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.