305 306 Lähtökohdat 2G+:lle ja 2½G:lle 2G+ ja 2½G perustuivat GSM-verkon kehittämiseen seuraavin ratkaisuin: (High Speed Circuit Switched Data) eli nopea piirikytkentäinen datasiirto (2G+). GPRS (General Packet Radio System) eli pakettikytkentäinen radioverkko (2G+). EDGE (Enhanhed Data rates for GSM Evolution) eli nopeutettu datansiirto GPRS-verkkoon (2½G). EDGE-E (EDGE Evolution) eli EDGE:stä pidemmälle viritelty versio (2.75G). 2½G ja 2.75G olivat vain välivaiheita matkalla kohti 3G:tä eli UMTS:ää (Universal Mobile Telecommunications System): Ne mahdollistivat uusien käyttötapausten kartoittamisen ja testaamisen ennen 3G:tä. 307 (High Speed Circuit Switched Data) tarkoittaa nopeaa piirikytkentäistä tiedonsiirtoa, joka ei tosin enää nykypäivän mittapuun mukaan ole nopeaa! Palvelu tunnetaan myös nimellä multislot, mikä viittaa useiden aikavälien käyttöön :n avulla voitiin tarjota langattomia entistä nopeampia (ts. nopeampia kuin mitä aiempi GSM Data pystyi tarjoamaan) tiedonsiirtopalveluita, kuten sähköpostin lähetys liitetiedostoineen, faksien lähetys, musiikkitiedostojen siirto ja pääsy erilaisten verkkopalveluiden pariin Nopeuden lisäys tiedonsiirrossa -palvelun avulla perustuu kahteen asiaan: Tekniikan avulla saadaan kahden aikavälin (lähettävän ja vastaanottavan aikavälin) sijasta käyttöön maksimissaan kahdeksan aikaväliä. Tehokkaamman kanavakoodauksen avulla liikennekanavan datasiirtonopeus voitiin nostaa aiemmasta 9.6 kb/s => 14.4 kb/s. 308 Näiden ominaisuuksien myötä datasiirron downlinknopeus (verkosta päätelaitteeseen oleva liikenne) voitiin nostaa 43.2 kb/s:ään käyttämällä kolmea aikaväliä datan vastaanottoon (3 14.4 kb/s = 43.2 kb/s) ja yhtä datan lähetykseen (14.4 kb/s) => Näin ollen tekniikka mahdollisti asymmetrisen tiedonsiirron. Kehittyneempien päätelaitteiden avulla voitiin myös ottaa kaikki 8 aikaväliä käyttöön ja sen myötä downlinknopeudeksi voitiin saada 100.8 kb/s (7 14.4 kb/s = 100.8 kb/s). -palvelu oli kuitenkin vain lyhyt välivaihe GSMverkon datasiirtopalveluiden kehityksessä, sillä pakettikytkentäiset datasiirtopalvelut alkoivat hyvin nopeasti yleistyä GSM-verkoissa
309 :n otti ensimmäisenä Suomessa ja koko maailmassa käyttöön matkapuhelinoperaattori Sonera (nykyään TeliaSonera) => Käyttöönotto tapahtui syyskuussa1999. Toinen suuri suomalainen operaattori Radiolinja (nykyään Elisa) ei ottanut -palveluita ollenkaan käyttöön, vaan siirtyi suoraan GPRS:n käyttöön :n arkkitehtuuri hyödynsi lähes täysin perinteisen GSM-verkon rakennetta: Palvelu perustui matkaviestimessä olevaan TAF-yksikköön (Terminal Adaptation Function) ja yhteensovitustoiminteeseen IWF (Interworking Functionality). => Käytännössä yhteys luotiin TAF:n ja IWF:n välille jakamalla datavirtaa useammalle alikanavalle ja yhdistämällä niitä IWF:n avulla MSC:ssä (Mobile services Switching Center). 310 :n arkkitehtuuri mahdollisti aiempaa nopeamman päästäpäähän-datayhteyden Alikanavien määrä pystyi vaihtelemaan yhteyden aikana ja niiden toiminta oli lähes samanlaista kuin tavallisten kanavien toiminta. :n toiminta toteutettiin ohjelmistopäivityksin GSM-verkkoon, joista osa voitiin toteuttaa jopa etäpäivityksinä: Näin ollen verkon päivityksestä aiheutuvat kustannukset olivat hyvin marginaalisia vaati kuitenkin toimiakseen uuden päätelaitteen, koska -palvelun käyttö vaati päätelaitteilta uusia ominaisuuksia 311 GPRS 312 GPRS (General Packet Radio Service) GPRS on GSM:n pakettikytkentäinen datapalvelu, joka on tarkoitettu purskeisen datan välitykseen => Tämä mahdollistaa sen, että useat käyttäjät voivat jakaa samat radiorajapinnan resurssit tarpeen mukaan GPRS-palvelussa on mahdollista käyttää yhtä käyttäjää kohti useita TDMA-aikavälejä, mikä moninkertaistaa datasiirtonopeuden GSM Dataan verrattuna Useiden TDMA-aikavälien käyttö yhdessä uudistettujen kanavankoodausalgoritmien kanssa mahdollistaa GPRS:lle huomattavasti nopeamman tiedonsiirtonopeuden verrattuna perinteiseen GSM Dataan GPRS mahdollistaa 171.2 kb/s:n teoreettisen tiedonsiirtonopeuden, jos käytössä olisi kaikki kahdeksan TDMA-kehyksen aikaväliä => Käytännössä tämä ei kuitenkaan ollut järkevää resurssien rajallisuuden ja teknisten kysymysten takia => Näin ollen tyypillisiä kombinaatioita käytännössä ovat esim. 2+2, 3+1, 4+1 ja 3+2 (downlink+uplink) aikavälien käyttömahdollisuudet.
313 GPRS-nopeusluokat ja CS-koodaukset GPRS-päätelaite kertoo GPRS-verkolle sen, mitä GPRS-nopeusluokkaa ja CS-koodausta (Coding Scheme) tuetaan => Näiden tietojen ja GPRS-verkon omien parametrien perusteella GPRS-verkko dynaamisesti määrittelee käytettävän koodauksen ja antaa sen mukaisesti puhelimelle kaistaa. CS-koodauksia ovat seuraavat: CS1: 9.05 kb/s aikajaksoa kohti. CS2: 13.4 kb/s aikajaksoa kohti. CS3: 15.6 kb/s aikajaksoa kohti. CS4: 21.4 kb/s aikajaksoa kohti. 314 GPRS-nopeusluokat ja CS-koodaukset Esimerkki #1: GPRS-verkko ja GPRS-päätelaite tukevat CS2-koodausta sekä aikavälien käytössä 4+4:ää (downlink+uplink) => Vastaanottonopeus = 4 13.4 kb/s = 53.6 kb/s ja Lähetysnopeus= 4 13.4 kb/s = 53.6 kb/s => Nopeus on siis käyttäjältä GPRS-verkkoon tai GPRS-verkosta käyttäjälle maksimissaan 53.6 kb/s => Samanaikaisesti voidaan siis lähettää ja vastaanottaa symmetrisellä nopeudella 53.6 kb/s. Esimerkki #2: GPRS-verkko ja GPRS-päätelaite tukevat CS4-koodausta ja 7+1 aikavälien käyttöä => Vastaanottonopeus = 7 21.4 kb/s = 149.8 kb/s ja Lähetysnopeus = 1 21.4 kb/s = 21.4 kb/s => Voidaan siis samanaikaisesti lähettää dataa nopeudella 21.4 kb/s ja vastaanottaa dataa nopeudella 149.8 kb/s (149.8 kb/s + 21.4 kb/s = 171.2 kb/s = GPRS:n teoreettinen maksiminopeus). 315 Muutokset GSM-verkkoon Pakettikytkentäisen datapalvelun käyttöönotto aiheuttaa GSM-verkkoon paljon muutoksia => Verkkoon tarvitaan sekä uusia verkkoelementtejä että nykyisten elementtien ohjelmisto- ja laitteistopäivityksiä. Lisäksi palvelussa tarvitaan GSM-verkon laajennus (IP-pohjainen GPRSrunkoverkko). Uusia verkkoelementtejä perinteiseen GSM-verkkoon verrattuna ovat: Operointisolmu SGSN (Serving GPRS Support Node). Yhdyskäytäväsolmu GGSN (Gateway GPRS Support Node). GPRS-rekisteri GR (GPRS Register). GPRS-runkoverkko. Tukiasemaohjaimen yhteyteen tuleva paketinohjausyksikkö PCU (Packet Control Unit). 316 Muutokset GSM-verkkoon GSM-verkon Tukiasemajärjestelmään ja Keskusjärjestelmään tulee ohjelmistomuutoksia ja mahdollisesti myös laitteistomuutoksia riippuen laitteistototeutuksesta ja laitteistoversiosta Kotirekisteri (HLR) vaatii ohjelmistomuutoksen GPRS-verkosta voidaan yhdistyä esim. Internet-verkkoon ja muihin pakettikytkentäisiin verkkoihin joustavasti Johtuen siitä, että GPRS-runkoverkko näkyy ulospäin tavanomaisena Internet-aliverkkona, GPRS-päätelaitteet ja verkkoelementit tarvitsevat omat IP-osoitteensa => Tästä johtuen päätelaitteet muuttuivat GPRS-palvelun myötä täysin verrattuna GSM-puhelimiin. GPRS-matkapuhelin kiinnittyy virran kytkemisen jälkeen loogisesti suoraan GPRS-runkoverkkoon ja on jatkuvassa valmiustilassa lähettämään ja vastaanottamaan dataa
317 GPRS-sovellukset Erillistä yhteydenmuodostusta ei tarvita nopeaa merkinantoa lukuunottamatta Liikennöinti tapahtuu IP-protokollan mukaisesti, joten tilaajanumeroita ei erikseen valita => Kun jokainen päätelaite vaatii oman IP-osoitteensa, IPv6:den suurempi 128-bittinen osoiteavaruus on tarpeen. GPRS-palvelujen hinnoittelu riittävän edulliseksi ja monipuolisten päätelaitteiden kehittäminen (värinäytöt, kehittyneet selaimet,...) tekivät aikanaan GPRS:stä suositun hyvin nopeasti Yleisesti ottaen kaikki purskeiseen datasiirtoon liittyvät tiedonsiirtosovellukset, jotka vaativat lyhyen verkkoonkytkeytymisajan, olivat toteutettavissa jo GPRS:llä, kunhan maksimi datasiirtonopeus otettiin huomioon => GPRSpalvelusta hyötyivät mm. seuraavantyyppiset sovellukset: Telemetria/etähallinta, rautateiden ohjausjärjestelmät, tietullijärjestelmät, liikennetiedon levittäminen, taksien tilauskeskus, reaaliaikainen sähköposti, interaktiivinen tiedonkäyttö, web-pohjainen Internetin/Intranetin käyttö, pelit, 318 GPRS-sovellukset Internet- ja WWW-arkkitehtuureihin perustuvien hajautettujen palveluiden suuri suosio on selkeästi osoittanut miten vastaavantyyppisiä palveluita tulee olla saatavana myöskin langattoman tiedonsiirron alueelle => Tämäntyyppiset tekstipohjaiset palvelut voitiin toteuttaa jo perinteisellä GSM-arkkitehtuurillakin, mutta kun siirryttiin nopeasti kohti multimediapalveluita, kasvoi tarve myös yhä nopeammille langattomille yhteyksille, joka omalta osaltaan vauhditti myös langattomien verkkotekniikoiden kehitystä => EDGE, EDGE-E, UMTS, HSDPA, HSUPA, DC- HSDPA, DC-HSUPA, HSPA+, MC-HSPA, LTE ja LTE-A. GPRS:n ja EDGE:n tyyppiset kohtuullisen hitaat (nykypäivän mittapuulla katsottuna) pakettikytkentäiset palvelut soveltuvat erityisesti WWW-tyyppisiin sovelluksiin, joissa suurin osa käyttäjän ajasta menee tiedon tulkitsemiseen eikä aktiivista tiedonsiirtotarvetta ole jatkuvasti 319 GPRS-päätelaitteet GPRS-päätelaitteet jaotellaan toiminnallisuuden perusteella kolmeen luokkaan (eri asia kuin GPRSnopeusluokat): Luokka A: Matkapuhelimella voi olla samaan aikaan muodostettuna ja aktiivisena sekä piiri- että pakettikytkentäinen yhteys. Luokka B: Matkapuhelin voi automaattisesti valita joko piiri- tai pakettikytkentäisen yhteyden, mutta matkapuhelimella voi olla aktiivisesti tiedonsiirtoon kytkettynä vain yksi palvelu kerrallaan, jolloin toinen palvelu on odotustilassa. Luokka C: Vain piiri- tai pakettikytkentäinen yhteys voi olla muodostettuna kerrallaan. 320 GPRS:n Point-to-Point- ja Point-to-Multipoint-yhteydet GPRS tarjoaa sekä Point-to-Point- (kaksipiste) että Point-to- Multipoint-palvelua (monipiste) => Tämä ominaisuus mahdollistaa datan siirtämisen yhdestä pisteestä toiseen tai useampaan pisteeseen samanaikaisesti. Kaksipistepalveluita voidaan toteuttaa yhteydellisenä tai yhteydettömänä verkkopalveluna: Yhteydetön vekkopalvelu eli CLNS (Connectionless Network Service) vie paketteja perille toisistaan riippumattomana pakettien otsikon perusteella ja se tukee mm. Internet-protokollaa (IP). Yhteydellinen verkkopalvelu eli CONS (Connection-Oriented Network Service) tarjoaa loogisen yhteyden niiden käyttäjien välille, joiden kautta paketit matkustavat ja tukee yhteydellisiä protokollia, kuten X.25, joka on pakettiverkkostandardi. X.25 on erityisesti tietokoneiden välisiin yhteyksiin tarkoitettu palvelu, jonka liityntäpinta X.25 on standardoitu. Monipistepalvelulla saavutetaan useampia käyttäjiä samanaikaisesti => Palvelu antaa mahdollisuuden määritellä saavutettavien käyttäjien maantieteellinen sijainti ja viestin maksimiviive.
321 Point-to-Multipoint Multicast Monilähetyksessä viestin saavat kaikki määritetyillä alueilla olevat käyttäjät tai osa tietyllä alueella olevista käyttäjistä (kuitenkin niin, ettei tietoa viestin lopullisista vastaanottajista tarvita) => Palvelua kuvaavat mm. seuraavat ominaisuudet: Viesti vastaanotetaan anonyymisti, eikä GPRS-verkko tiedä ketkä viestin saivat. Viestit kulkevat vain yhteen suuntaan eikä GPRS-verkko takaa viestien vastaanottolaatua, mutta lähettäjälle voidaan tarjota erilaisia palvelunlaatuparametreja ja viestien toistokertojen lisäystä => Viestin lähettäjä voi aikatauluttaa viestejään (esim. toistotiheys, toistojen maksimimäärä, vanhentuneet viestit voidaan tuhota,...). Salauksen käyttö on mahdollista. 322 Point-to-Multipoint Group Ryhmälähetyksissä viestin saavat määritetyt käyttäjät tietyllä alueella: Koska GPRS-verkko on tietoinen vastaanottajista, viesti lähetetään vain niihin soluihin, joista löytyy kyseisiä käyttäjiä. => Pakettien tunnuksen PI (Packet Identity) perusteella GPRS-verkko suodattaa pois ne paketit, jotka eivät kuulu kyseiselle käyttäjälle. Palvelua kuvaavat mm. seuraavat ominaisuudet: Viesti voidaan vastaanottaa anonyymisti. Viestien toimittaminen tilaajille on reaaliaikaista => Viestit lähetetään verkossa heti eteenpäin. Viestien siirto on pääsääntöisesti yksisuuntaista, mutta optiona myös kaksisuuntainen ja monisuuntainen siirto. Yksittäisen tilaajan ei taata saavan kaikkia viestejä, mutta tilaajalla on mahdollisuus pyytää uudelleenlähetys viestin vastaanottamisen epäonnistuessa. Saadakseen ryhmäviestin, tilaajan pitää olla rekisteröitynä kyseiseen ryhmään. 323 Palvelun laatu GPRS-yhteyden laadun parametrit ovat käyttäjän ja verkon neuvoteltavissa => On mahdollista määrittää raja-arvoja esim. käyttäjädatan läpimenoajalle, siirtoviivelle ja datan prioriteetille. GPRS-palvelun on pystyttävä toimimaan kaikissa verkoissa, joiden kanssa tilaajan operaattorilla on sijainninseurantasopimus Puhelut eivät katkea siirryttäessä verkosta toiseen, mutta katkeavat PLMN:n (Public Land Mobile Network) vaihtuessa: PLMN on yleinen nimitys kaikille sellaisille langattomille mobiiliverkoille, jotka käyttävät maanpäällisiä asemia sen sijaan että käyttäisivät satelliitteja. Matkapuhelimen akunsäästötoimintaa on mahdollista käyttää GPRS-palvelun yhteydessä ja se toteutetaan käyttämällä epäjatkuvaa vastaanottomekanismia DR (Discontinuous Reception) => Palvelun laatu ei saa heiketä DR:ää käytettäessä ja korkeampien laatuvaatimusten mukaisessa toiminnassa DR:ää ei pystytä ollenkaan hyödyntämään. 324 EDGE EDGE-E
325 EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) 2½G-tekniikka EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) oli käytännössä vain pidemmälle viritetty versio GPRS:stä, koska se vaati toimiakseen vain pieniä muutoksia laitteistoihin ja ohjelmistoihin (jossain tapauksissa pelkkä ohjelmistopäivitys riitti). EDGE noin kolminkertaistaa GPRS:n nopeuden ja sen teoreettinen maksiminopeus on 473.6 kb/s: Käytännössä myös EDGE:n nopeudet jäivät huomattavasti teoreettista maksiminopeutta pienemmiksi. EDGE hyödyntää modulaatiotekniikkaa, joka on tehokkaampi kuin GSM-tekniikassa perinteisesti käytetty GMSKmodulaatio (Gaussian prefiltered Minimum Shift Keying) => Tekniikka määrittelee siis fyysisen kerroksen uudelleen ja käyttää 8-tasoista vaihesiirtomodulaatiota 8-PSK (8-Phase Shift Keying) GMSK:n sijaan => Kahdeksan eri vaiheen avulla voidaan yhdellä moduloidulla pulssilla ilmaista kolme bittiä, kun GMSK:ssa on käytössä yksi bitti per pulssi. 326 EDGE Lisäksi EDGE vaati keskimääräistä GSM-verkkoa voimakkaamman RF-signaalin ennen kuin suuremmat datasiirtonopeudet voidaan saavuttaa => Käytännössähän tämä tarkoittaa sitä, että tukiasemia jouduttiin rakentamaan lisää. EDGE säilyttää muutoin GSM-standardin määritykset: TDMA-kehyksen maksimipituus on 8 15/26 ms = 4.6 ms. Maksimissaan 8 aikaväliä/kehys. 200 khz:n kanavat.... Tästä syystä EDGE:n implementointi vaati operaattorien mittapuun mukaan vain vähäisiä teknisiä muutoksia verkkolaitteisiin ja ohjelmistoihin (jossain tapauksissa pelkkä ohjelmistopäivitys riitti). 327 EDGE-E 2.75G-tekniikkaa edustaa EDGE:stä pidemmälle viritelty versio, EDGE Evolution (EDGE-E), jonka teoreettinen maksiminopeus on 1894.4 kb/s EDGE-E ei kuitenkaan saavuttanut koskaan suurta suosiota, koska 3G (UMTS) syrjäytti sen hyvin nopeasti EDGE-E kehitettiin lähinnä jatkamaan perinteisen GSMverkon elinkaarta mahdollistamalla suuremmat nopeudet myös sellaisilla alueilla, joihin ei kustannussyistä ollut järkevää rakentaa 3G-verkkoa EDGE-E hyödyntää 16- tai 32-tasoista QAMmodulaatiotekniikkaa (Quadrature Amplitude Modulation), joka on huomattavasti tehokkaampi kuin perinteisessä EDGE:ssä käytetty 8-PSK. Lisäksi EDGE-E mahdollistaa useamman samanaikaisen antennin käyttämisen tiedonsiirtonopeuden kasvattamiseksi (katso seuraavan kalvon kuva) 328 EDGE-E Lähde: http://www.ericsson.com/ericsson/corpinfo/publications/review/2006_01/files/gsm_edge.pdf
329 Aiheeseen liittyviä opetusvideoita Alla muutama aiheeseen liittyvä opetusvideo: The Process Behind Making An Mobile Call Using A 2G GSM Network (https://www.youtube.com/watch?v=mmthlgexql0) GSM Network Architecture (https://www.youtube.com/watch?v=fqxtkgbkp1e) GSM Introduction (https://www.youtube.com/watch?v=lxqwgvqxwz4) GSM Services (https://www.youtube.com/watch?v=nptl97zltpu) 3G Hack on 2G Network (https://www.youtube.com/watch?v=bv- 4S6AZO18) Cell Phone Hack Jams Calls and Texts! (https://www.youtube.com/watch?v=wvuvvcpflhu) How to get your own stingray / IMSI catcher (https://www.youtube.com/watch?v=e8zmaoik1q4) GSM RESEARCH/ DEBUG TOOLS... CHEAP IMSI CATCHER (https://www.youtube.com/watch?v=c9x0sgjjlpq) IMSI Catcher (https://www.youtube.com/watch?v=3ohx0zj3gwq) FBI's IMSI Catcher is Illegal And Unwarranted (https://www.youtube.com/watch?v=ikwoezfgtci) Hacking GSM with the Ettus Research USRP N210 (https://www.youtube.com/watch?v=dznm1hyyiyg)