Innehålls förteckning
Inledning
1 SYSTEM ÖVERSIKT
1.1 CME 20 nätverkselement
1.1.1 Växelsystemet
1.1.2 Basstationsystemet
1.1.3 Drift- och underhållssystemet
2 GSM standarden för Cellulär Mobil telefoni
2.1 GSM's drivande krafter
2.2 Nätverks arkitektur
2.2.1 Den mobilastationen
2.2.2 Basstation sändare/mottagare
2.2.3 Bas station controllern
2.2.4 Det mobila service- och växelcentret
2.2.5 Hemlägesregister
2.2.6 Authentication Centrat
2.2.7 Visiting Location Register
2.2.8 Equipment Identifikation Register
2.2.9 Drift- och underhållscentret
2.3 Exempel p trafikfall
2.3.1 Roaming och positionssuppdatering
2.3.2 Samtal till mobiltelefonen
2.3.3 Samtal från mobiltelefonen
2.3.4 Lokalisering och handovers
2.4 GSM, ett digitalt radio system
2.4.1 Frekvensband
2.4.2 Det fysiska lagret
2.4.3 Logiska kanaler
2.4.4 Effekt kontroll
2.4.5 Modulation och frekvenshopp
2.4.6 Talkodning
3 CME 20 Specifikationer
3.1 Telekommunikations tjänster
3.1.1 Teletjänster
3.1.2 Teletjänster för ägaren
3.2 Konfidentiallitet och säkerhet
3.2.1 Abonnentens identitets modul
3.2.2 Authentication och kryptering
3.2.3 Authentication av abonnent identiteter
3.2.4 Kryptering för användar datans säkerhet
3.2.5 Definitiv utrustnings identifikation
3.2.6 Abonnentidentitets konfidentiallitet
3.3 Interface och signalering
3.3.1 Fasta telefonväxelnätverk till CME 20
3.3.2 Signalering i Switching Systemet
3.3.3 A och A-bis interfacet
3.3.4 Radio interfacet
Slutord
Källförteckning
Inledning
I Europa har vi fått ett gemensamt trådlöst telefonnät. Det är
världens första helt digitala nät. Systemet gr under
betäckningen GSM, som står för Global System for Mobile
communications. GSM telefonen ska kunna användas fullt ut i 18
länder, men den ska även kunnas tas med ut p resor till
kontinenten. Egentligen behöver man inte ens ta med sig sin egen
telefon eftersom abonemanget är knutet till ett kundkort i
kreditkortsformat. Korten kan användas i vilken GSM telefon som
helst och som d automatiskt fr kortägarens personliga
telefonnummer. Samtalskvaliten ska ligga betydligt över NMT
systemet, som är analogt. Här i Sverige kommer det att finnas tre
olika nät för GSM. Med det kommer Sverige bli det enda GSM-land
där det finns tre olika nät. I andra länder är antalet operatörer
ej fler än tv. Runt fyra miljarder beräknas de tre näten i
Sverige kosta fram till r 1995. Personer som nu skaffar ett
abonnemang kommer märka att inte alla utlovade tjänster fungerar.
För tillfället s kommer telefonerna bara att fungera inom
Sveriges gränser och huvudsakligen kring Stockholm, Malmö och
Göteborg. Att telefonerna bara fungerar inom Sverige beror p att
de svenska operatörerna inte har slutit ngot avtal med ngra
andra utländska operatörer. Jag har valt att granska en av de
Svenska operatörerna Televerket med systemleverantören Ericsson
Radio Systems. Det GSM system man utvecklar kallas CME 20.
Historia
Groupe Special Mobile upprättades 1982 för att formulera
specifikationerna för ett europeiskt mobilt cellulärt radio
system p 900 MHz. Efter ett fältförsök i Frankrike 1986 och val
av kommunikations koncept (TDMA) för radio 1987, s
undertecknades ett Memorandum of Understanding 1988 av 18 länder.
I dokumentet band sig länderna att följa specifikationerna och
att starta upp ett kommersiellt GSM nät den 1:a Juli 1991. Flera
milstolpar i Memorandum of Understanding är redan avklarade 1992
eftersom det nya nätet täcker huvudstäder och flygplatser. År
1993 kommer nätets täckning även att inkludera flera stora vägar.
Först r 1995 räknar man med en fullskalig täckning då även
landsbygden täcks upp.
1982: GSM aktiviteter startade
1986: Fält test
1987: Val av kommunikations koncept (TDMA) för radio.
1988: GSM - Memorandum of understanding (18 länder)
1989: Felkorrigerings systemet utvecklas.
1991: Kommersiellt system startas upp
1992: Huvudstäder och flygplatser täcks
1993: Stora vägar täcks upp
1995: Landsbygden täcks
1993
1 System översikt
CME 20, som är Ericssons GSM system, är ett helt automatiskt
mobilt telefonsystem enligt ETSI/GSM Tekniska Specifikationer för
ett Digitalt Cellulärt Radio Nätverk. Systemet är gjort s att
det ska förse sina användare med alla de avancerade
telekommunikations tjänster, samtidigt som det möter kraven p
flexibilitet, användarvänlighet och underhållsbarhet.
CME 20 innehåller alla nätverkselement beskrivna i ETSI / GSM,
det vill säga CME 20 är en fullständig nätverkslösning, som
inkluderar växelcentraler, lokaliseringsregister, basstations
controllers, basmottagare samt funktioner för centraliserad
användning och underhåll.
Det mobila telefon systemet CME 20 består av tre självständiga
delar:
Växelsystemet ,The Switching System (SS) , där huvuddelen av
samtalsbehandlingen och abonnentrelaterade funktioner utförs.
Basstationsystemet, The Base Station System (BSS), dit alla
radiobesläktade funktioner koncentreras. Interfacet mellan växel-
och basstationsystemet överensstämmer helt med A-interfacet
specificerat av GSM-standarden.
Drift- och underhållssystemet, The Operation and Support System
(OSS) , vilket innehåller de drift- och underhållningsfunktioner
som krävs i nätverket.
Växelsystemet och basstations controllern (övervakaren) i
basstationsystemet är bda tv applikationer av AXE systemet för
allmän telekommunikation. Denna flerfunktions applikation är en
grundläggande komponent i alla Ericssons system för offentliga
landbaserade mobila nätverk, offentliga växlade telefonnätverk,
offentliga datanätverk och integrerade digitala servicenätverk.
(Integrated Services Digital Networks)
Bilden ovan visar de olika nätverkselementen i CME 20
1.1 CME 20 nätverkselement
CME 20 består av tre huvudsystem, vilka tillsammans omfattar alla
funktioner som krävs av ett cellulärt radionätverk enligt GSM
tekniska specifikationer.
De tre systemen är:
- Växelsystemet (SS)
- Basstationsystemet (BSS)
- Drift- och underhållsystemet (OSS)
1.1.1 Växelsystemet (SS)
SS innehåller fem funktionella verktyg: the Mobile services
Switching Centre (MSC) , the Home Location Register (HLR), the
Visitor Location Register (VLR), the Authentication Centre (AUC)
och Equipment Identity Register (EIR).
MSC har hand om telefonväxelrelaterade funktioner till systemet.
En speciell grind (gateway)-MSC (GMSC) funktion koordinerar
trafiken med det fasta offentligt växlade telefonnätverket Public
switched telepone network (PSTN) . MSC har hand om allt som
berör växelfunktioner, nätverksinterface, vanlig
kanalsignalering, avgiftsdebitering. Hela MSC är utförd som en
AXE applikation.
HLR är en databas som används till att sköta och leda de mobila
abonnenterna. Den innehåller permanent abonnentdata såsom
abonnenttyper och beställda abonnent tjänster etc. Den lagrar
också information om var abonnenterna befinner sig när de är
aktiva. HLR-funktionen kan vara integrerad i samma terminal som
MSC eller som en separat terminal.
VLR är en databas, som hämtar data från HLR och förser sin MCS
med den information som krävs för att kunna ge nya abonnenter i
området de tjänster som de har beställt. VRL i CME 20 systemet är
alltid integrerad tillsammans med MSC.
AUC förser systemet med de krypteringsparametrar som krävs för
att försäkra varje samtals strikta konfidentiallitet.
EIR är en databas som innehåller information om den mobila
utrustningens identitet för att förhindra obehörigt användande av
mobila stationer.
1.1.2 Basstationsystemet (BSS)
BSS innehåller tv huvudfunktioner: the Base Station Controllern
(BSC) och the Base Transceiver Station (BTS).
Åtminstone en MSC i växelsystemet kontrollerar en eller flera
BSC, vilka i sin tur kontrollerar flera BTS'er var.
BSC, basstationsövervakaren, är en högkapacitetsväxel och
ansvarar för de radio- relaterade funktionerna i CME 20.Den
sköter handovers, övervakar radio-nätverkskällor och kontrollerar
cellkonfigurationsdata. Den kontrollerar också radiofrekvensens
signalstyrka i basstationen och de mobila stationer som BSS
kommunicerar med. BSC är utförd som en AXE applikation som
fjärrövervakar alla funktioner i ett distribuerat nätverk av BTS.
BTS ,sändare/mottagare för basstationen, innehåller all
funktionalitet som behövs för att täcka en eller flera celler.
Interfacet mellan BSC och BTS är utfört s att det överensstämmer
med A-bis interfacet enligt GSM tekniska specifikationer.
1.1.3 Drift- och underhållssystemet (OSS)
Drift- och underhållsfunktionaliteten i CME 20 är baserad p
mjukvara som finns lokalt i nätverksterminalerna. Dessa
grundläggande funktioner är alltid tillgängliga. En Operation and
Maintenance Centre (OMC), drift och underhålls- central, utför
administrativa uppdrag p en högre nivå än dessa terminaler.
Konceptet med drift- och underhållscentraler lokalt och med ett
centraliserat underhålls system, ger en fortlöpande effektiv
nätverks styrning och driftkontroll, även om nätverket skulle
byggas ut i snabb takt.
Varje element i CME 20 nätverket har inbyggda funktioner för
kontroll och rapportering av status. Eventuella fel graderas
beroende p allvarlighetsgrad, vilket förenklar valet av lämpliga
underhållstågärder. I många fall löser den lokala drift- och
underhållsfunktion själv problemen genom att till exempel koppla
över trafiken till en stand-by enhet.
OMC i CME 20 är utförd i enlighet med Ericssons Telecommunication
Management and Operation Support system (TMOS) och dess
applikationer för cellulära mobila system. TMOS har förmågan att
kommunicera med alla element i nätverket och hämta den
information som krävs.
2 GSM standarden för Cellulär Mobil Telefoni
GSM standarden för cellulär mobil telefoni är ett resultat av ett
samarbete mellan telekommunikations företag och industrier.
Standardiseringen har utförts av Groupe Sp‚cial Mobile
ursprungligen uppsatt av Conference Europenne Telecommunication
(CEPT) och European Telecommunications Standards Institute
(ETSI).
GSM standarden är helt ny och förutsätter användandet av
avancerad teknologi i s.k. state of the art technology.
GSM arbetar i frekvensbandet 900 MHz, vilket har gjorts
tillgängligt för GSM-telefoni i hela Europa. Det har konstruerats
s att det kan samexistera med andra cellulära system i frekvens
bandet såsom TACS och NMT 900.
2.1 GSM Drivande krafter
Ur användarens synvinkel är nog den viktigaste egenskapen det
internationella oberoendet. För nuvarande kan nästan alla
industrialiserade länder förses med cellulära system, men dessa
system är oftast bara landstäckande (ej NMT 900) och av
varierande teknisk kvalitet. Med GSM-systemet s erbjuds
abonnenten identiska tjänster med hög samtalskvalitet var han än
befinner sig.
En annan fördel är att GSM-standarden medverkar till att minska
kostnaden för mobila stationer. Det digitala signaleringssystemet
som används är väl anpassat för VLSI-teknologin som nu fr en
större marknad.
Flera fördelar för abonnenten är den ökade
dataöverföringskapaciteten och den ökade säkerhetsnivån.
2.2 Nätverks arkitektur
Den grundläggande infrastrukturen i ett GSM nätverk är likt
vilket annat cellulärt radionätverk som helst. Systemet är
uppbyggt av kontinuerligt utplacerade radio-celler som
tillsammans täcker det mobila nätverkets hela serviceomrde.
Varje cell har en basstationsändare/mottagare och arbetar p ett
antal tilldelade radiokanaler, vilka är skilda från de kanaler
som används i de angränsade cellerna.
En grupp av basstationer kontrolleras av en BSC (basstations
controller) för sådana funktioner som överlämnande från en cell
till en annan och kontroll av sändarens effekt. I nästa nivå är
en eller flera basstations controllers anslutna till en
växelstation, som kopplar samtal från eller till andra mobila
abonnenter, eller till abonnenter i offentliga telefon- och
datanätverk.
Fyra viktiga databaser är anslutna till MSC: HRL, VLR, AUC och
EIR.
2.2.1 Den mobilastationen (MS)
Mobilstationen är den enda fysiska utrustning som behövs för att
f tillträde till de teletjänster som utlovats. Mobilstationen är
alltså i vardagligt tal en mobiltelefon. Det finns olika typer av
mobilstationer, t ex fast monterade i fordon och handburna.
En mobilstation har ett antal identiteter. Mobilstationen är
märkt med
- International Mobile Equipment Identity
(IMEI).Apparatidentitet
- International Mobile Subscriber Identity (IMSI). IMSI är
abonnentens personliga identitet. IMSI kan programmeras in i en
separat modul (SIM) som är abonnentens egendom.
P detta sätt är IMSI knuten till en specifik abonnent. SIM är
ett kort som abonnenten sätter in i telefonen d han vill använda
den. Korten fungerar i alla GSM baserade telefoner världen över.
Identitetsmodulen ska alltså inte vara större än ett vanligt
kreditkort. Längre framöver kommer även mindre kort att finnas p
marknaden för mindre telefoner. För att öka användarens
konfidentiallitet och integritet används abonnentidentiteten
normalt inte över radiolänken. I stället s använder man en
temporär identitet, the Temporary Mobile Subscriber Identity
(TMSI). TMSI används i mobilstationen när den är registrerad av
databasen VLR. TMSI kan ändras av VLR när som helst, t ex vid
varje uppkopplat samtal. Övriga identiteter är lokala inom GSM
nätet. Utöver detta har varje mobiltelefon-abonnemang ett enskilt
nummer vilket identifierar abonnemanget. Mobile Station ISDN
Number (MSISDN).
2.2.2 Basstation sändare/mottagare (BTS)
Den primära funktionen för BTS är radiosändning och mottagning.
BTS kan innehålla en eller flera sändare/mottagare beroende p
vilken kapacitet som krävs.
2.2.3 Basstations controllern (BSC)
BSC primära funktion är att sköta mobiliteten. När en abonnent
förflyttar sig är det troligt att han rör sig från en cell area
till en annan. Processen som gör att samtalet fortsätter utan
märkbart avbrott kallas handover (överlämnande). Det avbrott
som uppstår är betydligt kortare i ett GSM system än i något
annat cellulärt system.
Under ett samtal i ett GSM nätverk kontrollerar mobilstationen
signalstyrkan från de möjliga basstationerna och rapporterar
kontinuerligt detta till basstationen. Dessa rapporter kopplas
vidare frn BTS till basstations controllern, vilket ger
basstations controllern en mycket god möjlighet att besluta
tidpunkt för ett överlämnande.
I GSM systemet sköter även BSC effektkontroll. Detta reducerar
den utstrålade signaleffekten, minimerar risken för interferens
mellan olika GSM-abonnenter och maximerar batteriets livslängd i
mobilstationen.
2.2.4 Det mobila service- och växelcentret (MSC)
MSC utför alla nödvändiga växelfunktioner för mobilstationerna,
som befinner sig inom dess område (MSC service område). MSC'n är
hjärtat i det cellulära radio-systemet. Den är ansvarig för
vägval och uppkoppling mellan uppringande och mottagande
abonnent, avslutning av samtalen, inter-MSC handovers och
supplement service samt är samtalsdebitering. Den uppträder också
som interfacet mellan GSM nätverket och de offentliga röst- och
datanätverken. MSC är ansluten till andra fasta telefonnätverk,
till andra MSC i samma GSM nätverk och till andra GSM nätverk.
IWF Interworking Funktion är ett funktionellt verktyg till MSC
som förser MSC med de funktioner som är nödvändiga för ett
korrekt samarbete mellan GSM nätverket och datatjänster.
2.2.5 Hem Läges Registret (HLR)
HLR är den primära databasen, som används för att ha ordning p
mobila abonnenter. GSM nätverket kan innehålla en eller flera
databaser av denna typ beroende p dess storlek. Det finns tv
olika typer av information lagrade i HLR:
- Abonnent information, som är information om teletjänster och
abonnent-
tjänster, tilläggstjänster etc.
- Delar av lägesinformationen, exakt adress till den VLR som
används för
de abonnenter som är registrerade i denna HLR. Informationen
används
för att etablera rätt väg för samtal till mobilstationen via
ett MSC-
täckningsområde där mobilstationen var registrerad sist.
Alla administrativa åtgärder utförda av nätverksoperatören,
gällande abonnent data, finns lagrade i HLR.
Tv olika nummer är kopplade till varje mobilt abonnemang och
finns lagrade i HLR:
- The International Mobile Subscriber Identity (IMSI), det
vill säga information som identifierar en GSM abonnent.
- The Mobile Station ISDN Number (MSISDN), det vill säga det
nummer
som identifierar abonnenten i PSTN/ISDN numreringsplan.
2.2.6 Authentication Centrat (AUC)
Det funktionella verkyget kallat AUC är kopplat till HLR.
Funktionen som AUC utför är att den värnar om abonnentens
säkerhet och integritet genom att förse HLR med information om
abonnentens speciella koder.
2.2.7 Visiting Location Register (VLR)
VLR är en databas vilken innehåller dynamisk information om de
mobilstationer som har vistats i en MSC's täckningsomrde, det
vill säga det nätverksomrde där en MSC opererar. Varje MSC har
sin egen unika VLR.
S snart som en mobilstation används i ett nytt MSC områdes
hämtar dess VLR information om mobilstationen från den HLR där
abonnenten är registrerad. Som del i processen lagrar också HLR
adressen p den VLR, som har hämtat information. Om denna
mobilstation senare används i samma område för ett samtal har
redan VLR alla nödvändiga data för att koppla upp samtalet, utan
att behöva kontakta HLR. VLR innehåller också mer exakta data om
var mobil-telefonen befinner sig inom MSC området.
2.2.8 Equipment Identificaton Register (EIR)
Som jag har beskrivit finns det en skillnad mellan den fysiska
utrustningens identitet (mobilstationen) och abonnentens
identitet. Mobilstationen identifieras med dess International
Mobile Equipment Identity (IMEI) medan användaren identifieras
med hans IMSI.
För att förhindra obehörigt användande av stulet material eller
icke godkänd mobil utrustning s finns det ett Equipment Identity
Register (EIR) som är kopplat till MSC'n. EIR används av MSC för
att kontrollera om IMEI numret p utrustningen är giltigt.
2.2.9 Drift- och underhållscentret (OMC)
OMC är det funktionella verktyg som gör att GSM operatören kan
styra och kontrollera systemet. De tekniska specifikationer som
finns ger generell vägledning för hur man ska realisera de
funktioner som krävs för drift- och underhåll. I CME 20 är
funktionerna utformade s att de överensstämmer med de i AXE
systemet.
2.3 Exempel p trafikfall
Ett GSM nätverk är utformat för bilmonterade såväl som handburna
mobiltelefoner. Alla abonnenter har möjlighet att ta emot och
ringa samtal oberoende p var i täcknings området de befinner sig.
När en abonnent flyttar mellan gränsande celler under samtalets
gång, kopplas samtalet automatiskt över till den nya cellen.
(handover). Detta sker oavsett om den nya och den gamla cellen
betjänas av samma BTS och MSC.
2.3.1 Roaming och positionsuppdatering
En av de mest fundamentala uppgifterna i ett mobilt telefonsystem
är att kontinuerligt hålla reda på mobilstationernas geografiska
position. Detta är en konsekvens av behovet av att vägleda
inkommande samtal till MSC, BTS, och till sist den BTS som har
den bästa möjligheten att upprätta en radiolänk med
mobilstationen.
Att ändra sin position innebär att mobilstationen kontinuerligt
måste kontrollera att den är ansluten till den bäst lämpade
BTS'en. Den måste också informera systemet om ändringar i dess
position, genom positionsuppdatering. Möjligheten att röra sig
fritt, byta kontakt över radiointerfacet för bästa
mottagningskvalitet kallas roaming.
LA 6
För att identifiera det exakta läget av mobilstationen är
följande av intresse:
- GSM Service Arean , det vill säga hela den area som alla GSM
nätverk opererar i.
- MSC Service Arean. Den här arean är den del av GSM nätverket
som täcks av en MSC och i vilken en mobilstation är
tillgänglig när den har blivit registrerad i VLR databasen.
- The Location Area (LA). Varje MSC area bestr av flera
lägesareor (LA). Inom dessa kan en mobiltelefon röras fritt
utan att behöva uppdatera lägesinformationen i MSC/VLR, som
kontrollerar arean.
- Cellen. Varje LA är uppdelad i ett antal radioceller, där
cellen är en
definierad area i täcknings området för radiostationen.
En aktiv men ändå oanvänd mobilstation flyttas inom GSM-
nätverket. För att kunna välja den bästa basradiostationen, s
känner den kontinuerligt av signal styrkan p frekvenser som
tillhör var och en av de gränsande cellerna. När signalen från
den cell man befinner sig i blir för svag, jämfört med signaler
frn andra celler, byter mobiltelefonen basradiostation. Tre fall
kan d uppst.
- Mobilstationen flyttas från en cell till en annan inom samma
LA
I detta fall finns inget behov för uppdatering av MSC/VLR
informationen eftersom abonnenten kommer att kunna bli nådd inom
samma LA. Valet av
basradiostation görs automatiskt av mobilstationen.
- Mobilstationen flyttas från en cell till en annan cell i en
annan LA, men inom samma MSC område.
Mobilstationen kommer omedelbart att upptäcka bytet av LA
eftersom varje cell inom en LA skickar ut kontinuerliga
identifieringssignaler. I detta fall fr mobilstationen
tillträde till systemet via BTS och BSC för att f sitt läge
uppdaterat i den MSC/VLR som ansvarar för LA i fråga.
- Mobilstationen flyttas till en cell i en annan LA, som
tillhör ett annan MSC område.
Nu kommer vägen genom nätverket att bli annorlunda för ett
inkommande samtal till mobilstationen. Därför kommer inte
bara den nya MSC/VLR att uppdateras med det nya läget, utan
också HLR eftersom den används för att styra det inkommande
samtalet till rätt MSC.
2.3.2 Samtal till mobiltelefonen
Ett samtal till mobiltelefonen från det fasta nästverket
(PSTN/ISDN) vägleds av PSTN/ISDN till en GSMC i GSM nätverket.
Det mottagna (MSISDN) numret analyseras av GMSC och en förfrågan
om mobiltelefonens nummer (MSRN) skickas till HLR i nätverket. HLR
översätter det mottagna MSISDN numret till en GSM
abonnentidentitet IMSI och skickar vidare en förfrågan p MSRN
till MSC/VLR där abonnenten för närvarande är registrerad. MSC/VLR
tilldelar tillfälligt abonnenten ett MSRN och skickar tillbaka
det via HLR till GSMC'n. Nu kan GSMC koppla upp ett samtal med
den korrekta MSC'n.
VLR har information om den föregående LA'n för den uppringda
abonnenten. MSC/VLR kan nu sända ett meddelande till alla BTS'er
i detta omrde. Mobil- telefonen , som antas vara i viloläge,
kommer nu att f meddelandet. Meddelandet är ett anrop till
mobilstationen. I meddelandet finns just den mobiltelefonens egna
IMSI och TMSI och den kommer att svara p anropet. D samtals
uppkopplingen är klar och en "trafik" kanal har tilldelats den,
är samtalet kopplat över radio- vägen till mobiltelefonen.
Här har just en länk satts upp till mobil telefonen.
2.3.3 Samtal från mobiltelefonen
Ett samtal från mobiltelefonen börjar när användaren slår det
önskade numret och trycker p sändknappen. Det fr mobiltelefonen
att göra en behörighetskontroll, som skickas till MSC/VLR.
MSC/VLR kommer d att kontrollera om mobil-telefonen har
behörighet till nätverket. Om samtalet görs till en annan
mobiltelefon, kommer MSC/VLR att analysera det uppringda numret
och sedan koppla upp ett samtal inom nätverket. Ifall samtalet är
till en abonnent i det fasta telefonnätverket, kommer det slagna
numret att skickas vidare för analys.
Meddelandet angående samtalsuppkoppling från mobiltelefonen
kommer att accepteras när länken till den uppringda abonnenten är
klar. Mobiltelefonen tilldelas en given trafikkanal, där den fr
vänta p bekräftelse att den uppringda abonnenten svarar.
2.3.4 Lokalisering och handovers
Eftersom mobiltelefonen kontinuerligt kan komma att ändra sin
position under ett samtal, kan det bli nödvändigt att växla
mellan BTS'er när samtalet har etablerats. Att byta till en ny
BTS under ett samtals uppkoppling eller under ett samtal brukar
kallas "handover" . I ett GSM nätverk sköts alla handovers
automatiskt av systemet. Mobil telefonen har hela tiden kontroll
p signalstyrkan och överföringskvaliteten p trafikkanalen och
alla basstationer i området. P samma sätt granskar BTS'en den
mottagna signalen från mobiltelefonen. All information skickas
till BSC för analys och beslut om en eventuell handover.
Här sker en handover mellan tv MSC's
Efter analys av situationen och beslut att starta en handover är
BSC ansvarig för etablering av en ny länk till en annan BTS.
Denna BTS kan höra till samma BSC eller till en annan i samma MSC
område, eller till och med placerad i ett annat MSC område.
Lokalisering innebär hela processen att uppdatera BSC med data om
signalkvalitet, data analys samt beslut om handover.
2.4 GSM, ett digitalt radiosystem.
Radiointerfacet mellan mobilstationen MS och BTS i GSM systemet
använder 900 MHz bandet och ett Time Division Multiple Access
(TDMA) koncept. All information är digital, det vill säga att
analoga signaler representeras av en ström binära data d de
överförs via radiointerfacet. Därför sägs GSM vara ett digitalt
radio system.
2.4.1 Frekvens band
GSM är ett FDMA/TDMA-system med långsamt frekvenshopp. Systemet
använder 124 st 200 kHz breda duplexkanaler i intervallen 890-915
MHz (Mobil - Bas) och 935 - 960 MHz (Bas - Mobil).
Duplexavstndet är alltså 45 MHz. Varje celläge tilldelas sedan
ett antal bärfrekvenser med hänsyn till väntad trafik.
2.4.2 Det fysiska lagret
Det fysiska lagret är det mest komplexa och svåra att realisera.
Det fysiska lagret kännetecknas av:
- 9-124 radiofrekvenser i duplex
- TDMA-struktur med 8 tidsluckor per radiofrekvens
- GMSK-modulering
- Långsamt frekvenshopp
- Blockkod för felupptäckt och faltningskod för felrättning
kompletterad
med interleaving.
- Kompensering för löptidsfördröjning upp till 233 æs (ca 35
km enkel vg)
- Utjämning för att klara flervägsutbredning p upp till 16 æs
fördröjning.
- Dynamisk uteffektreglering.
Varje ramfrekvens används för att bära 8 separata "fysiska" GSM
kanaler, vilkas data blir sända/mottagna i perioder. Datan som
ligger i GSM kanalen sänds ut i burstar (knippen) med den
tilldelade perioden och med en brutto bithastighet p 270,833
kbit/s. Förutom den nödvändiga röst- och signalinformationen kan
ett dataknippe innehålla bitsekvenser för utjämningsträning och
synkronisation. Sändningen och mottagningen p varje frekvens är
tidsmässigt indelad i ramar med längden 4,62 ms. Varje ram består
av 8 tidsluckor p vardera 577 æs. I varje sådan tidslucka ryms
ett GMSK-modulerat dataknippe p 156,25 bitar. I mitten av varje
dataknippe (se bild) finns en lärsekvens som används av
mottagaren för att bibehålla synkroniseringen till tidsluckan,
samt för att beräkna mottagnings- förhållandena med avseende p
flervägsutbredning. Vid utjämningen , som kompenserar för
eventuell flervägsutbredning, behövs även start/stopp bitar för
att inte mottagningen ska försämras i dataknippets ytterändar.
Mellan dataknippena finns ett "guard space" p 8,25 bitar för
att mobilstationens sändare ska hinna startas och stoppas och
inte störa kring liggande tidluckor. Tillslag/ frånslag måste
varieras för att radiofrekvensens bandbredd inte skall
överstigas.
Normaladataknippen används för tal- och datakommunikation. De
övriga har speciella användnings områden:
- Frekvenskorrigeringsdataknippen Används för snabbare
läsning av RF- frekvensen.
- Synkroniseringsdataknippen Används av mobilstationen för
att synkronisera till basens ramstruktur. Data i bursten
innehåller information om basidentitet och ramens läge i tiden.
(i en 2 715 648-ramars cykel)
- Accessburst. Denna sänds av mobiltelefonen vid första access
mot en bas för att initiera en uppkoppling eller en handover.
Bursten är kortare än andra burstar för att rymmas i en
tidslucka, i ett läge när avståndet till basen är okänt och
ingen kompensation för tidsfördröjningen därför kan göras.
Data i bursten innehåller endast en referens, vilken används av
mobil- och basstation för att undvika kollisioner vid
uppkoppling.
- Dummyburst sänds av basstationer när kontinuerlig sändning
krävs, och inget annat finns att sända.
2.4.3 Logiska kanaler
En logisk kanal i ett GSM system kan inte jämföras med en kanal i
något annat analogt system. En definition är:
ö En logisk kanal är en dataström hämtad ur en delmängd av de
burstar som sänds i en viss tidslucka mellan olika frekvenser
efter ett förutbestämt mönster ö.
De logiska kanalerna är kartlagda i de fysiska. Beroende p hur
bra kartläggningen är, s kan de logiska kanalerna ha
datahastigheter från några hundra bit/s upp till 22.8 kbit/s.
De logiska kanalerna kan delas upp i tv huvudkategorier,
trafikkanaler och kontrollkanaler. Trafikkanalerna TCH överför
antingen kodat tal eller datainformation.
Kontrollkanalen används till att bära signalering och
synkronisation och kan ytterligare delas upp i flera kategorier.
- Sändnings kanalen, vilken kontinuerligt sänds av
basstationerna. Den här kanalen bär synkronisationsinformation
och systeminformation, som t. ex. basstationens
identitetskoder.
- Gemensamma kontrollkanaler, som används för att anrop och
tillträdes- kontroll av mobilstationerna.
- Tilldelad kontrollkanal, som används specifikt för en
mobiltelefon. De här kanalerna är nödvändiga under ett
samtalsuppkoppling, för mätrapport signalering från
mobilstationen och för signalering vid en handover.
2.4.4 Effekt kontroll
Maximal sändningseffekt för en mobiltelefon är beroende p vilken
effektklass den tillhör. Den kan variera från 0.8 W för en
handburen mobiltelefon till 20 W för en bilmonterad.
Medeleffekten är en ttondel av maximala effekten. Försiktighet
krävs för att inte störas eller störa andra användare. Därför har
systemet försetts med effektkontroll i 15 steg p 2 dB var.
Dessutom s varieras sändaren upp och ner i effekt p ett
kontrollerat sätt, som börjar och slutar i varje tidslucka. P
detta har man också lagt filtrering.
2.4.5 Modulation och frekvenshopp
Metoden man använder för modulation kallas Gaussian Minimum Shift
Keying (GSMK). Metoden har en BT (Bandbredds-Tid produkt) produkt
p 0,3 vid en bruttohastighet p 271 kbit/s.
Frekvenshopp (Frequency Hopping) innebär ändring av
användarfrekvens under pågående samtal. Detta kan användas för
att undvika problem med flervägsutbredning och för att minska
störproblem. Hopphastigheten för mobiltelefonen är ett hopp per
TDMA-ram, det vill säga 217 hopp per sekund.
En högkvalitetsequalizer används för att klara
tidsförskingringen, det vill säga problemet med reflektion och
därför försenade signaler, som stör bitmönstret i
originalsignalen.
2.4.6 Talkodning
Själva kodningen av informationen, som sänds över
radiointerfacet, är komplicerad för att ha maximal möjlighet att
upptäcka och rätta till de fel som kan uppträda. Utsignalen frn
talkodningen är därför ytterligare kodad, sammansatt (man stuvar
ihop de olika signalerna) och krypterad p ett sofistikerat sätt
för att garantera konfidentialliteten och för att kunna göra
fler felkorrigeringar längre fram. Från första början kommer bara
fullgradskodaren vara tillgänglig. Hastigheten som den har är
ungefär 13 kbit/s utan felkorrigering och 22,8 bit/s med
felkorrigering. Principen som används för kodning är känd som RPE
- LTP (Regular Pulse Excitation with Long Term Prediction) .
Samplingen (inspelning) av den analoga signalen sker med en 13
bit likformig PCM (system för pulskodad modulation) och den gör
ca 8000 samplingar per sekund.
Det överföringsschema (DTX) man använder minimerar den utstrålade
effekten, vilket förlänger batteriets livslängd och
effektiviserar användandet av tillgängliga frekvenser. DTX är
röststyrd, vilket innebär att om man inte pratar i mikrofonen
lägger den in en "behaglig" tystnad istället för brus och
distorsion.
3 CME 20 specifikationer
3.1 Telekommunikations tjänster
3.1.1 Teletjänster
Normalt telefonerande, det vill säga tvåvägs röstkommunikation,
med möjlighet att n abonnenter var de än befinner sig inom
nätverket, är den viktigaste funktionen i systemet.
En annan viktig funktion är nödsamtalen. Här i Sverige vet alla
var man ringer om någon är i nöd. Antag i stället att du är i
Tyskland och behöver ringa ett nödsamtal till SOS-centralen. D
är det inte många som omedelbart kan sl rätt nummer. En GSM
telefon använder sig av en emergency area origin identifier som
automatiskt leder samtalet till det berörda SOS centralen
beroende p i vilken cell area och MSC område man befinner sig i.
I GSM nätverket har man utvecklat en nytt och effektivt verktyg,
Short Message Service (SMS). Ett kort meddelande kan ha upp till
160 alfanumeriska tecken och kan skickas till eller från
mobiltelefonen. Detta kan liknas med en personsökare som inte
behöver vara p för att någon ska kunna n den. Den normala SM
servicen är tänkt att användas från abonnent till abonnent och är
en avancerad form av anrop med många fördelar. Om den
mobiltelefon man söker skulle vara avstängd eller ha lämnat
täckningsomrdet s lagras meddelandet och ges till abonnenten d
han dyker upp igen. En variant p SMS är cellutsändnings
funktionen , med vilken ett kort meddelande p max 93 tecken
sänds ut till alla mobiltelefoner inom en specifik geografisk
area. En praktisk användning p detta är trafik information.
3.1.2 Tjänster för ägaren
CME 20 stöder asynkrona, full duplexöverföringar av data vid 300,
1200, 2400, 9600 bit/s p linjer mellan en mobiltelefon och en
telefon i det fastanätet. Data-terminalen eller datorn kopplas
direkt till mobiltelefonen. Det behövs alltså inget modem för
mobiltelefonen.
För kontakter via det fasta nätverket väljer CME 20 IWF
automatiskt ett modem, som används för den återstående vägen till
mottagarmodemet.
Synkrona, duplexöverföringar av data p 1200, 2400, 4800 och 9600
bit/s stöds vid kontakter mellan tv mobilabonnenter. Kontakter
med abonnenter i det telefonnätverket, datanätverk och i ISDN
(ett digitalt fast nätverk, som för övrigt finns i Sverige) stöds
via IWF i CME 20. Inte heller här behöver mobiltelefonen ansluta
något modem. Tillträde till ett packet switched datanätverk är
möjligt via PAD (packet Assembly/Disassembly) funktionen i IWF
eller via ett tillgängligt PAD i fasta telefonnätverket. I båda
fallen stöds samma hastigheter som ovan.
3.2 Konfidentiallitet och säkerhet.
Användandet av radiokommunikation mellan mobilstationerna och BTS
gör systemet känsligt. För att hindra obehöriga att avlyssna
eller använda systemet har man lagt in hinder. Här är fyra
huvudkategorier:
- Abonnentens identitets authentication. När en mobiltelefon
fr tillträde till
nätverket s verifieras abonnentens identitet. Tillträde till
nätverket garanteras slunda bara äkta abonnenter. Valfria
tilläggstjänster finns s att man kan se numret p en
display till den man har ringt till eller den som har ringt
till användaren.
- Användarens samtalskonfidentiellitet. Kryptering används för
att skydda den information som sänds över radiointerfacet mot
oönskad avlyssning.
- Utrustningsidentifikation. Nätverksoperatören kan
kontrollera identiteten
p mobiltelefonen för att redan vid uppkoppling kunna hindra
användandet av stulen eller obehörig utrustning.
- Abonnents identitetskonfidentiellitet En temporär mobil
abonnents- identitet (TMSI) används normalt av nätverket
för att göra det omöjligt att identifiera en specifik mobil
abonnent.
3.2.1 Abonnentens identitetsmodul (SIM)
Varje abonnent tilldelas en unik International Mobile Subscriber
Identity (IMSI) när han tar ett GSM abonnemang. IMSI är den
information, som definitivt kan identifiera användaren inom GSM
nätverket. Konsekvent s används IMSI av HRL och VLR för att
hålla kontroll p abonnenterna. IMSI ligger i en separat
Subscriber Identity Module (SIM), vilken kan vara en del av
mobilstationen eller ett smart card , det vill säga ett
kreditkort med en mikrodator och minne. Kortet lagrar IMSI, en
authentication nyckel och andra relevanta data.
RAM är ett arbetsminne som kan ändras under drift.
ROM är ett läsminne med fast innehåll där inget kan ändras
under drift. I ROM'en finns lagrat:
- Operativsystemet
- Delar av algoritmer för generering av identifierings-
och krypterings nyckeln.
- Eventuella testsekvenser för felsökning.
EEPROM är ett elektriskt programmerbart och raderbart minne.
B I B L I O T E K
Huvudkatalog GSM - katalog Telecomkatalog
(root-directory)
Identitetsnumret Interna telefonnumret
Abonnentens egna
visar: mellan mobil och bas- snabbnummer.
Operatör station. Textmeddelanden
Land Vilka GSM-nät som Aktuella och
Korttyp kan användas vid ackumulerade
Operatörens egna utlandsresor.
samtalskostnader
uppgifter Geografiskt läge vid senaste Spärrar, ex v
uppkoppling. förhindrande
Aktuella kanaler. av
utlandssamtal.
Krypteringsnyckel. Parametrar för
datakommunikation.
För att öka säkerheten i systemet kan abonnenten välja en s
kallad PIN-kod som måste knappas in för att göra abonnemanget
tillgängligt. (Personal Identification Number). Koden måste best
av minst 4 och max 8 siffror. Om abonnenten s vill, kan han när
som helst g in och ändra den. Om felaktig kod slås tre gånger i
rad, spärras hela kortet för vidare användning. Kortägaren kan d
använda sin andra 8-siffrors hemliga kod, den s kallade PUK-
koden (Personal Unblocking Key), för att återställa kortet. Ett
SIM kort kan innehålla tv stycken separata processorer, vilket
i praktiken innebär tv olika abonnemang p samma kort. En
tillämpning p detta kan vara ett abonnemang för personligt bruk
och ett för företaget.
3.2.2 Authentication och Kryptering
Under abonnemangstiden s tilldelas abonnenten en Subscriber
Authentication Key (Ki) tillsammans med IMSI. Nyckeln Ki lagras i
AUC tillsammans med IMSI och används av AUC för att räkna ut de
parametrar som behövs för authentication.
Följande steg används.
- Ett oförsägbart slumpvalt nummer RAND görs av AUC
- RAND och Ki används för att räkna ut Signed Response (SRES)
och krypteringsnyckeln Kc med hjälp av tv olika algoritmer.
- RAND, SRES och Kc överlämnas till HLR som en trippel.
- För varje abonnent kommer ett antal tripplar att lagras och
vid
efterfrågan skickas till VLR, vilken kommer att ha
åtminstone en oanvänd trippel tillgänglig för varje besökande
abonnent.
3.2.3 Authentication av abonnent identiteter
Abonnent identitets authentication är ett godkännande av
nätverksoperatören att den sända IMSI är den som hävdas. Syftet
är att skydda nätverket från obehörigt intrång och hindra
eventuella inkräktare som försöker framställa auktoriserade
användare.
Här ovan ser processen illustrerad.
Authentication kan vara applicerad vid varje registrering, varje
samtals uppkopplingsförsök, vid lokaliseringsuppdatering och
innan vilken annan tilläggs- tjänst som helst.
Authenticationen utförs med överförandet av RAND-värdet av
trippeln frn VLR till mobilstationen. Mobilstationen räknar ut
SRES med hjälp av samma Ki och algoritm som AUC. Signaturen SRES
returneras till MSC/VLR och testas för godkännande/avslag.
3.2.4 Kryptering för användardatans konfidentiellitet
Kryptering används för informationen som sänds mellan BTS och
mobilstationen. Syftet är att säkra det privata i användarens
information.
Från processen beskriven ovan erhålls en krypterings nyckel Kc.
Om processen är lyckosam s skiftar BTS och mobilstationen till
krypteringsläge med hjälp av denna nyckel. Från och med där all
information och användardata krypterad.
3.2.5 Definitiv utrustnings identifikation
Alla mobilstationer bär ett IMEI nummer som gör det möjligt för
operatören att säkerhetsställa att ingen stulen eller obehörig
utrustning används.MSC kräver utrustningsidentiteten från
mobilstationen och skickar det till EIR. EIR prövar giltigheten
och skickar godkännande eller avslag till MSC. EIR kan nås vid
varje samtalsuppkoppling.
3.2.6 Abonnentidentitetens konfidentiallitet
Hela mobilabonnentens identitet IMSI används inte normalt över
radiointerfacet.
I stället s används en TMSI som tilldelas abonnenten.
När en mobilstation kräver en systemprocedur, som till exempel
positions-uppdatering, samtalsförsök eller aktiverandet av en
tjänst, s tilldelar VLR mobilstationen en TMSI. Tilldelningen
görs i krypterat läge. När mobilstationen har fått TMSI sker all
signalering mellan nätverket och mobilstationen endast med TMSI.
D blir det i praktiken omöjligt att identifiera en specifik
mobil abonnent.
3.3 Interface och signalering
3.3.1 Fasta telefonväxelnätverk till CME 20
Signaleringen mellan en MSC i CME 20 och ett fast
telefonväxelnätverk eller datanätverk som Integrated Service
Digital Network (ISDN) är individuellt designade för att möta
kraven p växeln till vilken MSC är ansluten. Signaleringen är
baserad p CCITT Signalling System No. 7 (vanlig kanal
signalering).
MSC är integrerad i det fasta nätverket som en vanlig fast IDSN
växel. Den har, för samtalsuppkoppling, samma interface som den
fasta nätverksväxeln. Signaleringen sker enligt Signaling system
No. 7, Telephony User Part (TUP) eller ISDN User Part (ISUP).
För samtal från det fasta nätverket till en mobil abonnent s
kopplas samtalet till en gateway MSC, vilken utför förfrågan.
GSMC funktionen kan vara integrerad i en MSC eller placerad i
vilket ISDN växel som helst.
3.3.2 Signalering i Switching Systemet
Signaleringen inom SS är baserad p CCITT rekommendationer för
vanliga kanal signaleringssystem. Ett nytt omfattande
signaleringsschema har utvecklats för GSM nätverk. ETSI/GSM
Mobile Application Part (MAP) av CCITT Signaling System No. 7
används för att höja nivn p signaleringen mellan MSC och
lägesregisterna HLR och VLR och mellan MSC'er. Transportlagren är
utförda enligt Message Transfer Part (MTP) i CCITT Signaling
System No. 7.
Signaleringen mste operera internationellt mellan GSM nätverk
och läges register. Den här signaleringen är skild från
konventionell telefontrafik, eftersom GSM har introducerat nya
features som internationellt oberoende och authentication.
3.3.3 A och A-bis interfacet.
Signalering över A-interfacet, det vill säga mellan SS och BSS,
sker enligt ETSI/GSM Base Station System Application Part
(BSSAP) i CCITT Signaling System No. 7. Transportlagren är
utförda i överrensstämmelse med Message Transfer Part (MTP) i
CCITT Signaling System No. 7.
Signalering över A-bis interfacet, det vill säga mellan BSC och
BTS, är utfört som ett speciellt kanalsignaleringsschema för 64
kbit/s PCM kanaler. En av kanalerna används som
signaleringskanal, som bär signaleringsinformationen enligt det
GSM definierade Link Access Protocol on D-channel (LAPD)
protocol.
3.3.4 Radio interfacet
Signalering mellan basstationen och mobilstationen sker över
radiointerfacet (ibland även kallat UM interface). Signaleringen
använder en specifik GSM-system hierarki för protokol till OSI
niver 1, 2 och 3 enligt till Link Access Protocol on Dm-channel
(LAPDm). LAPDm protokollet stöder både oerkända och erkända
operationer.
Slutord.
Kommunikation utan gränser, kan det verkligen vara sant ? Den
snabba utvecklingen p den mobila telefonmarknaden under de
senaste ren, har nog överträffat alla förväntningar. En prognos
säger att det kommer att finnas över 20 miljoner
mobiltelefonanvändare ute i Europa i slutet av det här årtiondet.
Men kraven slutar inte där. Det kommer att finnas fler abonnenter
och kraven p utökade tjänster kommer att öka. Fram tills nu, när
systemet redan är igång har inga brister redovisats. Men nu har
både AUDI/Volkswagen och Volvo gtt ut med varningar till sina
kunder. En GSM-telefon som används utan utvändigt monterad
antenn, kan innebära en säkerhetsrisk. Risken finns att den
skulle kunna slut elektroniken i bilen och att ABS-bromsarna
skulle kunna lsas eller att Airbagen skulle lösas ut helt
plötsligt. S om man använder en GSM-telefon i bilen bör man
skaffa sig en antenn att sätta utvändigt.
Även hörselskadade som använder hörapparat har klagat p GSM-
telefonerna. Hörapparaten störs nämligen ut av GSM-telefonens
digitala signaler och stakommer ett pipande ljud i örat. Det
finns som sagt var brister i systemet.
Jag tror i alla fall att i det långa loppet kommer de cellulära
systemen som använder digital teknik att bli den enda och rätta
vägen för kommunikation. Åtminstone om de erbjuder de fördelar
och de tjänster som utlovats. Televerket och Ericsson har inte
samma brinnande intresse som konkurrenterna att GSM snabbt ska
bli ett heltäckande telenät. Kan det bero p att de redan har NMT
systemet i gång ? Där har man för tillfället ca 600 000 svenska
abonnenter. Först om ca 3 r anser televerket att GSM är ett
likvärdigt alternativ med NMT. Fram till dess kommer man att
marknadsföra GSM som ett komplement till NMT.
Källförteckning:
Ericsson Radio Systems System description, broschyrer mm
Ny teknik Teknisktidskrift 1992:38
och 1993:10
Tele Teleteknisktidning 1990:1
Televerket Prospekt, reklam mm.