und Aufbau: Ausblick anhand von Fragen

•  Architektur Ø  Kanalstruktur Ø  Protokollstack

•  Verhalten Ø  Anmelden, Abmelden Ø  Sicherheitsprotokolle Ø  Verbindungsauf- und abbbau Ø  Verbindungssteuerung

Welche logische Kanalstruktur besitzt das GSM-Netz und wie werden die Abläufe gesteuert?



LA 3

LA 2

LA 1

LA 4

9

Netzstruktur und Aufbau: Raummultiplex durch Zellen

: BTS, Base Tranceiver Station

BSC Base Station Controller




PSTN, PDN, ISDN

EIR

VLR

VLR

HLR

AC

BSS: Base Station Subsystem SSS: Switching SubSystem

VLR: Visitor Location Register HLR: Home Location Register AC: Authentification Centre EIR: Equipment Identity Register

GMSC Gateway Mobile Switching Centre

MSC Mobile

Switching Centre

SMS SMS Center

LA: Location Area

TCE TransCoding Equipment

TCE TransCoding Equipment

OMC Operation and Maintanance

Center



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Multiplextechniken: Zelltypen I

•  Wiederverwendung der Frequenzen •  Unterschiedliche Zelltypen

Ø  Macro Cell Ø  Micro Cell Ø  Pico Cell Ø  Femtozellen Ø  Sectorized Cell Ø  Umbrella Cell Ø  Extended Cell

•  Einsatz der Zelltypen verkehrsabhängig, siehe auch Verlustsysteme, Grade of Service (GOS)

•  für die Planung wird pro Zelle ein Verkehr von 25 – 35 mErlang und ein GOS von 2% veranschlagt



11

•  Macro -Zelle Ø  Reichweite 2 km bis 35 km, Ø  Schnelle Abdeckung grosser Gebiete Ø  Geringes Verkehrsaufkommen Ø  Verwendung als „Schirm“ über Micro-

Zellen

35 km

•  Micro-Zelle Ø  Reichweite 100 m bis 2 km, Ø  Hohes Verkehrsaufkommen

2 km

Multiplextechniken: Zelltypen II Pico-, Micro-, Macro-Zellen

100 m

•  Pico-Zelle Ø  Maximale Reichweite 100 m, Ø  Inhouse sowie Gebäude- und

Grundstücksversorgung



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Multiplextechniken: Zelltypen III Sektorisierte Zelle

•  Ein Aufbauort (site) zur Realisierung der Sektorzellen

•  Hier werden mehrere BTS zusammengestellt •  Dienen zur Abdeckung von Gebieten mit

hohem erwartetem Verkehrsaufkommen



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Multiplextechniken: Zelltypen III Hierarchische Zellen

Layer 1 Cells

Layer 3 Cells

Layer 2 Cells



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•  Zur Frequenzplanung werden Gruppen von Frequenzen (A1, A2 ..) zu so genannten Clustern zusammengefasst.

•  Aus Interferenzgründen ist der Abstand zwischen wiederbenutzten Frequenzen so gross wie möglich zu halten. Durch Clustering wird dies einfach realisiert.

•  Das für GSM empfohlene Re-Use-Pattern ist das 3/9 oder 4/12 Pattern (4/12 Pattern: 4 Sites mit 3-Sektorenzelle).

Multiplextechniken: Frequenzplan I Frequency Re-Use

B1 B2

B3

D1 D2

D3 C1 C2

C3 A1 A2

A3

B1 B2

B3

D1 D2

D3 C1 C2

C3 A1 A2

A3

B1 B2

B3

D1 D2

D3 C1 C2

C3 A1 A2

A3

B1 B2

B3

D1 D2

D3 C1 C2

C3 A1 A2

A3

B1 B2

B3

D1 D2

D3 C1 C2

C3 A1 A2

A3

Das 4/12 cell pattern 24 23 22 21 20 19

18 17 16 15 14 13 12 11 10

9 8 7 6 5 4 3 2 1

Channels

C3 B3 A3 C2 B2 A2 C1 B1 A1 Frequenz-gruppe

Beispiel, wie ein Betreiber 24 Frequenzen auf ein 3/9 Pattern (3 Sites mit 3-Sektorenzelle) verteilen kann:



15

Multiplextechniken: Frequenzplan II Frequenzkonzept

System P-GSM 900 E-GSM 900 GSM 1800 GSM 1900

Frequenzen •  Uplink (MHZ)

890 - 915 880-915 1710-1785 1850-1910

•  Downlink 935-960 925-960 1805-1880 1930-1990

Wellenlänge ~ 33 cm ~ 33 cm ~ 17 cm ~ 16 cm

Bandbreite 25 MHz 35 MHz 75 MHz 60 MHz

Trägerabstand 200 kHz 200 kHz 200 kHz 200 kHz

Duplex-Abstand 45 MHz 45 MHz 95 MHz 80 MHz

Radio Kanäle1 125 175 375 300

Übertragungsrate 270 kbit/s 270 kbit/s 270 kbit/s 270 kbit/s

1)  da bei GSM ein Kanal als Guard verwendet wird, steht für Traffic jeweils ein Kanal weniger zur Verfügung! Für ein Gespräch sind jeweils 2 Frequenzen nötig. 1 Frequenz für den Uplink und 1 Frequenz für den Downlink. Diese

Kombination wird als Frequenzpaar bezeichnet.



16

Physikalischer Kanal 156.25 bit pro Slot, davon 8.25 bit Gap

Multiplextechniken: Zeitmultiplex Rahmenstruktur

890 MHz Uplink

915 MHz

0 1 2 3 4 5 6 7

TDMA Frame

Timeslot

4.615 ms

~ 0.577 ms

t

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7

124 Trägerfrequenzen, Abstand = 200kHz, 1 Trägerfrequenz wird als Guard-Abstand verwendet

Wiederholung über der Zeit



17

Multiplextechniken



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Übertragungsprobleme I Bitfehlerrate → Kanalcodierung

•  Auftretende Fehler sind meist Bündelfehler, d.h. ein ganzer Burst ist gestört •  Es ist nicht möglich Codes mit mehr Kontrollstellen einzuführen, um so mehr

Fehlerstellen zu korrigieren

C  Interleaving

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 Nachrichtenblock 1 2 3 4

1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 Nachrichtenblöcke nach Interleaving

1 2 3 4 Code mit Hammingdistanz 3 kann den Bitfehler erkennen und beheben. Durch Interleaving wird auch der Bündelfehler erkannt und behoben!

1 X 3 4 1 X 3 4 1 X 3 4 1 X 3 4 Empfangener Nachrichtenblock

1 2 3 4



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Übertragungsprobleme II Rayleigh Fading: Frequency Hopping Bandspreizung

•  Rayleigh Fading ist frequenzabhängig. •  Um eine bessere Übertragungsqualität zu erreichen, ist eine Bandspreizung sinnvoll. •  Durch Frequency Hopping wird eine Bandspreizung erreicht!

TDMA-Frame

Zeit

Freq

uenz

f1

f2

f3

f4

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1

Physikalischer Kanal

Im GSM-Standard sind 64 Frequency Hopping Muster definiert



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Übertragungsprobleme III Time Dispersion → Adaptive Equalization

Bekanntes Bitmuster Daten Daten

Empfangener Burst

Bekanntes Bitmuster ? ?

Correlator

Kanal- Modell

Erzeugt ein

diff Wähle die „?“ so, dass die Differenz minimal wird!

VITERBI- Algorithmus

Bekanntes Bitmuster oder training sequence Annahme: Fehlermuster der training sequence wiederholen sich in den Daten



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Übertragungsprobleme IV Rahmensynchronisation → Timing Advance

•  Timing Advance ist ein Lösungsansatz der speziell die Rahmensynchronisation vornimmt

•  Hierzu wird ein Protokoll definiert Ø Messen der Laufzeit zwischen MS und BTS Ø Senden einer Korrekturzeit von der BSC via BTS an die MS, die die MS

früher oder später senden muss

•  Für die Anmeldeprozedur muss ein verkürzter Burst zur Verfügung gestellt werden



22

Kanalstruktur IV: Access Burst

.

1 2 0 4 5 3 7 6

1 TDMA frame 8 time slots ~ 4.615 ms

Gp 8.25

TB 3

Encrypted bits 57

flag 1

Trainingssequence 26

TB 3

Encrypted bits 57

flag 1

Normal Burst

Gp 68.25

TB 8

Synchronisationsequence 41

Encrypted bits 36

TB 3

Access Burst = verkürzter Burst

(1 bit ~ 3,69 µs)

TB: Tail bits GP: Guard period

Stealing Stealing



23

Zusammenfassung des GSM Übertragungsprozesses

Receiver Demodulator

Adaptive Equalisation

De-interleaving De-ciphering

Channel decoding

Speech decoding

Transmitter Modulator

speaker

Microphone

D/A conversion

GSM- Netz

A/D conversion

13 bits 8 kHz

Speech coding Segmentation

13 kbit/s

Channel coding 22,8 kbit/s

Interleaving

Burstformatting Ciphering

33,8 kbit/s Transmitter Modulator

Channel coding

D/D conversation

Receiver Demodulator

Adaptive Equalisation

De-interleaving De-ciphering

Channel decoding

Interleaving

Burstformatting Ciphering

13 kbit/s

64 kbit/s PCM

GSM- Mobile



24

Der GSM Protokoll-Stack

CM

MM

RR

MM

LAPDm

radio

LAPDm

radio

LAPD

PCM

RR’ BTSM

CM

LAPD

PCM

RR’ BTSM

16/64 kbit/s

Um Abis A

SS7

PCM

SS7

PCM

64 kbit/s / 2.048 Mbit/s

MS BTS BSC MSC

BSSAP BSSAP



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Kanalstruktur I: Überblick

Für Verkehrsdaten und Signalisierungsdaten werden verschiedene logische Kanäle definiert.

Logical channels

Control Channels Traffic Channels

BCH CCCH DCCH

SCH FCCH BCCH PCH AGCH RACH SDCCH SACCH FACCH Half Rate Full Rate

Synchronosation Burst

Frequency Correction

Burst

Normal Burst

Access Burst

Jeder Burst ist 156,25 bit lang und wird auf einen Timslot abgebildet

Common Control Channels Broadcast Channels Dedicated Control Channels

Verkehrsdaten Signalisierungsdaten



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Kanalstruktur II: BCHs (Broadcast Channels)

Logischer Kanal Richtung BTS MS

Frequency Correction Channel FCCH

Downlink point to Multipoint

Überträgt die Trägerfrequenz Identifiziert den BCC-Träger und synchronisiert auf der Frequenz

Synchronisation Channel SCH


Enthält Daten über die TDMA Rahmen-struktur in einer Zelle sowie die BTS - Id. (BSIC: Base Station Identity Code)

Sysnchronisiert mit der Rahmenstruktur

Broadcast Control Channel BCCH


Verteilt allgemeine Zellinformation, wie z.B. LAI (Location Area Identity), die BCCH Träger der Nachbarzellen, Max. Ausgangsleistung

Empfängt die LAI und leitet ggf. ein Location update ein. Stellt die Ausgangsleistung ein. Erstellt eine Liste der Nachbarzell-BCCHs für die Leistungsmessungen der BCCH-Träger



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Kanalstruktur III: CCCHs (Common Control Channels)

Logischer Kanal Richtung BTS MS

Paging Channel PCH

Downlink point to point

Signalisiert einen eingehenden Ruf oder eine SMS. Die Nachricht enthält die Identifikationsnummer des Mobilfunkkunden (IMSI: International Mobile Subscriber Id)

Die MS hört regelmässig auf den PCH und reagiert, wenn die eigene Mobile Subscriber Id addressiert wird

Random Access channel RACH

Uplink point to point

Empfängt die Anforderung einer MS einen Signalisierungskanal aufzubauen (SDCCH)

Eigenständiger Verbindungsaufbau oder Antwort auf Request über den PCH

Access Grant Channel AGCH

Downlink point to point

Weist der MS einen Signalisierungskanal (SDCCH) zu.

Empfängt eine Signalisierungskanalzu-weisung



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Kanalstruktur IV: DCCH (Dedicated Control Channels)

Logischer Kanal Richtung BTS MS Standalone Dedicated Control Channel SDCCH

Up- und Downlink point to point

Die BTS schaltet auf einen SDCCH. Die Verbindungsaufbau-Prozedur wird abgewickelt und ein TCH wird zugewiesen. SDCCH wird auch zur Übermittlung von SMS verwendet

Die MS schaltet auf einen SDCCH. Die Verbindungsaufbau-Prozedur wird abgewickelt und ein TCH wird zugewiesen (Träger und Slot).

Cell Broadcast Channel CBCH

Downlink point to multipoint

Dient zum versenden von Broadcast-Kurznachrichten

Empfang von Broadcast-Kurznachrichten

Slow Associated Control Channel SACCH


Erteil Befehle zur Regelung der Sendeleistung und zum timing advance

Sendet durchschnittsmessungen der eigenen BTS (Signalstärke und Qualität) und der Nachbar BTSen (Signalstärke)

Fast Associated Control Channel FACCH


Übermittelt Handover-Information Übermittelt Handover-response



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Kanalstruktur V: TCH (Traffic Channels)

TCH Nach Verbindungsaufbau,

wird der MS ein TCH zugwiesen

Fullrate: 13kbit/s, belegt einen physikalischen Kanal

Halfrate: 6,5 kbit/s, belegt einen haben physikalischen Kanal, d.h. zwei Halfrate-Känäle können sich einen physikalischen Kanal teilen. So kann die Kapazität der Zelle verdoppelt werden! Wird Heute kaum bis gar nicht mehr benutzt.



30

Kanalstruktur VI: Frames- und Burst-Struktur

. 2047 2046 2045 2044 3 2 1 0

1 Hyperframe = 2048 superframes = 2 715 648 TDMA frames ( 3h 28 min 53 s)

3 2 1 0 50 49 48 47

Superframe 1326 TDMAframes : 51 (26-frame) multiframes (6.12 s)

1 12 0 24 25 23 1 Multiframe = 26 TDMA frames (120ms)

1 2 0 49 50 48 1 Multiframe = 51 TDMA frames (235 ms)

1 2 0 4 5 3 7 6 1 TDMA frame 8 time slots ~ 4.615 ms

Superframe 1326 TDMAframes 26 (51-frame) multiframes

0 1 24 25

oder

frame 12 ist ein SACCH, frame 25 ist leer(idle) Traffic Signalisierung



31

Kanalstruktur VII: Frames- und Burst-Struktur

.

1 2 0 4 5 3 7 6

1 TDMA frame = 8 time slots ~ 4.615 ms

Gp 8.25

TB 3

Encrypted bits 57

flag 1


TB 3

Encrypted bits 57

flag 1

Normal Burst

Gp 8.25

TB 3

Fixed bits 142

TB 3

Freq. Correc Burst

Gp 8.25

TB 3

Encrypted bits 39


TB 3

Encrypted bits 39

Synch. Burst

Gp 68.25

TB 8


Encrypted bits 36

TB 3

Access Burst

Gp 8.25

TB 3

Mixed bits 58


TB 3

Mixed bits 58

Dummy Burst

(1 bit ~ 3,69 µs)

TB: Tail bits GP: Guard period

Stealing Stealing



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Kanalstruktur VIII: Mappingbeispiel des 51er Multiframe (Signalisierung)

R R R R R R R R 0 1 49 50

Uplink

B B S F 0 1

Downlink

B B C C C C F S C C C C C C C C F S C C C C C C C C C I

R: RACH F: FCCH S: SCH

50 49 TDMA Frames

TDMA Frames

B: BCCH C: AGCH/PCH I: Idle Frame



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Identifikationsnummern: MSISDN Mobile Station/Subscriber Integrated Services Digital Network

•  MSISDN (Mobile Station ISDN) Ø  Ordnet Mobiletelefone eindeutig

einer Nummer zu §  Telefonnummer

Ø  Die maximale Länge einer MSISDN beträgt 15 digits

Ø  Ist die einzige Nummer, die der Subscriber kennt (die anderen Id´s sollte er nicht kennen)

CC NDC SN

International Mobile Station ISDN Number

Country Code

National Destination Code

Subscriber Number



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Identifikationsnummern: IMSI und TMSI International/Temporal Mobile Subscriber Indentity

•  IMSI Ø  Ist die eindeutige Identifikation eines

Mobillfunk-Subscribers Ø  Alle, zu einem Benutzer gehörenden

Informationen, sind unter der IMSI zugreifbar. Ist quasi der Primary key vom HLR

Ø  Wird benutzt zur Signalisierung innerhalb des PLMN (Public Land Mobile Network)

Ø  Die IMSI ist gespeichert in der §  SIM Karte (SIM: Subscriber Identity Module) §  HLR §  Serving VLR

•  TMSI Ø  Ist eine temporäre IMSI, die der MS während

des Verbindungsaufbaus übergeben wird Ø  Soll die Subscriberidentität an der

Luftschnittstelle verschleiern Ø  Die TMSI

§  hat nur lokale Bedeutung (MSC/VLR Bereich) §  Nich grösser als 8 digits

Ø  Die TMSI ändert sich §  In bestimmten Intervallen §  Bei einem Ereignissen wie z.B. location update

MCC MNC MSIN

Maximum 15 digits

Mobile Country Code

Mobile Network Code

Mobile Station Identification Number

3 digits 2-3 digits

National MSI

IMSI



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Identifikationsnummern: Eine Auswahl der wichtigsten ortsgebundenen Identifikationsnummern I

•  MSRN: Mobile Station Roaming Number Ø  Ist eine temporäre Nummer (gleicher Aufbau

wie MSISDN), die während des Verbindungsaufbaus zu einem Subscriber in ein Netz vergeben wird. Die MSRN wird durch das VLR vergeben und ist ebenfalls im HLR abgespeichert.

•  LAI: Location Area Identity Ø  Jede LA ist eindeutig durch eine LAI

identifizierbar. Wird verwendet für: §  Paging §  Location Updateing

Ø  LAC Location Area Code ein 16 Bit-feld zur Identifizierung verschiedener Location Areas in einem PLMN

CC NDC SN

MSRN

CC: Country Code NDC: National Destination Code SN: Subscriber Number d.h. hier, die Adresse der serving MSC.

MCC MNC LAC

LAI

MCC: Mobile Country Code MNC: Mobile Network Code LAC: Location Area Code



36

Identifikationsnummern: Eine Auswahl der wichtigsten ortsgebundenen Identifikationsnummern II

•  CGI: Cell Global Identity Ø  Wird zur Identifizierung einer Zelle in einer

Location Area benutzt.

•  BSIC: Base Station Identity Code Ø  Dient den Mobilstationen zur Unterscheidung

zwischen den benachbarten Basisstationen Ø  Besteht aus NCC Network Color Code (3 bit)

zur Identifizierung des PLMN und Ø  BCC Basestation Color Code (3bit) zur

Unterscheidung der verschiedenen Nachbarzellen

MCC MNC LAC

CGI

CI

max. 16 bit max. 16 bit

NCC BCC

BSIC

max. 3 bit max. 3 bit

MCC: Mobile Country Code MNC: Mobile Network Code LAC: Location Area Code CI: Cell Identity

NCC: Network Color Code BCC: Basestation Color Code



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Abläufe: Sicherheitsprotokoll und die Rolle der SIM

Die SIM (Subscriber Identity Module) Karte ist die individuelle oder personalisierte Zugangsberechtigung zum PLMN Ø  Die SIM Karte ist eine Chipkarte, die in eine MS eingefügt werden muss, um sich bei

einem PLMN anzumelden Ø  Die SIM speichert

§  Permantente Daten, z.B. IMSI (International Subscirber Id), authenfication key Ki, Liste der Trägerfrequenzen,..

§  Temporäre Daten, z.B. den aktuellen LAC, Zeitintervall für das location update, verbotene PLMN´s,..

§  Service-Daten, Service-Tabelle der zusätzlichen Dienstmerkmale, z.B. Spracheinstel-lungen, Taxiruf, ..

Ø  Es werden zwei Kartentypen unterschieden §  ID-1 SIM Card in Kreditkartengrösse §  Plug-in SIM (kleiner als die ID-1) für semi-permanente Installation



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Triplet

Abläufe: Sicherheitsprotokolle und die Rolle des AUC

•  Die Hauptaufgabe des AUC ist, die Informationen bereitzustellen, die das MSC/VLR benötigen um den Subscriber zu authentisieren und einen Schlüssel zur Verschlüsselung der Daten zu finden.

•  Dazu erzeugt das AUC ein so genanntes Triplet Ø  RAND Ø  SRES: Sigend RESponse Ø  Ein Schlüssel Kc zur

Verschlüsselung •  Mit einer Anfrage werden 1, 3

oder 5 Triplets erzeugt

AUC

RAND Generator

Database IMSI Ki

A3 Authentifikations -

Algorithmus

A8 Verschlüsselungs-

Algorithmus

RAND

SRES

Kc

Request for Triplets from HLR

1 – 5 Triplets per Request



39

Abläufe Sicherheitsprotokolle: Authentifizierung

1. RAND

3. SRES

2. Berechne Kc und SRES

MSC

VLR

BSC 4. Vergleiche SRES mit Triplet

Die Authentifizierung kann erfolgen bei •  der Registrierung (attatching the Network) •  jedem Verbindungsaufbau •  jedem Location Updating •  vor dem Start von Zusatzdiensten



40

Abläufe Sicherheitsprotokolle: Die Verschlüsselungsprozedur

1. M & Kc

MSC

VLR

BSC

A5 Encryption and decryption algorithm

M Ciphering Mode Command M` Ciphering Mode Complete M`c Ciphering Mode Complete,

ciphered Kc Ciphering key

2. M

Encryption- Process

A5

M`

Kc

TDMA Frame nr.

3. Verschlüsselung von M`

4. Verschlüssltes M`c

Decryption Process A5

TDM

A-

Fram

e-N

r

Kc

M` c

5. Verschlüsselung o.k.?

6. V

ersc

hlüs

sung

smod

e co

mpl

ete



41

Abläufe Anmeldeprozedur: IMSI attach

MSC VLR

BSC

•  Frequenzsynchronisation (FCCH) und Rahmensynchronisation (SCH) sind bereits durchgeführt •  Die BTS mit dem stärksten Empfangspegel ist identifiziert

1

2 3

4



42

Abläufe Anmeldeprozedur: Location Update I

MSC VLR

BSC

•  die MS ist attached und stellt im aktuellen BCCH eine andere LAI fest, als auf der SIM gespeichert ist •  Es können hier zwei Fälle unterschieden werden:

1.  Die neue LAI liegt innerhalb des alten MSC-Bereiches 2.  Die neue LAI liegt ausserhalb des alten MSC-Bereiches in einem neuen MSC-Bereichs

1 2

3

LAI liegt innerhalb des alten MSC-Bereiches



43

Abläufe Anmeldeprozedur: Location Update II

MSC VLR

BSC

1 2

LAI liegt ausserhalb des alten MSC-Bereiches

HLR 3

5

4

Info an altes VLR



44

Abläufe: Abgehender Ruf

4 4

2

GMSC/VLR BSC PSTN

5 3

1



45

Abläufe: Ankommender Ruf

GMSC

MSC/VLR

PSTN HLR

BSC/TCE

1 2

5 5 4

7

10 10

11

11 11

3

6

8 8

8 8 9

9



46

Abläufe: Handover Typen

MSC MSC

BSC BSC BSC

BTS BTS BTS BTS

MS MS MS MS

1 2 3



47

Abläufe: Handover Entscheidung

receive level BTSold

receive level BTSnew

MS MS’

HO_MARGIN

BTSold BTSnew



48

Abläufe: Hand Over: Messreports I

Nachbarzellen

BSC MSC Mess- Report

Bewertet und entscheidet über handover

v Serving BTS



49

Abläufe: Intra BSC Handover

alt

neu

BSC

1

2 2

3

4 5 5

6



50

Abläufe: Inter BSC Handover I

alt

neu

alt

neu

1

2 3

5

6 7

7 7

BSC B

8 9

4

4 4 4 BSC A

MSC



51

Abläufe: Inter-BSC Handover II Anm. Andere Darstellung

HO access

BTSold BSCnew measurement result

BSCold

Link establishment

MSC MS measurement report

HO decision HO required

BTSnew

HO request

resource allocation ch. activation

ch. activation ack HO request ack HO command HO command HO command

HO complete HO complete clear command clear command

clear complete clear complete



52

Abläufe: Inter MSC Handover

alt

neu

alt

3 4 9

MSC A

MSC B

5

5

1

2 6

7 7 7

8

neu

10

10

10

11

BSC B

BSC A



53

Abläufe: Roaming

•  Der prinzipielle Ablauf ist dem Anmelden im eigenen Netz identisch

•  Erst versucht die MS sich im eigenen Netz anzumelden, ist dies nicht möglich sucht es andere BCCH-Träger von fremden Netzen

•  Dann vergleicht es die gefundenen Netze mit der Liste der verbotenen PLMN`s (auf der SIM gespeichert)

•  Findet die MS ein geeignetes Netz, so läuft die Anmeldeprozedur wie vorher besprochen, nur dass das HLR des eigenen Netzes konsultiert wird



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Datenübertragung Überblick HSCSD

•  Herkömmliche Datenübertragung ist standardisiert mit 9.6 kbit/s Ø  Gesicherte Datenübertragung geht runter bis auf 4,8 kbit/s Ø  So genanntes advanced coding erlaubt 14.4 kbit/s

•  HSCSD High Speed Circuit Switched Data Ø  Ist standardisiert Ø  Bündelung von bis zu 4 TDMA-Slots, um eine höhere Datenrate zu erreichen. AIUR

(Air Interface User Rate) Ø  Vorteile:

§  Verfügbar §  Konstante Qualität §  Einfach

Ø  Nachteil §  Kanäle blockiert §  Teuer für den Benutzer

2. gsm global system for mobile communications · im gsm-standard sind 64 frequency hopping muster...

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