1Beini komunikacioni sistemi Predavanje 2

GSM/GPRS/EDGE/3G/HSPA/LTE/IMS

Dr. Dejan Drajic

2Pregled postojeih javnih mobilnih sistema

UVOD 2G GSM sistem 2.5G GPRS 2.75G EDGE 3G i HSPA sistemi LTE sistem IMS sistemi

3Pregled postojeih mobilnih sistema-Mobilni sistemi Prve Generacije 1G 1981, NMT 450 Nordic Mobile Telephony,

Evropa i Bliski Istok 1983, AMPS Advanced Mobile Phone System,

Amerika / u Japanu je NEC razvio AMPS varijantu

1985, TACS Total Access Communications System, Evropa (Velika Britranija) i Kina

1986, NMT 900 Nordic Mobile Telephony, Evropa i Bliski Istok

4Pregled postojeih mobilnih sistema-Mobilni sistemi Prve Generacije 1G Sistemi prve generacije imali su dosta

nedostataka kao to su: skromne karakteristike u pogledu performansi

analognih sistema, kvaliteta signala, mali kapacitet, nekompatibilnost izmeu pojedinih sistema u

razliitim zemljama itd. ubrzani razvoj doveo je poetkom devedesetih

godina do razvoja sistema mobilne telefonije druge generacije

5Pregled postojeih mobilnih sistema-Mobilni sistemi Druge Generacije 2G

1991, GSM Global System for Mobile communication, irom sveta

1991, D AMPS (IS-136) Digital Advanced Mobile Phone System, Amerika

1992, GSM 1800 Global System for Mobile communication, irom sveta

1994, PDC Personal Digital Cellular, Japan 1995, IS-95 cdmaOne koji odgovara IS-95

standardu u Severnoj Americi. Ova tehnologija se uglavnom koristi u Azijsko-Pacifikom regionu, Severnoj i Junoj Americi;

6Tehnike viestrukog pristupa

7Frekvencijski opseg

8Problemi pri prenosu signala Problemi pri prenosu signala javljaju se nezavisno jedan od

drugoga Meutim pri veini poziva javie se upravo istovremeno

9GSM proces prenosa signala

10

elijski koncept mobilnih sistema

11

Frekvencijsko planiranje Parametri na osnovu kojih se odreuje

viestruko korienje frekvencija su: R - radijus elije, N - broj elija u obliku koji se ponavlja naziva

se faktor viestrukog korienja. Svaka elijau obliku ima svoj frekvencijski opseg,

D - minimalno rastojanje izmeu centaraelija koje koriste isti frekvencijski opseg(nazivaju se ko-kanali), pri emu je

NRD 3

12

Realni izgled elija

13

Handover- U GSM sistemu hendover je realizovan na nain da mobilna stanica prekida komunikaciju sa baznom stanicom, i nakon kratkog prekidauspostavlja komunikaciju sa drugom baznom stanicom-Ovakva realizacija hendovera se u stranoj literaturi naziva koncept prekida pre uspostave (break before make concept) ili tvrdi hendover (hard handover).

14

Arhitektura GSMa

15

Arhitektura GSMa

GSM mrea se sastoji od tri osnovna podsistema: Radio podsistem (Radio SubSystem - RSS) Mreni Komutacioni podsistem (Network and

Switching Subsystem - NSS) Operacioni podsistem upravljanja (Operation

Management Subsystem - OMS)

16

17

Arhitektura GSM mree

BTS Base Transceiver Station BSC Base Station Controller MSC Mobile Switching Center VLR Visiting Location Register HLR Home Location Register SMSC SMS Center OSS Operation & maintenance SubSystem

18

Radio podsistem (RSS)

Radio podsistem ine: Mobilne stanice (Mobile Station - MS) Podsistem baznih stanica (Base Station

Subsystem - BSS) MS i BSS komuniciraju preko Um radio interfejsa

(radio linka)

19

Mobilna Stanica Mobilna stanica (MS) je poetna

taka mobilne mree, i u GSM mrei predstavlja mobilniterminal (MT), tj. GSM mobilnitelefon i SIM karticu (Subscriber Identity Module).

MS moe da obuhvati i terminalnu opremu (TE), PC ilipersonalni digitalni asistent(PDA), ili da bude implementirankao dva interkonektovana fizikaureaja (MT i TE) sa taka-takainterfejsom, ili kao jedan ureajsa integrisanim funkcijama.

20

SIM Jedna od glavnih karakteristika GSM standard je

SIM kartica SIM kartica sadri podatke o pretplatniku i mora biti

ubaena u mobilni ureaj da bi bila mogua komunikacija sa mreom (izuzetak su hitni pozivi)

SIM kartica na sebi uva sledee tipove podataka Fiksne podatke o korisniku, tj. IMSI, klju za autentifikaciju,

i algoritme sigurnosti Privremene podatke mree, kao to je npr privremena

lokacija korisnika i zabranjene PLMN mree Servisne podatke, kao to je npr preferirani jezik

komunikacije

21

Podsistem baznih stanica

BSS obavlja sve neophodne funkcije vezane zamonitoring radio veze sa MS-om, kodovanje /dekodovanje govora, adaptaciju brzine od i ka beinoj mrei.

Podsistem baznih stanica (BSS), se sastoji od baznih stanica (BTS) koje kontrolie odgovarajui kontrolerbaznih stanica (BSC).

Svaka bazna stanica se sastoji od predajnika, prijemnika (primopredajnik BTS) i upravljake jedinice.Sa aspekta servisa jednu eliju opsluuje jedna baznastanica.

22

Bazna stanica (Primopredajnik baznestanice) Prilikom uspostavljanja veze MS alje zahtev za

uspostavljanjem poziva baznoj stanici, tj. primopredajnikubazne stanice (Base Tranceiver Station - BTS)

BTS je zaduen za uspostavljanje radio veze sa MS i modulaciju/demodulaciju radio signala izmeu MS i BTS.

23

Bazna stanica BTS ukljuuje svu radio opremu potrebnu za radio prenos

unutar elije antene ureaje za obradu signala, Pojaavae

BTS vri sledea procesiranja signala ifrovanje Kanalno kodovanje i interliving Modulacija, demodulacija Adaptivna ekvalizacija

BTS moe da se sastoji od jednog ili vie primopredajnika.

24

Kontroler baznih stanica

BSC kontrolie bazne stanice u sistemu i na osnovu informacija o saobraaju, obezbeujeoptimalno korienje mrenih resursa

Ove informacije se koriste za osiguravanje ravnomeranog protoka saobraaja u elijama.

Jedan BSC moe da kontrolie vie BTS i nekoliko ureaja za prekodovanje i adaptaciju bitske brzine - TRAU (Transcoder and Rate Adaptation Unit).

U sistemu moe postojati vie BSC-ova

25

Kontroler baznih stanica

Obavlja sve funkcije vezano za upravljanje radio resursima (dodele signalizacionih i saobraajnih kanala)

Obavlja sve funkcije vezane za odravanje kvaliteta veze (algoritmi kontrole snage, hendoveri)

Prikuplja statistike podatke o raznim vrstama dogaaja u mrei Broj pokuaja uspostave poziva (Call attempt) Kontrola zaguenje u mrei Broj handovera Broj prekinutih razgovora (Drop Calls)

26

Kontroler baznih stanica Obavlja razne vrste merenja koje su

neophodne za optimizaciju radio mree Prilikom uspostave poziva obavlja

Pejdzing MS Uspostavljanje signalizacije sa MS Dodeljivanje kanala za saobraaj

Za vreme trajanja poziva obavlja Kontrolu snage MS i BTSa Handover Frekvencijsko skakanje

27

Kontroler baznih stanica

Ureaj za prekodovanje i adaptaciju bitske brzine (TRAU). TRAU je ureaj u kome se vri kodovanje i dekodovanje, kao i adaptacija brzine protoka bita. TRAU ima dve osnovne funkcionalne jedinice: Transkoder (TransCoder - TC) za prekodovanje/kompresiju govora Adapter protoka bita (Rate Adaption - RA)

28

Mreni Komutacioni podsistem (NSS)

Mreni komutacioni podsistem (NSS) predstavlja jezgro(core) GSM sistema. NSS povezuje GSM mreu sa standardnim fiksnim i drugim mreama.

NSS je odgovoran za ostvarivanje poziva izmeurazliitih BSS, i za servise kao to su naplata i roaming.

Elementi mree komutacionog podsistema, su: Mobilni komutacioni centar (MSC) Matini registar lokacija (Home Location Register - HLR) Registar lokacija posetilaca (Visitor Location Register -

VLR) Centar za autentifikaciju (Authentication Center - AuC) Registar identiteta opreme (Equipemnt Identity Register -

EIR)

29

Mobilni komutacioni centar (MSC) Komutacija i rutiranje poziva.

MSC kontrolie uspostavljanje veze, odrava vezu i komunicira sa drugim nodovima u cilju uspenog uspostavljanja veze.

Mobilni komutacioni centar (MSC) je digitalni ISDN komutator

MSC moe da komutira pozive kako ka drugim mobilnim mreama tako i ka PSTN.

MSC sadri informacije o: usmeravanju saobraaja, upravljanju osnovnim i dodatnim servisima, opsluvanju SMSova, administriranju elija i odgovarajuih lokacija.

30

Mobilni komutacioni centar (MSC) MSC sadri funkcije za naplatu poziva. Tokom poziva on

prikuplja podatke vezane za naplatu, i uva ih i formatira posle poziva. Te informacije se kasnije alju centru za naplatu

MSC komunicira sa HLRom, primarno u toku uspostave poziva ka MS, kada HLR zahteva informacije za rutiranje od MSCa

Komunicira s VLRom koji mu je pridruen tokom uspostave poziva (pretplatniki podaci)

U sluaju handovera komunicira sa drugim MSCom MSC moe biti povezan sa veim brojem BSCova. MSC moe ponuditi uslugu ISDN PRA (Primarna brzina

pristupa) omoguavajui time servis PABX konekcije (kune centrale)

31

Registar lokacija posetilaca (VLR)

Registar lokacija posetilaca (VLR) je baza podataka koja privremeno uva informacije o mobilnim stanicama aktivnim u geografskoj oblasti za koju je VLR/MSC zaduen.

U sluaju roaminga, VLR iz HLR kopira podatke o novom pretplatniku u svoju lokalnu bazu podataka.

Na ovaj nain se izbegava esto osveavanje informacija u HLR bazi podataka, smanjuje se broj signalizacionih poruka za udaljene korisnike, a samim tim i ubrzava pristup informacijama o korisniku.

32

Registar lokacija posetilaca (VLR)

Za svo vreme trajanja boravka MSe u okvirujedne MSC zone, VLR sadri kompletnu kopiju svih neophodnih podataka o pretplatniku Identifikacione brojeve korisnika Informacije o dodatnim servisima (npr.

Preusmeravanja poziva) Stanje MS (aktivan, neaktivan) Trenutnu lokaciju MS

33

Gateway MSC

Gateway funkcionalnost omoguava MSCu da komunicira sa HLRom u cilju rutiranja dolazeeg poziva

U sluaju kada PSTN korisnik zove mobilnog, tada PSTN centrala komunicira mobilnu preko GMSCa

GMSC onda zahteva od HLR informacije o rutiranju, tj. ka kom MSCu da se izvri rutiranje poziva

Ista procedura se obavlja i u sluaju kada MS zove MS

34

Registar lokacija (HLR)

Matini registar lokacija (HLR) je centralna baza podataka za sve korisnike ragistrovane u GSM mrei u kojoj se uvaju podaci svih pretplatnika jednog mobilnog operatera.

HLR uva statike informacije o pretplatnicima kao to su: meunarodni identitet mobilnog pretplatnika (International

Mobile Subscriber Identity - IMSI), pretplatnike servise, kao i kljueve za autentifikaciju pretplatnika.

HLR uva i dinamike informacije o pretplatniku (npr. trenutnu lokaciju mobilnog pretplatnika).

35

Osnovne funkcije (HLR)

Upravljanje bazom pretplatnika. Kao baza HLR mora da bude u stanju da brzo procesira podatke kao odgovor na zahteve za iitavanje podataka i osveavanje baze (update)

Komunikacija sa MSCom (prilikom uspostave poziva HLR kontaktira MSC koji opsluuje MS da bi dobio podatke o rutiranju)

Komunikacija sa GMSCom Komunikacija sa VLRom (kada MS ode u zonu

pokrivanja drugog MSCa VLR zahteva podatke o tom korisniku). HLR alje kopiju podataka o korisnku VLRu, osveava lokaciju MS, i daje komandu za brisanje starih podataka u starom VLRu

36

HLR-VLR komunikacija

37

AuC i EIR PLMN zahteva vei nivo zatite nego tradicionalne

komunikacionie mree Usled toga u GSMu se koriste sledee funkcije za

zatitu Autentifikacija korisnika. ifrovanje radio infomacija (informacije izmeu MS i mree

su ifrovane). Identifikacija mobilne opreme. Usled toga to su u GSM

oprema i pretplatnik razdvojeni, neophodna je posebna autentifikacija za opremu

Poverljivost identita korisnika. Prilikom radio komunikacije poeljno je da se umesto IMSI koristi TMSI

Prve tri funkcionalnosti obavljaju AuC i EIR, a poslednju MSC/VLR

38

Centar za Autentifikaciju (AuC) Centar za autentifikaciju (AuC) se koristi za zatitu

mree od neautorizovanog pristupa. Ova baza podataka sadri algoritme za autentifikaciju

pretplatnika, kao i neophodne kljueve za enkripciju. Provera korisnika se vri prilikom registracije kao i pri

svakom pokuaju uspostavljanja poziva. Primarna funkcija AuCa je da obezbedi informacije

MSC/VLRu da izvri autentifikaciju korisnika, tj da uspostavi proceduru autentifikacije izmeu korisnika i mree

Kada korisnik eli da pristupi mrei VLR vri proveru njegove SIM (Subsriber Identity Module) kartice korienjem parametara za autentifikaciju tzv. tripleta.

Ove triplete generiu AuC, a na zahtev VLR.

39

Centar za Autentifikaciju (AuC)

Triplet se sastoji od sledeih infromacija Sluajni broj RAND Potpisani odgovor (Signed RESponse SRES) Klju za ifrovanje (Kc)

Prilikom definisanja korisnika u GSMu, svaki korisnik dobija klju za autentifikaciju Ki koje se uva u AuC, kao i IMSI.

Identini pomenuti Ki i IMSI se uvaju u korisnikovoj SIM kartici

40

Generisanje tripleta

Prvo se generie sluajni broj - RAND Generisani RAND i Ki se koriste za

izraunavanje SRES i Kc koristei A3 i A8 algoritme respektivno

RAND, SRES i Kc se zajedno alju ka HLRu kao triplet

41

Generisanje tripleta

42

Procedura autentifikacije 1) MSC/VLR alje RAND ka MS 2) MS izraunava SRES koristei RAND i svoj Ki,

pomou algoritma A3 3) MS izraunava Kc, pomou Ki i RAND preko A8

algoritma. Posle toga Kc e da se koristi za ifrovanje i deifrovanje u MS

4) SRES se alje ka MSC/VLR, koji obavlja autentifikaciju poredei da li je SRES generisan od MS i od AuC isti. U sluaju da su isti korisniku je dozvoljen pristup mrei

43

Autentifikacija

Izbor autentifikacije je stvar operatera i moe se raditi prilikom Svake registracije Prilikom svake uspostave poziva Prilikom osveavanja lokacije korisnika Prilikom aktivacije i deaktivacije dodatnih servisa

44

Procedura ifrovanja

Informacije koje se razmenjuju izmeu BTS i MS moraju biti zatiene, usled ega se radi ifrovanje

Sekvenca za ifrovanje se generie koristei Kc i broj TDMA okvira koji predstavljaju ulaze za A5 algoritam

U cilju testiranja procedure za ifrovanje prvo se koriste test uzorci. Usled toga komanda za mod ifrovanja (M) se koristi

45

Procedura ifrovanja

1) M i Kc se alju od MSC/VLR ka BTS 2) M se prosleuje ka MS 3) M se ifruje koristei ranije generisani Kc i broj

TDMA rama uz pomo A5 algoritma 4) ifrovana poruka se vraa nazad ka BSCu 5) ifrovana poruka M se deifruje u BTS koristei

Kc i broj TDMA rama koristei A5 algoritam za deifrovanje

6) Ako je deifrovanje uspelo, poruka o uspenom ifrovanju se alje MSCu. Nakon ega se sve informacije na radio interfejsu ifruju

46

Procedura ifrovanja

47

Registar identiteta opreme (EIR)

Registar identiteta opreme (EIR) predstavljabazu podataka za IMEIs (International Mobile Equipment Identities) svih mobilnih stanica u mrei.

IMEI je identifikator opreme odreen odstrane proizvoaa mobilne stanice. EIR vrifunkcije sigurnosti kao to je blokiranje pozivau sluaju krae aparata

48

EIR procedura 1) MSC/VLR alje zahtev za IMEI od MS 2) MS alje IMEI MSCu 3) MSC/VLR alje IMEI EIRu 4) EIR ispituje sledee liste

White list (bela lista) koja sadri serijske brojeve svih GSM ureaja

Black list (crna lista) koja sadri serijski brojeve ureaja kojima je zabranjen rad

Grey list (siva lista) koja se definie na nivou operatera koja sadri brojeve pokvarenih ureaja ili nedozvoljenih ureaja

5) Rezultat se alje MSC/VLR, koji onda odluuje da li da omogui pristup mrei tom ureaju

49

Operacioni podsistem za upravljanje (OMS) Preko Upravljakog podsistem (Operation Management

System - OMS) vri se upravljanje softverom GSM-a. OMS se esto naziva operacioni sistem za podrku (Operation Support System - OSS) planiranju, nadgledanju, odravanju i inenjeringu.

Elementi GSM mree su predstavljeni kao upravljivi objekti koji su smeteni u bazi podataka.

Najvei deo poslova upravljanja GSM mreom operator obavlja kroz grafiki interfejs (GUI), a korienje simulacionog modela mree dozvoljava da se eventualne promene u konfiguraciji, pre nego to se izvre na elementima mree, najpre isprobaju i verifikuju na modelu.

50

Operacioni podsistem za upravljanje (OMS) OMS omoguava efikasnu podrku u upravljanju kako

centralizovanim, tako i regionalnim i lokalnim aktivnostima odravanja i nadgledanja. OMS izvrava sledee funkcije: Komunikaciju sa svim elementima u mrei, Slanje komandi ka elementima mree i manipulacija porukama

koje stiu od njih, Skladitenje informacija u bazi podataka. Centralizovano konfigurisanje sistema i promene u mrei, Centralizovano upravljanje Nadgledanje i kontrolu mree, Merenje performansi, Beleenje saobraaja i analizu merenja i dogaaja u mrei.

51

Sistem za Provisioning Mobilnom operateru je neophodan administrativni

sistem za upravljenje infomacijama u mrei kao to su npr. podaci o korisnicima

Administartivni sistem operatera se obino naziva CAS (Customer Administration System)

Preko CASa se pristupa posebnom voru mree koji omoguava CASu da razmenjuje informacije sa elementima mree HLR, AuC, EIR

Taj poseban vor se naziva sistem za Provisioning, tj sistem za distribuciju korisnikih podataka

52

Sistem za Naplatu

Razgovori se naplauju na osnovu zapisa o pozivu CDR (Call Data record)

CDR sadri podatke o svakom pozivu, kao to su npr Pozivajui broj telefona Pozvani broj telefona Vreme poziva Datum poziva Trajanje poziva

53

Sistem za naplatu

MSCovi generiu CDRove Sistem za naplatu prikuplja CDRove i alje ih

dalja na sistem za postprocesiranje koji dalje analizira CDRove i na osnovu toga radi naplatu

Osnovni principi naplate u GSMu su isti kao i u PSTN

Glavna razlika je u tome to u mobilnoj i B broj (koji prima poziv) plaa cenu razgovora ako se nalazi u internacionalnom roamingu

54

Sistem za naplatu Sistem za naplatu

Prikuplja informacije za naplatu od razliitih mrenih elemenata koji su razliitog tipa i SW verzije

Procesira informacije za naplatu Distribuira informacije za naplatu sistemu za

postprocessing

55

Seminarski rad

Odbrana 28.4.2011. u terminu 19:00 19:30 h Teme

Tema 5: Algoritmi sigurnosti u GSMu (A3, A8) Tema 6: Algoritmi sigurnosti u GSMu (A5) Tema 7: Razvoj SIM kartica (SIM, UICC, USIM) Tema 8: Analiza sadraja CDRa u GSMu