S Teletekniikan erikoistyö. GPRS-verkko. TEKIJÄ Pentti Ekroos 49340U. Jätetty..

Transkriptio

1 S Teletekniikan erikoistyö GPRS-verkko TEKIJÄ Pentti Ekroos 49340U Jätetty..

2 Tiivistelmä Erikoistyö tehtiin kirjoittajan mielenkiinnosta uuteen GPRS-järjestelmään ja sen suhteesta perustanaan olevaan GSM-verkkoon. Aihetta on käsitelty otaksuen, että lukijalla on perustiedot GSM-järjestelmästä. Työ tehtiin kirjallisuustutkimuksena, jonka pääasiallisena lähteenä olivat eri organisaatioiden tarjoamat internet-sivut. Järjestelmän jatkuvan kehityksen vuoksi on varmaa, että uutta peruskirjallisuutta ilmestyy koko ajan lisää. Laitevalmistajienkin dokumentit ovat lähinnä omaan käyttöön tarkoitettuja. Alkuvaikeutena oli arvioida kuinka syvällisen selvityksen tästä monimutkaisesta uudesta järjestelmästä tekisi, kun siinä on aiheita useillekin vaativammillekin opintosuorituksille. Ratkaisin ongelman siten, että työssä annetaan yleiskuvaus järjestelmästä ja sen vaatimista muutoksista olevassa olevaan GSM-verkkoon. Tämä muutosten tarkastelu sisältää tarvittavat uudet verkkokomponentit sekä muodostuvat uudet rajapinnat komponenttien välillä. Digitaalinen tiedonsiirto yli näiden eri rajapintojen saadaan aikaan käyttämällä tiedonsiirtoprotokollia, joista on selvitykset rajapintojen protokollapinoina. Työssä ei paneuduta sen enempää näihin. Lopuksi käsitellään järjestelmän tarjoamia palveluja, turvallisuutta sekä pohditaan tulevaisuutta. Lisäksi arvioidaan järjestelmän standardointia, markkinoiden kehittymistä ja verkon käytettävyyttä. Arvion tuloksena on että verkko saavuttaa laajan suosion ja pitkän iän.

3 Lyhenteet ja käsitteet: BSC Base Station Controller Tukiasemaohjain BSS Base Station Sub System Tukiasemajärjestelmä BTS Base Transcever Station Tukiasema DB Data Base Tietokanta EIR Equipment Identity Register Laitetunnusrekisteri ETSI European Telecommunication Standarts Institute Euroopan tietoliikennestandardeja määrittelevä laitos GSM Global System for Mobile Communications Yleiseurooppalainen digitaalinen matkaviestinjärjestelmä HLR Home Location Register Kotirekisteri IMEI International Mobile Equipment Identity Kansainvälinen matkaviestimen laitetunnus IP Internet Protocol Verkkojen yhdistämiseen tarkoitettu yhteyskäytäntö. Sijoittuu OSI-mallin tasolle kolme. LLC Logical Link Control IEEE:n 802-sarjan standardi, joka määrittelee eri tyyppisten verkkojen yhteiset toiminnot MAC Medium Access Control Standardi, joka määrittelee erityyppisille lähiverkoille mm. miten päästään välittämään dataa. MS Mobile Station Matkaviestin MSC Mobile Services Switching Center Matkapuhelinkeskus MTP2 Message Transfer Part 2 SS7 määrittelyissä määritellyt signalointi linkin funktiot. MTP3 Message Transfer Part 3 SS7 määrittelyissä määritellyt signalointi verkon funktiot SCCP Signalling Connection Control Part Määritelty ITU-T:n Punaisessa kirjassa vuonna SS7L Common Channel Signaling n.7 link Yhteiskanavamerkinannon linkki TCAP Transaction Capabilities Application Part Vertaa ITU-T:n suositus Q.771 TCP Transmission Control Protocol Yhdysvaltain puolustusministeriön ARPA-projektissa kehittämä verkoissa käytetty yhteyskäytäntö. UDP User Datagram Protocol TCP/IP-yhteyskäytäntöperheeseen kuuluva tietosähkepohjainen kuljetusyhteyskäytäntö. Um GSM standard radio interface GSM-standardin radiorajapinta VLR Visitor Location Register Vierailijarekisteri X.21 ITU-T:n suositus synkronisen päätelaitteen liittämiseksi datasiirtoverkkoon X.25 ITU-T:n suositus pakettiverkon kanssa kommunikointiin

4 SISÄLLYSLUETTELO Sisällysluettelo 1 1. Johdanto 2 2. GPRS yleisesti 3 3. GPRS:n rajapinnat 4 4. GPRS:n protokollat Tiedonsiirto protokollat Signalointi protokollat 7 5. GPRS:n radiotie 8 6. GPRS-palvelut 9 7. GPRS-verkon turvallisuus GPRS:n tulevaisuus Yhteenveto 12 Lähdeluettelo 13

5 1. Johdanto GSM-verkkoa rakennettiin aluksi kattavaksi ja mahdollisimman hyvin puheensiirtoa palvelevaksi verkoksi. GSM-verkon datapalvelut perustuvat standardiin vuodelta 1992 ja näitä palveluja otettiin käyttöön vasta vuonna Vuonna 1998 hyväksytylle ETSI:n General Packet Radio Service standardeille perustuvia kaupallisia tuotteita otettaneen käyttöön vuosituhannen vaihteessa. Tämän hetkiset GSM-datapalvelut perustuvat piirikytkentäiseen palveluun, joka aiheuttaa resurssien tuhlausta. Käyttöön otettava GPRS perustuu tehokkaampaan pakettikytkentäiseen teknologiaan, jossa tiedonsiirto kapasiteettia voidaan jakaa käyttäjien kesken. On esitetty ajatuksia GSM-verkon kapasiteetin mahdollisimman hyvästä hyödyntämisestä ja liikennemäärien kasvattamisesta, joissa datapalvelut edustavat tulevaisuudessa pääosaa. Vastaaminen tähän haasteeseen edellyttää 9,6 kbps nopeutta käyttävän datapalvelun korvaamista nopeammalla. GPRS:n teoreettinen 171,2 kbps ja käytännön n.100kbps nopeudet mahdollistavat esim. WWW-sivujen selaamisen mutta ei vielä ole riittävä multimediasovelluksille. Maailman laajuisen GSM-verkon käyttäjämäärät ovat houkutus kehittää uusia palveluja, jotka ovat heti markkinoitavissa miljoonille käyttäjille. Markkina-alueen laajuus ja käyttäjien innokkuus uusille palveluille pitää laitevalmistajien mielenkiinnon uusien tuotteiden kehittämisessä. Käyttäjien tietoliikennetarpeiden jatkuvasti kehittyessä GSM-verkon on tarjottava myös parempia palveluita datasiirrossa. GPRS:n lisäksi on kehitetty myös piirikytkentäinen perinteisen GSM- datapalvelun kaltainen palvelu HSCSD, jossa tiedonsiirto nopeus on nostettu 14,4 kbps:iin.

6 2. GPRS yleisesti Järjestelmä perustuu GSM-verkkoon, jota muutetaan ja laajennetaan GPRS:ksi. Alla olevassa kuvassa esitetään GPRS-järjestelmän rakenne sekä uudet tärkeimmät komponentit, jotka vaaditaan siirryttäessä perinteisestä GSM-järjestelmästä GPRS:iin. Kuva 1 GPRS-verkon rakenne[1]. Uusien verkkoelementtien kuvaukset. SGSN GGSN BG CG Serving GPRS Support Node liittää BSS:n GPRS-runkoverkkoon. Sen tehtäviä ovat mm. liikkuvuuden hallinta, käyttäjän autentikointi ja protokollamuutokset IP:ksi ja takaisin. Gateway GPRS Support Node toimii reitittimenä GPRS-verkon ja ulkoisen pakettiverkon välillä. Sen tehtävät ovat lähes samanlaiset kuin Gateway MSC:n ja HLR:n yhdistelmällä piirikytkentäisessä yhteydessä. Boarder Gateway toimii yhdyskäytävänä eri operaattoreiden verkkojen välillä. Charging Gateway huolehtii MSC-tilaajan GPRS-yhteyksien laskutustietojen välittämisestä laskutusjärjestelmään. Nykyiseen järjestelmään tarvittavat muutokset ovat riippuvaisia myös laitevalmistajien aikaisemmista ratkaisuista. [1]

7 3. GPRS:n rajapinnat BSS:iin GPRS ei määritä uusia verkkokomponentteja, mutta muokkaa radiorajapintaa Um sekä BSC:n ja BTS:n välistä Abis-rajapintaa. Lisäksi tulee uusi rajapinta BSC:n ja SGSN:n välille. MSC/VLR:n A rajapintaan BSC:n kanssa ei tule merkittäviä muutoksia. GPRS aiheuttaa myös muutoksia myös MSC/VLR:n ja HLR:n rajapintaan, koska SGSN:n tulee hallita sekä piirikytkentäisten että pakettikytkentäisten palveluiden interaktiot. Kuva 2 GPRS-verkon rajapinnat[2]. Kuvassa 2 loput rajapinnat ovat perinteiseen GSM-verkkoon verrattuna uusia, jotka tarvitaan GPRS-verkkoa toteutettaessa. Gi Gn Gr GPRS-standardit eivät määritä kovin tarkasti verkon ja ulkoisen PDN:n välistä rajapintaa, joka on ensisijaisesti IP-rajapinta. Rajapinnan protokollapino on TCP/IP-standardien mukainen. GPRS-standardit jättävät fyysisen ja siirtokerroksen protokollat operaattorin/laitevalmistajan valittavaksi. SS7-rajapinta, jossa sovelletaan GSM:n MAP-protokollaa. Rajapintaa käytetään pääpiirteittäin samoihin tehtäviin kuin HLR:n ja MSC/VLR:n välistä rajapintaa perus-gsm:ssä. [2] Gs On valinnainen A-rajapinta, joka mahdollistaa MSC/VLR:n ja SGSN:n suoran signaloinnin. Rajapintaa käytetään SGSN.n ja MSC/VLR:n väliseen

8 koordinoitiin, sillä riippuen päätelaitteen luokasta se voi toimia aktiivisesti sekä GSM- että GPRS-moodissa tai kuunnella GSM- ja GPRS-paging kanavaa. Gd Gc Gb On MAP-rajapinta, jota käytetään GPRS-päätelaitteen lyhytsanomien välittämiseen. Rajapinnan käyttö mahdollistaa PDP-kontekstin käynnistämisen vastaanotetun IP-paketin perusteella. Rajapintaa käytetään MS:n ja SGSN:n välillä liikkuvuuden hallintaan L3MMprotokollan avulla.

9 4. GPRS:n protokollat GPRS:n protokolla-arkkitehtuuri koostuu signalointi- ja tiedonsiirtoprotokollista. Signalointiprotokollat kontrolloivat ja tukevat käyttäjä tietojen siirtoa. Tiedonsiirtoprotokollilla siirretään käsiteltävä tieto ja siihen liittyvät kontrollointi proseduurit kuten vuonohjaus ja virheiden käsittely. 4.1 Tiedonsiirto protokollat Kuva 3 Tiedonsiirtoprotokollat[3]. Kuvassa 3 käsiteltävän tiedon siirto tapahtuu ISO/OSI mallin mukaisesti kerrokselle kolme asti. Tämän kerroksen yläpuoliset protokollat eivät ole GPRS-määritelmien alaisia, näinä voidaan käyttää standardoituja laajalle levinneita protokollia. Kahden GSN:n välillä käytetään GPRS-tunneliprotokollaa (GTP), joka tunneloi PDU:t läpi GPRS- runkoverkon. SGSN:n ja MS:n kapselointi suoritetaan SNDCP-protokollalla, joka sovittaa verkkokerroksen protokollat alapuolellaan sijaitsevalle LLC:lle. BSSGP toteuttaa yhteydettömän tiedonsiirron ylemmille kerroksille BSS:n ja SGSN:n välillä. Ilmarajapinnan tiedonsiirto MS:n ja GPRS verkon välillä käsittää fyysisen- ja siirtoyhteyskerroksen toiminnallisuudet. [3] 4.2 Signalointi protokollat

10 Kuvissa 4 ja 5 eri rajapintojen signaloinnissa käytettävät protokollapinot. GPRS:n rajapintoja kahden GSN:n välillä kutsutaan joko Gp- (kahden operaattorin välinen) tai Gn-rajapinnaksi (operaattorin sisäinen). Kuva 4 Gr-, Gd-, Um- ja Gb-rapinnan signalointi protokollat[4]. Kuva 5 Gc-, Gn- ja Gs-rajapinnan signalointi protokollat[5]. [4] [5]

11 5. GPRS:n radiotie Radiorajapinta ei fyysisellä tasolla muutu GSM:n radiorajapinnasta. GPRS kohdentaa radioresursseja dynaamisesti päätelaitteen tarpeen mukaan. Kun käytetään GPRS-palvelua, niin yksi tai useampia solun vapaista kanavista varataan pakettimuotoiseen tiedonsiirtoon. Jokainen näistä kanavista varaa yhden aikavälin. Uplink ja downlink suuntia käytetään itsenäisinä kanavaresursseina. GPRS:n teoreettinen 171,2 kbps siirtonopeus saavutetaan kun kaikki kahdeksan 21,4 kbps kanavaa ovat yhden yhteyden käytössä. GPRS:ssä käytetään 52-multiframe:n rakennetta, jolloin SCH, CBCH ja BCCH sijaitsevat tietyssä paikassa tätä rakennetta. Nämä ovat kanavia, joita MS:n on kuunneltava GSMjärjestelmän tarkkailuparametrien seuraamiseen ja synkronointumiseen. GPRS-verkko tarvitsee omat päätelaitteet. Nämä ovat jaettu toiminnalisuutensa perusteella kolmeen luokkaan. A-luokan päätelaite voi toimia samanaikaisesti aktiivisesti sekä GSM- että GPRS-verkossa. B-luokan päätelaite voi kuunnella samanaikaisesti sekä GSM- että GPRSverkon paging-kanavaa. C-luokan päätelaite ei voi olla kytkeytyneenä kuin jompaan kumpaan verkkoon kerrallaan.

12 6. GPRS palvelut Pakettikytkentäisessä yhteydenmuodostuksessa, looginen yhteys mahdollistaa käyttäjälle verkkossa olevan tiedon käsittelyn, mutta ei takaa välitöntä pääsyä siirto linjoille. GPRS on pääasiallisesti palvelu, joka on määritelty verkkokerroksen pakettien siirtämiseen. GPRS:ssä on mahdollista käyttää joko yhteydellistä tai yhteydetöntä, pisteestä pisteeseen ( Point-to-Point, PTP ) tai pisteestä useaan pisteeseen ( Point-to-Multipoint, PTM ), pakettipalvelua. Yhteydetön pakettipalvelu sopii IP-pohjaiselle yhteydelle ja yhteydellinen pakettipalvelu X.25 yhteyksiin. GPRS:ään on kehitetty erilaisia moniosoitus muotoja. Näissä palvelun pyytäjä määrittelee vastaanottavan käyttäjäryhmän ja maantieteellisen alueen, joille tiedonsiirto osoitetaan. Näitä moniosoituksia ovat: PTM-multicast, jossa palvelun pyytäjä ei tiedä annetulla maantieteellisellä alueella olevista ryhmän jäsenistä mitään. PTM-group call, jossa osoitus tapahtuu ainoastaan solun alueella oleville ryhmän jäsenille. IP-multicast, jossa palvelun pyytäjä hyödyntää palvelun tarjoajan IP-multicast mekanismia. Näiden edellä mainittujen palveluiden lisäksi GPRS tarjoaa SMS-viestien lähetyksen. Kuva 6 Yhteyden muodostuminen Internettiin GPRS-runkoverkon välityksellä[6]. Verkon dynaamisuus ( esim. käytössä olevien kanavien lukumäärä ) on piilossa käyttäjältä, vaikka erilaisista palveluprofiileista voidaan neuvotella palvelun tarjoajan ja tilaajan kesken. Neuvoteltavia ominaisuuksia ovat saatavuus, huippu- ja keskimääräinen siirtonopeus. Sen sijaan siirtoviive ( radiotiellä syntyvät ) ja prioriteetit ovat jaettu neljään QoS-luokkaan, jotka ovat maksullisia lisäarvoja tilaajalle. [6]

13 7. GPRS-verkon turvallisuus Kaikki tiedonsiirto MS:n ja yritysverkon välillä muodostaa turvallisuusriskin, joka on hallittava. Kun rakennetaan yhteyksiä yritysverkkoihin, käyttäen GPRS:ää, on operaattorin analysoitava turvallisuusriskejä sekä itsensä että asiakkaan näkökulmasta. GPRS-yhteyden muodostuselementteinä toimii kannettava työasema, radiolinkki, operaattorin verkko ja yhteys operattorin verkosta yritysverkkoon. Nykyään on olemassa useita turvallisuusratkaisuja, joita voidaan hyödyntää yhteyden turvallisuuden parantamisessa. Operaattorin kannalta on oleellista arvioida vaikutukset liiketoimintaan. Yrityksen tulee arvioida turvallisuustarpeensa ja tutkia käytettävissä olevat vaihtoehdot turvatakseen valituille sovelluksille luotettavan tiedonsiirron. Yritykset yrittävät löytää oikean suhteen tietoturvallisuuden kustannusten ja suojeltavan tiedon arvon välillä. GPRS-verkon turvallisuus ongelmat ovat samankaltaisia kuin GSM-verkossa ja Internetissä.

14 8. GPRS:n tulevaisuus Tietoliikennemarkkinoiden kasvu on radioverkkojen puolella nopeampaa kuin kiinteissä verkoissa. Tähän saakka radioverkkojen kasvu on painottunut puheensiirtoon ja kännyköiden penetraation lisäykseen. Kannettavien tietokoneiden ja -tietoliikenne laitteiden yleistyminen sekä Internet-ostokset lisäävät vaatimuksia data-palveluiden parantamiselle GSM-verkossa. Perinteinen käsitys kännykän käytöstä on muuttumassa suuntaan, jossa kiinteänverkon laitteiden käyttö vähenee kotona ja toimistoissa. GSM- ja Internet-tiedonsiirto ovat selkeitä mahdollisuuksia lisätä sekä kiinteän- että GSMverkon liikenteen kasvua. GPRS:n arvioidaan nopeasti muuttavan GSM-verkkojen liikenteen kasvun painopisteen perinteisestä puheensiirrosta datan siirtoon. Operaattorit, palveluntarjoajat, laitevalmistajat ja järjestelmien yhteen sovittajat ovat lisänneet yhteistyötä uusien palvelujen kehittämiseksi. Tällaiset alianssit kehittävät laitteita, ohjelmistoja ja palveluita massamarkkinoille. Moniosoitus mahdollistaa esim. seuraavanlaisia palveluja: WWW haku- ja tiedonsyöttöpalvelut Informaation jako maantieteellisin perustein Laitevalmistajat otaksuvat GPRS:n käytön yleistyvän nopeasti sen jälkeen kun ensimmäiset verkot valmistuvat. GPRS:n kasvun oletetaan saavuttavan huippunsa vuoden 2003 tienoilla. GSM-teknologian kehitys nostanee siirtonopeuden 384 kbps:iin lähitulevaisuudessa, jolloin mahdollisuudet uusille palveluille paranevat. GPRS tulee olemaan tärkeä välivaihe siirryttäessä kolmannen sukupolven järjestelmiin. Verkon vaatimat investoinnit ovat suuria, joten sen oletetaan olevan käytössä useita vuosia.

15 9. Yhteenveto Ensimmäiset verkot otetaan käyttöön vuosituhannen vaihteessa. Laitevalmistajat ovat jo demonstroineet verkkoja ja tehneet alustavia sopimuksia operaattoreiden kanssa toimituksista. GSM-verkon muuttaminen GPRS-verkoksi vaatii suuria investointeja, jolloin palvelujen hinnat ovat aluksi kalliita. Pakettipohjainen järjestelmä mahdollistaa uusia palveluita ja huomattavasti suuremman tiedonsiirtonopeuden verrattuna nykyiseen tiedonsiirtoon GSM-verkossa. Järjestelmän perustuessa etukäteen tehtyihin standardeihin ja sen saama huomio laitevalmistajien, operaattoreiden sekä palveluntarjoajien taholla mahdollisena liikevaihdon kasvattajana takaa näiden ryhmien investointivalmiuden. On arvioitu, että Internetin käyttö kasvaa työssä, vapaa-ajassa sekä muutenkin osana ihmisten elämää. Koska matkaviestinverkot ovat kasvattaneet suuresti osuuttaan tietoliikennemarkkinoista, on ollut vain ajan kysymys, milloin näissäkin verkoissa tarjotaan samat palvelut kuin kiinteissä verkoissa. Tällä hetkellä GPRS-järjestelmä on varteenotettavin vaihtoehto ko. markkinoilla. Odotukset järjestelmää kohtaan ovat suuret kaikilla ryhmillä. Vaikka perinteisen GSMosaamisen lisäksi tarvitaan uutta erityisosaamista, operaattorit ja valmistajat luottavat järjestelmän taloudellisiin mahdollisuuksiin. Käyttäjät odottavat mahdollisuuksia saada lähes samanlaiset tiedonsiirtomahdollisuudet kuin kiinteissä verkoissa. Aluksi palvelujen hinnat rajoittavat käyttäjämäärien kasvua. Parantuneet datan-siirto ominaisuudet, tietoliikennemarkkinoiden kehityksen suunta ja GPRS-verkon vaatimat investoinnit takaavat sen yleistymisen sekä verkolle pitkän käyttöiän. Jo nyt on arvioitu, että on mahdollista parantaa verkon tiedonsiirtonopeuksia huomattavasti, jolloin järjestelmän käyttö tehostuu.

16 LÄHDELUETTELO /1/ Cinzia Sartori GPRS Introduction in SBS, ITALTEL. 82 s. /2/ Telesanasto Helsinki, Tekniikan Sanastokeskus.156 s. /3/ Olli-Pekka Isola Tiedonsiirtäjän luntti. Otaniemi. Axa Softproducts Oy. 209 s /4/ Mouly, M., Pautet, M., The GSM System for Mobile Communications, Ranska,1992, Europe Media Duplication S. A. 701 s. /5/ Matkaviestinsanasto Helsinki, Tekniikan Sanastokeskus.128 s. /6/ Hannu H Kari. GPRS presentations in HUT. Pages updated /7/ Kaisa Arila, Jarna Hakala, Juuso Pajunen. GPRS- ja HSCSD-datapalvelut. Tik Telealanliiketoiminnan tutkimusseminaari esitelmä /8/ SMG NEWS. Special edition 1998 GSM WORLD CONGRESS. ETSI. /9/ Niklas Wallenius. SECURE COMMUNICATIONS BETWEEN CORPORATE NETWORKS AND MOBILE USERS USING GPRS PACKET RADIO NETWORK. DI-työ esitelmä /10/ Mark Attan. Fixed-Mobile Convergence: Fusion and Confusion. Annelise Berent. Turning Mobile Internet into a Reality. Pekka Pohjakallio. Casting the Cellular Net. Elaine Axby. Greating a Market for Mobile Data. Taeke Casrelein. Mobilising tke Net. /11/ IEEE Communication Magazine. August Götz Brasche and Bernd Walke. Concepts, Services, and Protokols of the New GSM Phase 2+ General Packet Radio Service. /12/ Harri Hansen. GPRS Generic Packet Radio Service. /13/ Peter Rysavy. Paper: General Packet Radio Service ( GPRS ). Kevin Holley, Tim Costello. Paper: THE EVOLUTION OF GSM DATA TOWARDS UMTS.