Nykypäivän matkapuhelinverkot

Nykypäivän matkapuhelinverkot Jukka K. Nurminen T-110.2100 Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2012

Luentojen sisältö Televerkon toiminta Puhelinverkon periaate Puhelinkeskuksen toiminta Siirtojärjestelmät Puhelun kytkeminen, Signalointiverkko SS7 Älyverkkopalveluiden toteutus Voice over IP Matkapuhelinverkko Langattomuus ja sen haasteet Mobiiliverkon perusperiaate ja rakenne Ydintoiminnallisuus: liikkuvuuden hallinta, puhelun muodostus, tukiaseman vaihto Tulevaisuuden langattomat järjestelmät Datan siirto matkapuhelin verkoissa (GPRS, UMTS, LTE) Bluetooth NFC 2

Televerkko mihin sitä tarvitaan? Maailman suurin kone: Peruspalvelu: PUHE yhdistää maailmalaajuisesti kaikki ihmiset jokaisessa maailman kolkassa. Operaattoreiden tuloista edelleen merkittävin osa Tarjoaa Layer 1 ja Layer 2 palvelut IP-pohjaiselle tiedonsiirrolle Havainnollistus alla Puhepalvelu Kiinteä puhelinverkko Puhe, Multimedia, IP Matkapuhelinverkko IP-palvelut IP ja Laajakaistaverkot Siirtoverkko, L1 &L2 (runkoverkko, core) 3

Tietoliikennejärjestelmien visualisointi Core-verkko (ydin): Optinen tiedonsiirto: SDH ja G.709 Optical Transport Network Wavelength Division Multiplexing tekniikalla (tyypillinen siirtonopeus 2.5 40 Gb/s). OTN:ään liittyvä tehokas IP core. Liityntäverkko (kuluttajille tuleva verkko): Kiinteä (fixed): Mm. parikaapeli, jossa puhelinpalvelu ja ADSL, optinen kuitu koteihin ja langaton: UMTS (3G), WLAN, WiMAX, LTE, 4G 4

Puhelin Alexander Graham Bell 1876 Alussa puhelimen käyttö tarvitsi ihmisen, operaattorin, yhdistämään tilaajat (eli johdot) Ensimmäinen patentti automaattisesta keskuksesta 1891 (talon kokoinen) Tilaajat tunnistettiin numeroilla, jotka ohjasivat kiertokytkintä 1800-luvun lopun konsepti on edelleen voimassa Keskukset ovat kehittyneet ja on siirrytty puhtaasti digitaalisiin järjestelmiin (Suomen verkko oli täysin digitaalinen 1996) Varsinainen puhe ja merkinanto (=ohjaus puheluiden kytkemisestä) eri kanavilla Digitalisoinnin myötä tuli myös uusia palveluja: ISDN ja älyverkkopalvelut: valtakunnalliset palvelunumerot, puhelinäänestys, jne 5

Puhelinverkon rakenne Kiinteä puhelinverkko koostuu seuraavista osista: Päätelaite (TE, Terminal Equipment), puhelinkone Välitysjärjestelmä (Switching System): Koostuu puhelinkeskuksista ja välittää puhelut eri keskusten kautta haluttuun määränpäähän. Keskusten välisestä siirtojärjestelmästä (Transmission system), tekniikkana PCM ja käytössä PDH, SDH ja WDM järjestelmät. Signalointijärjestelmästä, joka ohjaa keskukset välittämään puhelut oikein. Digitaalisessa puhelinverkossa käyttäjän analoginen puhesignaali konvertoidaan 8 bitin näytteiksi, joita otetaan taajuudella 8 khz. Näin muodostuu 64 kb/s bittivirta /käyttäjä. Näitä kytketään puhelinverkon kautta. 6

Puhelinkeskus Ohjaus: - merkinanto ja puhelunohjaus - puhelun välitys, laskutus, tilastointi - kunnossapito: vioista elpyminen Puhelinkeskus vastaa palvelun laadusta Suuri laskentateho ja paljon ohjelmistoa, joka kommunikoi reaaliajassa ympäristön kanssa. Merkinantoyhteydet naapurikeskuksiin ja tilaajavaihteisiin Elpyy vioista automaattisesti redundantin laitteiston avulla (2N tai N+1) Alkuinvestointi on korkea. Hinta per tilaaja ei kuitenkaan kovin korkea (<<100 ) Eri valmistajilla tuotteita koko järjestelmälle, esim: Nokia DX 200/220 7

Multipleksointi, PCM järjestelmät ja PDH PCM-järjestelmän perusta on puheen koodaus 8 khz näytteenottotaajuudella ja 8bittiä / näyte -> 64 kb/s bittinopeus. Puheen koodaus tehdään epälineaarisesti siten, että pienimmillä signaalitasoilla näytteenottotasojen välit ovat pienemmät kuin suuremmilla: Euroopassa A-law koodaus, Pohjois-Amerikassa µ law koodaus. 32 kanava multipleksoidaan aikajakotekniikalla (TDM) yhteen, jolloin saadaan 2.048 Mb/s signaali. Tämä 32 aikaväliä sisältävä kehys on ns. E1 kehys, joka siis toistuu 8 khz taajuudella. Näitä kehyksiä multipleksoidaan seuraavaksi 4 kpl yhteen TDM tekniikalla. Tällöin saadaan 8.448 Mb/s signaali, jossa kehystaajuus on edelleen 8 khz, mutta nyt kehyksessä onkin 4x32 kanavaa. PDH-järjestelmissä seuraava multipleksointiaste on 4x. Yleiset PDH siirtonopeudet ovat: 2.048, 8.448, 34.368 ja 139.264 Mb/s. 8

Synhcronous Digital Hierarchy, SDH N. vuodesta 1990 alkaen PDH:n on syrjäyttänyt SDH, joka on synkroninen järjestelmä. Siinä peruskehyksellä STM-1 siirtonopeus on 155.52 Mb/s. PDH liitäntöjä on kuitenkin edelleen käytössä. SDH laitteissa on usein liitännät eri PDH signaaleille. PDH ja SDH ovat piirikytkentäisiä järjestelmiä. Kun palvelu kytketään käyttöön, käyttäjä saa koko kanavan käyttöönsä. Käytännössä useinkin IP-dataa siirretään piirikytkentäisessä suuren bittinopeuden (kuitua käyttävässä) kanavassa, bittinopeuden ollessa 2.5-10 Gb/s. 9

SDH kehys ja siirto Synchronous Digital Hierarchy (SDH) peruskehys on kooltakaan 9x270 tavua. Jälleen kehysnopeus on 8 khz! Bittinopeus on: 8 khz * 8 bit * (270*9) =155.52 Mb/s PCM puhekoodauksen kehysnopeus tarkoittaa sitä, että yhden puhekäyttäjän bitit siirtyvät yhtenä tavuna kehyksen sisällä. Tavun paikka alun synkronointitavut jne. on tarkasti standardoitu. SDH:ssa seuraavat suurimmat siirtotaajuudet saadaan kertomalla edellinen neljällä. STM-1: 155,52; STM-4: 622.080 Mb/s; sekä STM-16: 2.488320, STM-64: 9.953280 ja STM-256: 39.813120 Gb/s. STM-N merkinnässä N -> STM-1multipleksoitujen signaalien määrä. Lähetys tapahtuu lukemalla kehys rivi riviltä ja lähettämällä bitit siirtolinjalle. Kehyksen synkronointitavut Kehyksen bitit siirretään linjalle lukemalla rivi riviltä Tavu 8 bittiä: Yhden tavun Siirtokapasiteetti 64 kb/s Kehyksen kesto 125 µs -> 8kHz toistotaajuus 10

Aallonpituusmultipleksointi Aallonpituusmultipleksointi, eli WDM (Wavelength Division Multiplexing); perusidea: Samaan kuituun kytketään lasersignaaleita, jotka ovat omilla tarkoilla aallonpituuksillaan (taajuuksilla), WDM on siis FDM tekniikka, jolla kuidun kapasiteetti jaetaan osiin. Kullakin aallonpituudella bittinopeus voi olla esim. 10 tai 40 Gb/s. Kanavien lukumäärä on useita kymmeniä.. >100. Tällä menettelyllä kuidusta saadaan suhteellisen edullisesti valtavan suuri kapasiteetti! Tekniikka on tarkkuuden takia kuitenkin vaativaa. WDM-MUX WDM-DEMUX Laser lähettimet tarkalla aallonpituus jaolla Tx Tx Tx Tx λ 1 λ 2 Booster 80-160 km λ 3 λ 1, λ 2, λ 3, λ 4 λ 4 Esivahvistin λ 1 λ 2 λ 3 λ 4 Rx Rx Rx Rx Laajakaistaiset optiset vastaanottimet WDM järjestelmän pääkomponentit: Laserlähettimet, jotka on stabiloitu lähettämään tietyllä aallonpituudella WDM- multiplekseri (WDM-MUX), yhdistää optisesti eri aallonpituudet etenemään yhdessä kuidussa. Optiset vahvistimet: Booster vahvistin lisää tehoa WDM-MUX:in jälkeen (ja kompensoi WDM-MUX:in häviöt), optinen esivahvistin kompensoi WDM-DEMUX:in häviöt ja lisää vastaanottimen herkkyyttä ~ 10 db. Huomattakoon, että WDM-DEMUX toimii samalla kapeakaistaisena optisena suotimena päästäen vain halutun aallonpituisen valon ja rajoittaa kohinan pienelle kaistalle! λ 11

Puhelinverkon numerointi International Prefix: Ulkomaan tunnus Country Code: Maatunnus Area code: Suuntanumero, matkapuhelinverkoissa tämä on verkon tunnus, esim. 040 Sonera (numeron siirrettävyys luo tähän tosin välikerroksen) Subscriber number: Asiakkaan puhelinnumero 12

Puhelun muodostamiseen tarvitaan merkinanto Jotta puhelu saataisiin kytkettyä halutulle vastaanottajalle tarvitaan ohjaus eli merkinanto (en. Signalling, us en. Signaling). Puhelua muodostava tilaaja (A-tilaaja, A-Subcriber tai caller) nostaa luurin ja näppäilee numeron. Keskus tulkitsee numeron ja puhelu välitetään vastaanottajalle (B-tilaaja, B-Subscriber tai callee). Nykyään koko maailman puhelinverkossa signaloinnissa on käytössä YhteisKanava Merkinanto (YKM), en. Common Channel Signaling ja no 7 (CCS #7, toinen nimi Signaling System no.7, SS7). Samaa järjestelmää käytetään myös GSM ja 3G matkapuhelinjärjestelmien puheluiden ohjaamiseen 13

Puhelun yhdistäminen (1) A-tilaaja nostaa luurin, jonka lähtökeskus K2 havaitsee kutsuna ja valmistautuu vastaanottamaan puhelinnumeron. K2 analysoi numeron ja huomaa, että puhelu on yhdistettävä keskukseen K1. Lisäksi selviää yhdysjohtoverkon lähtömerkinantotapa ISUP (ISDN User Part). Lähtökeskus hakee ja varaa yhdysjohdolta vapaan 2M johdon ja aikavälin (PCM3, TSL 18). Seuraavaksi lähtökeskuksen ISUP-käyttäjäosa koodaa tietosanomatyyppisen aloitussanoman IAM (Initial Address Message), jonka päätehtävä on varata johto ja aikaväli vastaanottavasta keskuksesta K1 (PCM3, TSL 18). IAM sanoma koostuu eri osista ja sen pituus on esim. 21x8bittiä. Jos sanoman käsittelyssä keskuksessa K1 todetaan puhelinnumeron kuuluvan po. keskukselle, lähetetään tilaajalle sanoma numerot vastaanotettu viesti ACM (Addres CoMplete). 14

Puhelun yhdistäminen (2) Seuraavaksi keskus K1 tutkii B-tilaajan tilan, ja jos vapaa lähettää B-tilaajalle soittomerkkiä ja A-tilaajalle taaksepäin soiton merkkiääntä. Lisäksi tulokeskus lähettää taaksepäin sanoman puhelun eteneminen CPG (Call ProGress). Tämän seurauksena lähtökeskus kytkee yhteyden puhetien kytkinkentässään. A-tilaaja alkaa kuulla soiton merkkiääntä. Kun B-tilaaja vastaa, tulokeskus lähettää tiedon taaksepäin sanomalla vastaus, ANM (Answer) ja kytkee samalla puhetien. Yhteyden muodostusvaihe on ohi ja puhetila alkaa. Puhetila päättyy ja sulkuvaihe alkaa kun B- tilaaja sulkee puhelimen. Tulokeskus ilmoittaa siitä sanomalla REL (Release). K2 keskeyttää laskentasykäysten lähettämisen ja vapautta johdon. Kun tulokeskus K1 vastaanottaa RLC sanoman (Release Complete) sekin vapauttaa johdon. Kun A-tilaaja sulkee samalla koko yhteys päättty. A-tilaajan laskutustiedot tallennetaan laskentayksikköön. 15

Älyverkko puhelinverkossa Lähde: Vesa Volotinen, Tietoliikenne, WSOY 1999, ISBN 951-0-22600-9 Esimerkki tietoliikenne- ja tietojenkäsittelytekniikan integroitumisesta -> puhelinverkon palveluominaisuuksien kehittyminen kohti älyverkkoa (IN, Intelligent Network). Älyverkko ei ole uusi verkko, vaan uusien palvelumahdollisuuksien liittämistä puhelinverkkoon, esim. palvelunumerot. Älyverkkokonseptissa koko puhelin- ja matkapuhelinverkon älyverkkopalvelut tarjotaan keskitetysti yhdestä palvelunohjauspisteestä SCP (Service Qontrol Point). SCP-pisteeseen liittyy palvelunhallintajarjestelmä SMS (Service Management System), jonka avulla sekä palvelu- että asiakaskohtaisia tietokantoja hallitaan ja ylläpidetään. Älyverkossa irrotetaan A-tilaajan valitsema puhelinnumero B-tilaajan todellisesta numerosta. Samoin maksu irrotetaan puhelusta, kaukopuhelu voi olla soittajalle ilmainen tai paikallispuhelu kallis. 16

Älyverkon palveluita Soitonsiirto Erityishintaiset numerot (yritys- ja viihdenumerot) Viihdelukot Vastaanottajan maksamat numerot Matkapuhelimien numeronsiirto Vastaajapalvelut (vastaajajärjestelmä on älykäs lisälaite, intelligent peripherial) Prepaid SIM jne. 17

Esimerkki älyverkkopalvelusta (IN) Oletetaan, että pääsylippupalvelulla on valtakunnallinen yritysnumero 020-1234 sekä palvelupaikat Helsingissä ja Tampereella. Molemmista palvelupaikoista on saatavana useita erityyppisiä lippupalveluja. Helsingissä oleva matkapuhelintilaaja haluaa illaksi elokuvalipun ja soittaa lippupalvelun yritysnumeroon (020-1234). Puhelu ohjautuu SSP-pisteenä toimivan GSM-verkon keskuksen kautta älyverkon palvelunohjauspisteeseen (SCP), joka saa samalla tietoonsa soittajan fyysisen sijaintialueen (LA). Se paljastaa soittajan olevan Helsingissä, joten häntä tullaan palvelemaan tämän kaupungin lippupalvelusta. Sitä ennen selvitetään kuitenkin, mitä palvelua asiakas haluaa. SCP-piste lähettää tallennetun lisätieto-pyynnön: "Jos haluatte varata teatterilipun valitkaa numero 4, Jos haluatte varata elokuvalipun valitkaa numero 5." Kun asiakas on valinnut oikean numeron, älyverkko ohjaa puhelun lisävalintaa 5 vastaavaan B-tilaajan todelliseen numeroon 09-6789555, jossa vasta elokuvalippuja myyvä asiakaspalvelija on. GSM-puhelimen SIMkortin tilaajatietojen perusteella palvelu tapahtuu joko suomen- tai ruotsin kielellä. Lähde: Vesa Volotinen, Tietoliikenne, WSOY 1999, ISBN 951-0-22600-9 18

IP ohjaa verkkojen kehitystä Sovelluskerros SMTP = Simple Mail Transfer Protocol HTTP = Hypertext Transfer Protocol SIP = Session Initiation Protocol TCP = Transmission Control Protocol UDP = User Datagram Protocol Alimmat kerrokset MPLS = Multiprotocol Label Switching WLAN = Wireless Local Area Network GPRS = General Packet Radio Protocol IP on mitä sanoo: Inter-network Protocol IP erottaa yläkerran alakerrasta ja verkot toisistaan teknisesti liiketoiminnallisesti Alakerran protokollat kilpailevat keskenään Yläkerran protokollat kilpailevat keskenään 19

Runkoverkkotekniikkojen kehitys Uudet palvelut käyttävät käytännössä IP-protokollia. Tällöin runkoverkkoliikenteestä valtaosa on dataliikennettä, piirikytkentäisen puheen osuuden pienetessä. Operaattoreiden kannalta erillinen piirikytkentäinen verkko puheen siirtoon on jatkossa kallis ylläpidettävä, ja menossa onkin voimakas siirtyminen pakettipohjaiseen siirtoon runkoverkossa. Tekniikkoja ovat mm.: MPLS (Multiprotocol Label Switching), jossa IP pakettien eteen laitetaan leima (Label), jonka perusteella reititys tapahtuu, ts. Ei tarvita tutkia IP-pakettien otsaketietoa. Tämä tehostaa verkkoa merkittävästi. Carrier Grade Ethernet. Ts. Käytetään Ethernet kehysten siirtoa. Metro Ethernet Forum:in (MEF) vaatimukset ovat: Riittävä palvelun laatu (QoS), luotettavuus, skaalautuvuus, palveluiden hallinta, ja tuki piirikytkentäiselle liikenteelle. Carrier Grade Ethernet:issä operaattorille toteutusvaihtoehtoja ovat: Ethernet over ATM; Ethernet over copper; Ethernet over MPLS; Ethernet over SDH/Sonet; Ethernet over WDM; natiivi Switched Ethernet; multilink point-to-point protocol (MLPPP) ja langattomia myös Wifi ja Wimax. WDM ja Optical Transport Network (OTN). Huomattakoon, että piirikytkentäiset optiset runkoverkkotekniikat soveltuvat hyvin IP-liikenteen siirtoon. IP:n kannalta ne ovat kerrosta 1-2; niiden olemassaolo on tärkeää tehokkaalle ja luotettavalle siirrolle. Siirtymisessä All-IP verkkoihin haasteina ja huomioitavina asioina ovat mm.: Palvelun laatu (erityisesti end-to-end), hyvälaatuisen puheen siirto globaalisti, synkronointi (esim. tukiasemille) 20

Puhe IP:llä - Voice over IP (VoIP) Kun / jos piirikytkentäisestä verkosta ollaan siirtymässä pakettiverkkoon, tarvitsee puhekin siirtää IP:nä. Tätä tehdään jo laajassakin mitassa, mutta lähinnä yhden operaattorin verkon sisällä, tai yhden firman LAN verkossa tai avoimessa Internetissä olevan palvelun sisällä (esim. Skype) Kun mennään toisen operaattorin verkkoon kyse tulee siitä miten puhelu välitetään? Puhelinverkossa signaloinnista, siis puhelun reitittämisestä, huolehtii SS7 signalointiverkko maailmanlaajuisesti, IP-verkossa ei ole tällaista laajasti käytössä, vaan signalointi on kunkin järjestelmän sisällä. Kun VoIP puhe siirtyy piirikytkentäiseen puhelinverkkoon tarvitaan Gateway, joka muuntaa sekä puheen koodauksen, että signaloinnin PSTN maailmaan. IP-maailmassa signaloinnin voi hoitaa SIP (Session Initiation Protocol) tai H. 263 protokolla. Monille tunnettu VoIP järjestelmä on Skype, joka tarjoaa ilmaiset VoIP puhelut Internet:iin liitetyille päätelaitteille. Jos halutaan soittaa vaikkapa matkapuhelimeen puhelu menee PSTN Gateway:n kautta ja se maksaa, koska mobiilioperaattorit eivät luonnollisestikaan halua antaa ilmaisia puheluita. Kysymys onkin pitkälle siitä kuka maksaa ja mistä. Operaattorin pitävät maailmanlaajuisen verkon (puhelinverkko ja Internet) toiminnassa, ja tarvitsevat tuloja voidakseen tehdä sen. 21

Miten IP puhe eroaa piirikytkentäisestä puhelinjärjestelmästä? IP puhelut Äänestä otetaan 10 40 ms pätkiä, jotka koodataan sopivalla koodekilla lähetettäviksi biteiksi. Näytteen bittejä voidaan kytkeä rinnakkain Ei yhtenäistä puheenkoodaus standardia Päästä-päähän viive on suuri haaste Terminaalit ovat älykkäitä kuluttajamarkkinan taloudellisuus Puheen ohjaus eri reittiä kuin varsinainen puheen data- ensin selvitetään saadaanko osapuolten välille yhteys ja sitten vasta yhdistetään puhe. Piirikytkentäiset puhelut Puhenäyte = 8 bittiä A- and µ-law PCM puhekoodaus Verkko suunniteltu referenssi kytkennän periaatteiden mukaan=> päästä päähän viive hallinnassa (yleensä < 50 ms) langalliset puhelimet ovat tyhmiä Matkapuhelimet ovat varsin älykkäitä Puhelun ohjaus sidottu puheen reittiin Älyverkkokonsepti (IN) käytössä uusille palveluille: yhdistää puhelinverkon tietokonemaailmaan. 22

SIP: Session Initiation Protocol Tulevaisuudessa puhelut, videopuhelut jne. hoidetaan IP-pakettiverkoissa tai Internetin välityksellä Ihmiset tunnistetaan nimen tai sähköpostiosoitteen perusteella puhelinnumeron sijasta Voit saada kiinni vastaanottaja riippumatta missä hän on (roaming) tai riippumatta siitä mitä IP-laitetta hän käyttää. SIP standardi: RFC 3261 Mutta esimerkiksi Skype käytää omaa suljettua järjestelmää 23

Puhelun yhdistäminen Alice 167.180.112.24 tunnettuun IP osoitteeseen Bob INVITE bob@193.64.210.89 c=in IP4 167.180.112.24 m=audio 38060 RTP/AVP 0 port 5060 port 5060 200 OK c=in IP4 193.64.210.89 m=audio 48753 RTP/AVP 3 ACK port 5060 193.64.210.89 Bob's terminal rings q Alice:n SIP kutsuviesti (invite) antaa hänen porttinumeronsa, IP-osoitteen ja suositellun median koodauksen (PCM µ-law) q Bob:in 200 OK viesti antaa hänen porttinumeronsa, IPosoitteen ja suositellun median koodauksen (GSM) port 38060 GSM µ Law audio port 48753 q Tämän jälkeen soitto jatkuu q SIP viesti voidaan lähettää TCP:n tai UDP:n yli; tässä käytetään RTP/UDP. time time q Oletus SIP porttinumero on 5060. 24

Yhteenveto Perinteinen puhelinverkko on piirikytkentäinen, joka sykkii 8 khz taajuudella: puhe koodataan sillä ja kehystaajuus siirrossa (PDH, SDH, WDM, OTN) on sama 8 khz. Puhelinjärjestelmä ja siihen liittyvä matkapuhelinjärjestelmä toimii luotettavasti jokaisessa maapallon kolkassa. Signalointijärjestelmä SS7 yhdistää kaikki puhelinverkot toisiinsa. Uudet palvelut käyttävät käytännössä IP-protokollia. Tällöin runkoverkkoliikenteestä valtaosa on dataliikennettä, ja operaattorit ovat siirtymässä kohti yhteistä pakettipohjaista runkoverkkoa, joka siirtää sekä puheen, että muut palvelut. Televerkoissa nykyään tärkeitä runkoverkkotekniikoita ovat IP/MPLS ja Carrier Grade Ethernet, SDH, optinen WDM siirto ja Optical transport Network (OTN) kehystys. Runkoverkossa trendinä kerrosten 2 ja 3 yhdentyminen. Puheen ja multimediasessioiden yhdistämiseen IP verkoissa tarvitaan signalointia ja tähän on käytössä mm. Session Initiation Protocol, SIP. SIP luo päätelaitteiden välille IP-yhteyden ja itse data voi sen jälkeen liikkua pitkin eri reittiä. Käyttäjät tunnistetaan erilaisilla nimillä kuten puhelinnumero, sähköpostiosoite jne. SIP on joustava erilaisille asiakaslaitteille ja ohjelmille, sekä sopii eri verkkoihin ja yhdistämään erilaisia verkkoja Gateway-laitteiden kautta. 25

Esimerkkejä tenttikysymyksistä Kuvaile jokin kanavointimenetelmä (multiplexing method). Kerro tärkeimmät ominaisuudet ja miksi sitä käytetään kyseisessä ympäristössä. Kuvaile ja piirrä signalointikaavio, jossa SS7-verkon ja puhelinverkon yhteistoiminta kun tavallisen lankaverkon käyttäjä soittaa ystävälleen, joka vastaa puheluun. Puhelinverkon siirtojärjestelmät (PDH ja SDH) tarvitsevat hyvin synkronoituja kelloja. Miksi? Ja miksi Internet ei tarvitse tarkkaa kellonaikatietoa? Jos tukiasema liitetään IP:llä verkkoon, tarvitaanko tarkkaa synkronointia? Miksi SIP:ssä voidaan käyttää erilaisia tunnisteita kuten sähköpostiosoitteita asiakkaiden identifioimiseen? Miksi globaalisti puhe ja video vaatii jotain muutakin (mitä?) kuin pelkkää IP-pakettien best-effort siirtoa. Miten luotettavasti toimiva piirikytkentäinen siirtoverkko voi auttaa tässä? 26

MATKAPUHELINVERKOT 27

Luennon sisältö Soluverkkojen eli matkapuhelinverkkojen toimintaperiaatteet GSM Äänipuhelu Ydinkysymyksiä: Kuinka kommunikoidaan puhelimen kanssa? Kuinka löydetään puhelin? Kuinka hallitaan puhelinten liikkumista? Paljon kirjainlyhenteitä, mutta tavoitteena on oppia perusperiaatteet ei nippelitietoa eri standardeista

Mobiiliympäristön haasteita Langaton (wireless communication) Tiedonsiirtovirheet -> paketteja katoaa Linkkien kapasiteetti vaihtelee (esim. paikan tai muiden käyttäjien perusteella) Rajallinen kaistanleveys Suuntaamaton lähetys Liikkuva (mobile communication) Verkon topologia muuttuu jatkuvasti Tilaajien paikan hallinta Käyttäjien liikkuminen Taskussa kulkevat laitteet (handheld) Virrankulutus -> akun kesto Rajalliset resurssit (esim. CPU, muisti)

Historia ARP NMT GSM (2G) 1993 GPRS (2.5G) 2001 3G 1999 LTE 2009 Analoginen Digitaalinen Suurempi tiedonsiirtonopeus Paikallisista globaaleihin standardeihin Pienempiä, kevyempiä, fiksumpia, päätelaitteita 30

SOLUVERKKO JA SEN KESKEISET KOMPONENTIT 31

Mobiiliverkon periaate Maantieteellisesti laajalle alueelle halutaan kattava langaton viestintäpalvelu Viestimen on pystyttävä liikkumaan ja viestimään samanaikaisesti Alue jaetaan soluihin, joihin asennetaan solun kattava lähetin-vastaanotin Käytössä oleva taajuusalue jaetaan soluihin siten että samaa taajuutta ei käytetä vierekkäisissä soluissa Viestimen siirtyessä solun alueelta toiselle, verkko havaitsee tämän ja ohjaa viestimen vaihtamaan käyttämäänsä taajuutta

Soluverkon arkkitehtuuri Solu q kattaa maantieteellisen alueen q tukiasema useita lähetin-vastaanottimia q mobiilikäyttäjä radioyhteydessä tukiasemaan q ilmarajapinta: fyysisen ja linkkikerroksen protokolla MSC q kytkee solut tietoliikenneverkkoon q hallinnoi puhelun muodostusta q hallinnoi tilaajan liikkumista radiopuhelinkeskus (MSC) radiopuhelinkeskus (MSC) Julkinen puhelinverkko & Internet 6: Wireless and Mobile Networks 6-33

GSM: soluverkko Todellinen kattavuusalue (riippuu mm. maastonmuodoista, antennien suuntauksesta, lähetystehosta) cell Ideaalisesti kuusikulmioita Alue jaetaan soluihin. Kullakin solulla oma taajuus Perustekniikka on käyttää eri taajuuksia vierekkäisissä soluissa ja uudelleenkäyttää taajuudet kauempana Solukoot vaihtelevat: 50 m - 35 km Pikosoluja rakennuksien sisällä, mikrosoluja esim. yhtä katua varten, makrosoluja harvaan asutuilla alueilla Koska radioverkon rakentaminen maksaa, kyseessä on optimointiongelma Rajallinen määrä taajuuksia käytettävissä Kattava verkkopeitto kaikkialle Riittävä kapasiteetti

Esimerkki tukiasemien peittoalueista 35

GSM:n arkkitehtuuri tukiasemajärjestelmä (BSS) keskusjärjestelmä (NSS) PSTN matkaviestin (MS), SIM-kortti tukiasema (BTS) tukiasemaohjain (BSC) radiopuhelinkeskus (MSC), vierailijarekisteri (VLR) kauttakulku- MSC (GMSC) Laitteiden tunnistusrekisteri (EIR) kotirekisteri (HLR) Tunnistuskeskus (AuC)

GSM-verkon rakenne Verkko koostuu useista osista, joilla on oma tehtävänsä Osien tehtävät on määritelty tarkasti, jotta eri valmistajien komponentteja voidaan yhdistellä Osien välillä on määritellyt rajapinnat, eli sovitut protokollat Rakenne on huomattavasti monimutkaisempi kuin esim. Internetin arkkitehtuuri Piirikytkentäisyys Käytön maksullisuus Luotettavuus ja varmuus Verkko on suunniteltu kymmenien vuosien investointisyklejä varten ja siihen voidaan lisätä uusia ominaisuuksia

Tukiasemajärjestelmä Base Station Subsystem (BSS) Tukiasemajärjestelmä sisältää mobiiliverkon radiorajapintaan ja liikkuvuuteen liittyvät toiminnot Tukiasemaohjain, Base Station Controller (BSC) ohjaa alaistensa lähettimien toimintaa halliten verkkoa Allokoi radioverkon aikavälit Hallitsee tukiasemanvaihtoja Ilmoittaa MSC/VLR:lle aluellaan olevista matkaviestimistä Ei tiedä viestimen tarkkaa sijaintia ennen kuin sitä tarvitaan Tukiasema, Base Transceiver Station (BTS) Ohjaa lähetin-vastaanottimia, joita voi olla useita Kukin lähetin-vastaanotin käyttää yhtä taajuutta ja kahdeksaa aikaväliä Tukiasemassa voi olla enintään kuusi taajuutta, joten solun maksimikapasiteetti on 45 puhelua (3 aikaväliä varataan merkinantoon) Transcoding Rate and Adaptation Unit (TRAU) koodaa puhelinverkon 64 kb/ s PCM-koodatun puhevirran 13 kb/s virraksi

Tukiasema 39

Keskusjärjestelmä Network and Switching Subsystem (NSS) Rakentuu perinteisen puhelintekniikan varaan SS7-merkinanto, älyverkon palvelut ja ISDN-digitaalitekniikka Radiopuhelinkeskus, Mobile Switching Center (MSC) Verkossa on yksi tai useampia MSC:tä ISDN-puhelinkeskus laajennettuna matkaviestintään Vierailijarekisteri, Visitor Location Register (VLR) MSC:n yhteyteen liitetty tietokanta, jossa ylläpidetään tietoa MSC:n alueella olevien viestimien sijainnista BSC:n tarkkuudella Kauttakulku-MSC, Gateway Mobile Switching Center (GMSC) Liittää järjestelmän muuhun puhelinverkkoon Kotirekisteri, Home Location Register (HLR) Tilaajakohtaiset tiedot palveluiden toteuttamiseen, kuten International Mobile Subscriber Identity (IMSI) MSISDN (Mobile Subscriber ISDN number) Sekä Location Area Code, joka kertoo minkä MSC:n alaisuudessa viestin on Tunnistuskeskus Authentication Center (AuC) HLR:n yhteydessä sisältää asiakkaan todentamiseen tarvittavan tiedon Laitteiden tunnistusrekisteri, Equipment Identity Register (EIR) Esim. International Mobile Station Equipment Identity (IMEI) -koodeja varastettujen laitteiden sulkulistaa varten

Mobile Station (MS) Matkaviestin MS koostuu kahdesta osasta Matkaviestinlaite, Mobile Equipment (ME) Radiolähetin-vastaanotin Käyttöliittymä Muistia ja tietojenkäsittelykapasiteettia merkinantoon, salaukseen tekstiviesteihin jne. Liittymätunnistekortti, Subscriber Identity Module (SIM) Toimikortti, eli oma keskusyksikkö ja muisti Sisältää tunnistetiedot AuC:lle tunnistautumista varten

Muita verkon osia Laskutusjärjestelmä Käyttötukijärjestelmä, Operations Support System (OSS) Koko järjestelmän hallintajärjestelmä (esim. uusien käyttäjien ja palveluiden lisääminen) Valmistajakohtainen, ei standardoitu Tekstiviestipalvelu, Short Message Service (SMS) SMS-keskus, SMSC Tallettaa ja edelleenlähettää SMS-viestit Lisäarvopalvelut Hyödyntävät mm. älyverkkoja Vastaajapalvelut, soitonsiirto, puhelinneuvottelut jne. Palomuurit, NAT ja muut Internet palvelupalaset Koska kommunikaatio on maksullista laitteen ulkopuolelta tulevia yhteydenottoja halutaan rajoittaa

Radiorajapinta Radiotaajuuksien määrä on rajallinen Operaattorit hankkivat (ostavat) käyttöoikeuden taajuuskaistaan Eri menetelmiä jakaa käytettävissä olevaa radiokaistaa frequency bands time slots

GSM radiorajapinta Yhdistelmä FDMA (Frequency Division Multiple Access, taajuusjako) ja TDMA (Time Division Multiple Access, aikajako) tekniikoista Solu käyttää vakiotaajuutta Puhelu käyttää sille sovittuja aikavälejä Aikavälit (per puhelu) Taajuusalueet (per solu) Nopean datasiirron ongelma: tarvittaisiin enemmän aikavälejä, mutta vain datasiirron ajaksi

YDINTOIMINNALLISUUS PUHELUN MUODOSTUS SIJAINNIN PÄIVITYS TUKIASEMAN VAIHTO (HANDOVER) PUHELUN AIKANA 45

Liikkuvuuden hallinta kotiverkko: oman mobiilioperaattori verkko (esim. Elisa, Sonera) Kotirekisteri (home location register (HLR)): oman operaattorin tietokanta, joka sisältää puhelinnumeron, profiilitietoa (palvelut, preferenssit, laskutus), tiedon nykyisestä paikasta (voi olla toinen verkko) vierailuverkko: verkko jossa puhelin tällä hetkellä on (voi olla esim.ulkomaisen operaattorin verkko mutta myös oma kotiverkko) Vierailijarekisteri (visitor location register (VLR)): tietokanta, jossa tieto jokaisesta laitteesta, joka on tällä hetkellä verkossa 6: Wireless and Mobile Networks 6-46

GSM: Puhelun muodostus HLR 2 kotiverkko Soittaja GMSC kysyy HLR:tä minkä keskuksen alla puhelin on GMSC MSC kysyy VLR:tä, minkä BSC:n alla puhelin on vierailuverkko BSC VLR 4 MSC 3 1 Puhelu ohjataan GMSC:lle Julkinen puhelinverkko 5 BSC Puhelu ohjataan vierailuverkon MSC:lle Mobiilikäyttäjä 6 BSC lähettää hakuviestin tukiasemilleen ja pyytää puhelinta ilmoittautumaan Puhelin signaloidaan hälyttämään ja vastattaessa puhelu voidaan muodostaa

Puhelun välitys matkaviestimeen Kun perinteisestä puhelinverkosta soitetaan matkapuhelimeen, puhelu saapuu ensin GMSC:lle GMSC kysyy HLR:ltä minkä keskuksen alueella puhelin on ja puhelin ohjataan tälle MSC:lle MSC kysyy VLR:ltä minkä BSC:n alueella puhelin on BSC lähettää hakuviestin tukiasemilleen ja pyytää puhelinta ilmoittautumaan Puhelimen vastatessa sen sijainti tiedetään (tukiaseman lähettimen tarkkuudella) ja puhelu voidaan yhdistää

Sijainnin päivitys Mobiiliverkon olennainen osa on liikkuvuuden hallinta Solut ovat limittäin ja tyypillisesti viestin voi havaita useita tukiasemia (BTS) Tukiasemat lähettävät niitä ohjaavan tukiasemaohjaimen (BSC) tunnistetta Kun matkaviestin ei ole käytössä, mutta on päällä, se seuraa tunnisteita Kun viestin havaitsee BSC:n tunnisteen muuttuvan, se pyytää uudelta BSC:ltä sijainnin päivitystä BSC välittää MSC:lle tiedon viestimen siirtymisestä sen alueelle MSC tallettaa vierailijarekisteriin (VLR) tiedon viestimen sijainnista ja lähettää myös tiedon vanhalle BSC:lle Näin verkko on tietoinen viestimen summittaisesta sijainnista Kompromissiratkaisu

GSM: Tukiaseman vaihto (Handover, handoff) Tavoite: reitittää puhelu uuden tukiaseman kautta (ilman katkoa) Vanha BSS receive level BTS old VLR Vanha reitti MSC Uusi reitti receive level BTS old Uusi BSS Syitä : Vahvempi signaali uudessa tukiasemassa (yhteyden ylläpito, virrankulutuksen säästö) Kuorman jako: vapauta kanava nykyisessä tukiasemassa. Syytä ei ole määritelty GSM standardissa ainoastaan mekanismi Voi vaatia myös MSC:n vaihdon HO_MARGIN MS MS BTS old BTS new

GSM: Tukiaseman vaihto Vanha BSS 1 VLR 8 MSC 4 2 7 5 6 3 Uusi BSS Huomaa. Tässä BSS kattaa sekä tukiaseman (BTS) että radiokontrollerin (BSC) toiminnot 0. Mobiili mittaa havaitsemiensa tukiasemien voimakkuutta 1. Vanha BSS päättää vaihdon aloittamisesta ja välittää MSC:lle tiedon mahdollisista BSS:stä 2. MSC luo yhteyden uuteen BSS:ään 3. Uusi BSS varaa radiokanavan mobiilin käyttöön 4. Uusi BSS signaloi MSC:lle ja uudelle BSS:lle kun on valmis 5. Vanha BSS signaloi mobiilia vaihtamaan 6. Mobiili ja uusi BSS aktivoivat uuden kanavan 7. Mobiili signaloi MSC:lle kun vaihto on valmis MSC uudelleen reitittää puhelun 8 Vanhat resurssit vapautetaan.

Tukiasemanvaihto (handover) Puhellun ollessa käynnissä sijainnin päivittäminen on vaativampaa Yhden tukiasemaohjaimen (BSC) alueella BSC hallitsee radiorajapinnan ja seuraa viestimen liikkumista Kun tukiaseman vaihtaminen tulee aiheelliseksi, BSC varaa uudelta tukiasemalta kanavan (taajuus ja aikaväli) ja lähettää viestimelle käskyn siirtyä uudelle kanavalle Tätä kutsutaan kovaksi vaihdoksi (hard handover) Pehmeässä vaihdossa viestinlaite olisi yhteydessä useampaan tukiasemaan samanaikaisesti MSC hoitaa vaihdon BSC:n alueelta toiselle

Verkkovierailu (roaming) Viestin voi käyttää myös muiden operaattorien verkkoja, mikäli operaattorit ovat sopineet tästä Tunnistus välitetään SIM-kortilta korttia vastaavan operaattorin AuC:lle

SMS tekstiviestipalvelu SMC tallettaa ja edelleen lähettää tekstiviestit Paikantaa puhelimen kuten puhelunmuodostuksessa 54