Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS

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Mobilitätsmanagement in
GSM, GPRS und UMTS
Ruedi Arnold
Inhalt – Ablauf
1. Einführung – Generationen
2. GSM (Global System for Mobile Communication)
- Architektur
- Zellen
- Handover
- Lokalisierung
3. GPRS (General Packet Radio Service)
- Architektur
- Session
- Routing (IP)
- Qualität
4. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
- Architektur
- Facts / Ziele
- UTRAN
- Zellhierarchie
5. Schlussbemerkungen
2
Ziele des Vortrages
• Eine Übersicht über einige wichtige
Mobiltechnologien
– Motivation und Einsatz
• Verständnis für das Mobilitätsmanagement
und für Probleme der Mobilkommunikation
(z.B. Lokalisierung, Handover)
• Möglichkeiten der Zukunft der mobilen
Kommunikation skizzieren
• zeitlich nicht zu lange werden... ;-)
– Warnung: 47 Folien (und einige Extra...)
3
Kein Ziel des Vortrages
• Das Gebiet GSM, GPRS und UMTS ist riesig!!!
– Es gäbe sehr viele Aspekte und Details
• Mein Ziel hier ist ein grober Überblick über das
Mobilitätsmanagement und die dazu nötigen
(technischen) Grundlagen zu geben
• vereinfachte Skizzen und Darstellungen!
Es ist nicht mein Ziel, allzu technisch
auf GSM usw. einzugehen.
4
Generationen
• Mobilkommunikation: verschiedene
Generationen von Mobil- Technologien
• UMTS: dritte Generation mobiler
Kommunikationssysteme
– Frage: Generationen davor?
• Zum Einstieg (historischer) Überblick
5
1. Generation – analog
Merkmale
Zeitrahmen
Vertreter
analoges System
1958: A-Netz
(D)
C-Netz (D)
primär für Sprache
konzipiert
viele verschiedene
Standards (80er: 7
inkompatible in Europa! –
nationale Beschränkung)
AMPS (Advanced
1983: AMPS
Mobile Phone Service)
1981: NMT
NMT (Nordic Mobile
Telephone)
1998: USA immer noch
über 80%
AMPS
6
2. Generation – digital
Merkmale (GSM)
Zeitrahmen
Vertreter
digitales System
1982: Groupe
Spéciale
Mobile
GSM (Global System
for Mobile
Communications)
1991: erste
GSM Netze
IS-95 CDMA / IS-136
TDMA (USA)
2001: (in
Europa) stark
verbreitet!
PDC (Personal Digital
Cellular, Japan) [vgl:
Vortrag iMode!]
verbindungsorientiert
ISDN – und analog
Telefonie kompatibel
einheitlicher Standard
(Europa)
7
2.5 Generation – GSM+
Merkmale
Zeitrahmen
Vertreter
Verbesserung &
Erweiterung GSM
2001: HSCSD
verfügbar in
CH
HSCSD (High Speed
Circuit Switched
Data)
2001: GPRS
teilweise
verfügbar
(diAx)
GPRS (General
Packet Radio Service)
HSCSD: parallel
mehrere GSM
Verbindungen
GPRS: packet-service
auf GSM Basis
EDGE: ?
EDGE (Enhanced
Data Rates for GSM
Evolution)
EDGE: höhere Bandbreite
durch bessere Codierung
(8PSK vs GMSK)
8
3. Generation – UMTS
Merkmale
Zeitrahmen
Vertreter
digitales System
1992:
Frequenzen
festgelegt.
Universal
Mobile
Telecommunications
System
verbindungs- UND
packet-orientiert
weltweit einheitlich
Transport
multimedialer Daten
1998: 3GPP
(Third Generation
Partnership Project)
2001:
Testnetze
kommerziell
geplant für
2002
9
Inhalt – Ablauf
- Architektur
- Zellen
- Handover
- Lokalisierung
- Architektur
- Session
- Routing (IP)
- Qualität
- Architektur
- Facts / Ziele
- UTRAN
- Zellhierarchie
10
GSM – Facts I
• Kommunikation:
– Mobile Kommunikationsmöglichkeit über einen
verbindungsorientierten Funkweg
– Unterstützung für Sprach- und Datendienste (bis 9.6 kbit/s)
– komplexe Rahmenstruktur (TDMA)
– getrennte Daten- und Kontrollkanäle
Detail: SMS auf Kontrollkanal
11
GSM – Facts II
• Erreichbarkeit:
– Grenzübergreifend unter gleicher Rufnummer (Roaming)
– Netz übernimmt Lokalisierungs-Aufgaben transparent
• Sicherheitsmaßnahmen:
– Zugangskontrolle durch Einsatz von Chipkarte und PIN
– Verschlüsselte Übertragung von Daten
• hohe Komplexität des Systems
– Draft des Standards: mehr als 5000 Seiten!!!
12
GSM – FDMA / TDMA
124 Kanäle mit je 200 kHz
Abwärtsrichtung
Fr
eq
ue
nz
be
re
ic
h
935-960 MHz
Aufwärtsrichtung
Höhere GSM-Rahmenstrukturen
890-915 MHz
Zeitbereich
GSM-TDMA-Rahmen
1
2
3
4
5
6
7
8
4,615 ms
GSM-Zeitschlitz
SchutzTail
zeit
3
Nutzdaten S Training S Nutzdaten
57
1
26
1
57
Tail
3
Schutzzeit
bit
546,5 µs
577 µs
13
GSM – Funksubsystem (RSS)
MS
SIM
BSC
MS
SIM
BSC
BTS
MS
SIM
MS
SIM
BTS
BTS
BTS
BTS
Das Radio Subsystem (RSS) besteht aus:
• BSC
• BTS
Base Station Controler
Base Transceiver Station
• MS
• SIM
Mobile Station
Subscriber Identity Module
14
GSM – Netz und Betrieb
HLR
VLR
GMSC
MSC
BSC
MSC
VLR
BSC
Festnetz
BSC
Verbindung zum
Funk Subsystem
Das Netzwerk Subsystem und das Betriebs- und
Wartungs-Subsystem bestehen aus:
• MSC
• GMSC
Mobile Services Switching Center
Gateway MSC
• VLR
• HLR
Visitor Location Register
Home Location Register
15
GSM – Architektur
Netzwerk
Subsystem /
Betreib- und
WartungsSubsystem
HLR
VLR
GMSC
MSC
VLR
Festnetz
MSC
MS
SIM
MS
SIM
BSC
Funksubsystem
(RSS) /
Mobile Station
BSC
BTS
MS
SIM
BTS
MS
SIM
BTS
BTS
BTS
16
GSM – Warum Zellen?
• Wieso gibt es nicht „weltweite Funkgeräte“?
• Lokalität (Zellen) hat viele Vorteile/Gründe:
– mehr Benutzer möglich (Frequenzen sind
beschränkt – Wiederverwendung!)
– weniger Interferenz
– Mobilstation braucht weniger (Sende-) Energie
17
GSM – Kennungen
Kennungen für Lokalisierung und Verbindungsaufbau :
• MSISDN (Mobile Subscriber ISDN):
– hierarchische Telefonnummer
– gebunden an SIM, NICHT an MS
– identifiziert HLR
• IMSI (International Mobile Subscriber Identity):
– GSM interne eindeutige Kennzeichnung
• TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity):
– Identität nicht preisgeben: TMSI statt IMSI verwenden
– periodische gewechselt vom VLR
• MSRN (Mobile Station Roaming Number):
– ähnlich wie MSISDN
– im HLR abgelegt
– identifiziert aktuelles MSC/VLR
18
GSM – VLR / HLR
• Home Location Register:
–
–
–
–
1 x pro MS
wichtigste Datenbank in GSM
Identifikation durch MSISDN
speichert alle Teilnehmer Daten:
-
MSISDN
freigeschaltete Dienste
Authentifizierungsdaten
aktueller Aufenthaltsort (MSRN)
• Visitor Location Register:
–
–
–
–
–
1 x pro MSC
Daten aller MS im Einzugsbereich der MSC
häufige Aktualisierung durch neu auftretende Handys
Hierarchisierung des HLR! – updates!!!
Identifikation durch MSRN
19
GSM – Anruf zur MS
1: Ruf eines GSM Teilnehmers
(MSISDN)
2: Weiterleitung zum GMSC
3: Verbindungsaufbaunachricht
zum HLR
4: Anfrage der Mobile
Station Roaming Number
(MSRN) vom VLR
5: Ortsangabe: derzeitiges
MSC zum GMSC
6: Anrufweiterleitung zum
derzeitigen MSC
7, 8: Request IMSI, TMSI
9, 10: Ruf der MS (Paging)
11, 12: MS antwortet
HLR
4
VLR
3 5
Festnetz
2
GMSC
9
1
rufende
Station
7
6
8
MSC
12
9
9
RSS
RSS
RSS
10
10
10
11
MS
20
GSM – Handover
Handover = aktive Netzverbindung beim
Wechsel des Netzzugangspunktes
transparent weiterreichen
4 Arten des Handovers
Gründe für ein
Handover:
1
MS
BTS
• Bewegung der MS – Zellenwechsel [2,3,4]
• Lastverumverteilung [2,3,4]
• Frequenzstörung [1]
2
3
4
MS
MS
MS
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
BSC
MSC
MSC
21
GSM – Wann Handover?
Empfangssignalstärke
MS und BTS schicken sich
periodisch Messungen der
Qualität in Auf- und
Abwärtsrichtung!
BTSneu
BTSalt
BSC beobachtet und legt unter
Verwendung eines HystereseSchwellwertes den Zeitpunkt eines
Handovers fest
Benutzer soll den HandoverVorgang nicht bemerken
⇒Transparenz!
HO_MARGIN
MS
Bewegung
BTSalt
MS
BTSneu
Umschaltpunkt
22
GSM – Registrierung
•
Was passiert, wenn ein Handy neu eingeschaltet
wird? (Wenn in der MS keine TMSI vorhanden ist.)
1. MS ermittelt Frequenz des Trägers mit stärkster Leistung
2. MS schickt diesem MSC/VLR „Location updating request“
3. HLR Eintrag wird erneuert (neues VLR eintragen)
4. HLR löscht Eintrag im alten VLR
5. Eintrag Nutzerdaten im neuen VLR (Kopie vom HLR zum VLR)
6. MS erhält „accept“-Nachricht und neue TMSI (verschlüsselt)
23
GSM – Aktualisierung
Aktualisierung =
Prozess der „Verfolgung“ der
aktuellen Position einer MS.
• BTS sendet periodisch Identifikation seines BSC-Gebietes
(LA = Location Area) aus
• Registrierung und Aktualisierung besitzen einen nahezu
identischen Ablauf
• Aktualisierung wird auch zur Wiederherstellung gebraucht.
(HLR-VLR Daten/ Funkverbindung)
Dem GSM-Netz ist Position von eingeschaltetem
Handy jederzeit bekannt!
24
Lokalisierung: Trade off
Aktualisierung
Paging
Lokalisierung
Genaue Lokalisierung – viel Aktualisierungs-Verkehr – kleine Paging Area
vs
Grobe Lokalisierung – wenig Aktualisierungs-Verkehr – grosse Paging Area
25
GSM – Schlussbemerkung
• GSM ist ein sehr umfangreicher Standard
– sehr viele funktionale Einheiten und Dienste definiert
• auf Sprachdienste optimiert
• weniger geeignet für Datendienste (http, ftp...)
– geringe Bandbreite
– verbindungsorientiert (Leitung bezahlen)
– gleiche Kapazität auf- und ab-Richtung
• Beispiel für einen erfolgreichen Standard
26
Inhalt – Ablauf
- Architektur
- Zellen
- Handover
- Lokalisierung
- Architektur
- Session
- Routing (IP)
- Qualität
- Architektur
- Facts / Ziele
- UTRAN
- Zellhierarchie
27
GPRS – Facts
• Erweiterung des GSM Netzes
• paketorientierter Datendienst
– Belegung der Zeitschlitze nur wenn Daten vorhanden
(z.B. max. 115 kbit/s bei kurzfristiger Belegung von 8 slots)
• Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexibler
– asynchroner Daten-Verkehr: verschiedene Anzahl
slots in auf- und ab-Richtung
Web Applikationen
– Datenabhängige Bezahlung vs feste Verbindung (GSM)
– Verschiedene Stufen der Dienst-Qualität
• Nachteil: mehr Investitionen (neue HW!)
28
GPRS – slots
Abwärtsrichtung
Fr
eq
ue
nz
be
re
ic
h
935-960 MHz
Aufwärtsrichtung
Höhere GSM-Rahmenstrukturen
890-915 MHz
Zeitbereich
GSM-TDMA-Rahmen
1
2
3
4
5
6
7
8
4,615 ms
GSM-Zeitschlitz
SchutzTail
zeit
3
Nutzdaten S Training S Nutzdaten
57
1
26
1
57
Tail
3
Schutzzeit
bit
546,5 µs
577 µs
29
GPRS – Architektur
Internet
HLR/
GR
GGSN
GMSC
Festnetz
VLR
SGSN
MSC
VLR
SGSN
GR
GPRS Register
SGSN
Serving GPRS
Support Node
MSC
MS
SIM
BSC
MS
SIM
BSC
BTS
MS
SIM
MS
SIM
BTS
BTS
GGSN
Gateway GPRS
Support Node
BTS
BTS
30
GPRS – SGSN
• SGSN (Serving GPRS Support Node)
– Unterstützung der MS (Location, Abrechnung, Sicherheit)
– Attach / Detach Prozedur
– Kennt Location/ VLR sowie die IMSI der MS
– Entspricht in der Hierarchie in etwa MSC in GSM
31
GPRS – GR & GGSN
• GR (GPRS Register) = Erweiterung beim HLR
– speichert alle GPRS-relevanten Daten
aktueller SGSN
GPRS-Benutzeradressen
• GGSN (Gateway GPRS Support Node)
– Bidirektionale Konvertierung zwischen GPRS und Paket Daten
Netzwerk (Internet)
– Kennt aktuellen SGSN eines Users
32
GPRS – attach / detach
attach = Registrierung der MS bei einem SGSN
• ähnlicher Vorgang wie Registrierung in GSM
– aber grundsätzlich unabhängig von GSM Verbindungsaufbau / Registrierung
• attach muss vor Benutzung von GPRS Diensten geschehen
• Falls Benutzer autorisiert werden Daten vom HLR zum SGSN
kopiert und MS bekommt eine PTMSI (Packet Temporary Mobile
Subscriber Identity)
• detach: Loslösung vom GPRS Netz
– Ausgelöst von MS oder Netz (SGSN oder HLR)
33
GPRS – Sessions
• Nach erfolgreichem attach: MS kann bei SGSN PDP
(Packet Data Control, typischerweise IP) Adresse(n)
beantragen
• Zustandsdaten einer Session: PDP context
– Sichtbarkeit im Paketnetz (z.B. Internet)
• PDP context:
–
–
–
–
Adress-Typ (z.B. IPv4)
die PDP Adresse von MS und GGSN
verlangte QoS
gespeichert in MS, GGSN und SGSN
34
GPRS – Routing
PC
Internet
HLR/
GR
GGSN
VLR
SGSN
MSC
SGSN
BSC
• IP Paket von Internet-PC zu
MS routen
MS
BTS
35
GPRS – Lokalisierung
Mobilitätsmanagement (MM) geschieht auf 2 Stufen:
• Mikro MM
– verfolgt aktuelle Routing Area oder Zelle der MS
MS sendet „routing Area request“
ähnlich zu Aktualisierung in GSM
– SGSN ist zuständig
– keine Änderung in HLR oder GGSN
• Makro MM
– verfolgt aktuelle SGSN
– gespeichert in HLR, VLR und GGSN
36
GPRS – Qualität
Reliability
class
Lost packet
Duplicated
packet
1
2
3
10-9
10-4
10-2
10-9
10-5
10-5
Delay
class
1
2
3
4
Out of
sequence
packet
10-9
10-5
10-5
Corrupted
packet
10-9
10-6
10-2
128 byte packet
1024 byte packet
mean
95 percentile
mean
95 percentile
< 0.5 s
< 1.5 s
<2s
<7s
<5s
< 25 s
< 15 s
< 75 s
< 50 s
< 250 s
< 75 s
< 375 s
unspecified
37
GPRS – Zusammenfassung
• GPRS erweitert GSM
– paket-orientierter Datendienst
• auf Datendienste optimiert
– asynchron auf- und ab-Richtung
– Internet Anwendungen
– Qualitätsstufen
• Mikro- und Makro-Mobilitätsmanagement
• Schritt in der Evolution hin zu UMTS!
• neue Chance für WAP in Europa?
38
Inhalt – Ablauf
- Architektur
- Zellen
- Handover
- Lokalisierung
- Architektur
- Session
- Routing (IP)
- Qualität
- Architektur
- Facts / Ziele
- UTRAN
- Zellhierarchie
39
UMTS – Ziele / Facts
• weltweiter Standard (SOLL)
• diverse Sprach- und Datendienste (bis 2Mbit/s)
• Voll Internet kompatibel
• paket- und verbindungsorientiert
• Mobilitätsmanagement wie in GSM/GPRS
• Frequenzbereich 1900-2170 MHz
– Lizenzen wurden versteigert
• komplexe Rahmenstrukturen
40
UMTS – Architektur
Paket-Bereich
GSM
RSS
„GPRS“
E-SGSN
E-GGSN
Internet
„GSM“
MS
HLR
UTRAN
E-MSC
E-GMSC
Telefon
Festnetz /
ISDN
Verbindungs-Bereich
UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)
41
UMTS – UTRAN / CDMA
• UMTS Terrestrial Radio Access
– Mobilitätsverwaltung
– enthält mehrere Funksubsysteme
• Code Division Multiple Access
– soft Handover = asynchroner Handover
– Menge von aktiven Stationen „active set“ pro MS
verschiedene Spreading-Codes
42
UMTS – Zellhierarchie
• viele verschiedene Zellentypen
- Pikozellen
- Minizellen
- Megazellen
- Nanozellen
- Makrozellen
- Satellitenzellen
• verschiedene Anforderungen
– Datenraten
– max. Bewegungsgeschwindigkeit
• auch überlappend
– neue Probleme! (z.B. Handover)
43
UMTS – Datenraten
• bis 2Mbit/s in Gebäuden
• min. 144 kbit/s für weiträumige Bereiche
– bei hohen relativen Geschwindigkeiten
• Satelliten nötig für flächendeckende Erreichbarkeit!
– Welche Technologien?
– Wann kommerziell?
– Erfahrungen S-GSM (Iridium, Globalstar)
44
UMTS – Schlusswort
• diverseste Standards / Technologien / Dienste
-
GSM
verbindungsorientiert
Zelltypen
CDMA vs TDMA
-
UTRAN
Paketdienst
Satelliten
soft Handover
• UMTS – Evolution
• Was wird sich durchsetzen & etablieren?
45
Mobiltechnologie – Zellen
• Konzept „Zellen“ hat viele Konsequenzen!
• Zellwechel
– Handover (aktive Verbindung)
– Lokalisierung
Genauigkeit: Trade off (paging vs update)
– Roaming (anderer Anbieter)
• Hierarchien
– Wo ist welche Information gespeichert?
– Wer muss wann was wissen?
– generierter Netzverkehr
46
Ziele des Vortrages
• Eine Übersicht über einige wichtige
Mobiltechnologien
– Motivation und Einsatz
• Verständnis für das Mobilitätsmanagement
und für Probleme der Mobilkommunikation
(z.B. Lokalisierung, Handover)
• Möglichkeiten der Zukunft der mobilen
Kommunikation skizzieren
• zeitlich nicht zu lange werden???
– Warnung: 47 Folien (und einige Extra...)
47
Haupt-Referenzen
•
Jochen Schiller: „Mobilkommunikation – Techniken für das allgegenwärtige
Internet“, vor allem Kapitel 4. Addison-Wesley 2000.
online: http://www.inf.fu-berlin.de/inst/ag-tech/mobile_communications.htm
(Als Vorlage für die Illustrationen!)
•
Thomas Ziegert: „Nutzung von Verhaltensmustern zur Lokalisierung mobiler
Objekte“, Kapitel 2. In „Fortschritt-Berichte VDI“, Reihe 10 Nr. 651. VDI Verlag.
•
Chrisian Bettstetter et al: „GSM Phase 2+ General Packet Radio Services GPRS:
Architecture, Protocols, and Air Interface“, IEEE Communications Surveys, Third
Quarter 1999, vol. 2 no. 3.
•
Josef F. Huber et al: „UMTS, the Mobile Multimedia Vision for IMT-2000: A
Focus on Standardization“, IEEE Communications Magazine, September 2000.
48
GSM Architektur
MSC
HLR
Mobile Services
Switching Center
GMSC
Gateway MSC
VLR
MSC
VLR
Visitor Location Register
HLR
Home Location Register
BSC
BSC
Base Station Controler
BTS
MS
Base Transceiver Station
SIM
SIM
Subscriber Identity
BTS
GMSC
VLR
Festnetz
MSC
MS
SIM
BSC
MS
SIM
BTS
MS
SIM
BTS
BTS
BTS
49
GPRS – Architektur
Internet
HLR/
GR
GGSN
GMSC
Festnetz
VLR
SGSN
MSC
VLR
SGSN
GR
GPRS Register
SGSN
Serving GPRS
Support Node
MSC
MS
SIM
BSC
MS
SIM
BSC
BTS
MS
SIM
MS
SIM
BTS
BTS
GGSN
Gateway GPRS
Support Node
BTS
BTS
50
GSM – Rahmenhierarchie
0
1
2
hyperframe
...
2045 2046 2047 3 h 28 min 53,76 s
superframe
0
1
0
2
1
0
48
...
49
24
50
6,12 s
25
multiframe
1
...
0
0
...
1
1
24
2
...
frame
...
120 ms
25
48
6
49
7
50
235,4 ms
4,615 ms
slot
burst
577 µs
51
GSM – Handover-Prozedur
MS
BTSalt
Messbericht
MSC
BSCalt
BSCneu
BTSneu
Messbericht
HO-Entscheidung
HO required
HO request
Ressourcenreservierung
ch. activation
HO command
HO command
HO command
HO request ack ch. activation ack
HO access
Link establishment
clear command
clear command
clear complete
clear complete
HO complete
HO complete
52
GSM – Netzelemente
Funkzelle
MS
BSS
MS
Um
Funkzelle
MS
BTS
RSS
BTS
Abis
BSC
BSC
A
MSC
NSS
MSC
VLR
VLR
HLR
GMSC
IWF
O
OSS
EIR
AUC
Signalisierung
ISDN, PSTN
PDN
OMC
53
IMT-2000 Familie
UMTS
Schnittstelle
zum Übergang zwischen Netzwerken
IMT-2000
Core Network
ITU-T
GSM
(MAP)
ANSI-41
(IS-634)
IP-Netze
freie Zuordnung von
Core Network zu Radio Access
IMT-2000
Radio Access
ITU-R
IMT-DS
IMT-TC
IMT-MC
IMT-SC
IMT-FT
(Direct Spread)
(Time Code)
(Multi Carrier)
(Single Carrier)
(Freq. Time)
UTRA FDD
(WCDMA)
3GPP
UTRA TDD
(TD-CDMA)
3GPP
cdma2000
UWC-136
(EDGE)
UWCC/3GPP
DECT
3GPP2
ETSI
54

Mobilitätsmanagement in GSM, GPRS und UMTS

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