TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA. Sähkö- ja tietoliikennetekniikka. Tietoliikennetekniikka INSINÖÖRITYÖ. UMTS:n pakettikytkentäinen tiedonsiirto - PDF
Download "TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA. Sähkö- ja tietoliikennetekniikka. Tietoliikennetekniikka INSINÖÖRITYÖ. UMTS:n pakettikytkentäinen tiedonsiirto"
1 TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA Sähkö- ja tietoliikennetekniikka Tietoliikennetekniikka INSINÖÖRITYÖ UMTS:n pakettikytkentäinen tiedonsiirto Työn tekijä: Huy Tan Työn ohjaaja: Seppo Lehtimäki Työn valvoja: Seppo Lehtimäki Työ hyväksytty: Seppo Lehtimäki lehtori
2 TEKNIIKAN JA LIIKENTEEN TOIMIALA INSINÖÖRITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Huy Tan Työn nimi: UMTS:n pakettikytkentäinen tiedonsiirto Päivämäärä: Sivumäärä: 35 Koulutusohjelma: Sähkö- ja tietoliikennetekniikka Suuntautumisvaihtoehto: Tietoliikennetekniikka Työn ohjaaja: lehtori Seppo Lehtimäki Tässä insinöörityössä tutkittiin, miten 3G-verkon nopeutta voi hyödyntää langattomana modeemina etätyökäytössä laajakaistan korvaajana. Työssä on tutustuttu 3G-verkon, UMTS:n pakettikytkentäiseen datansiirtoon GPRS:ään ja sen käyttöön laajakaistan korvaajana. Työn tavoitteena oli selvittää, soveltuuko UMTS/GPRS liikkuvan työn käyttöön laajakaistan korvaajaksi. Työssä selvitettiin UMTS- ja GPRS-verkon arkkitehtuuri sekä merkinanto ja siirtoprotokollat. Sekä käytiin läpi, miten voidaan hyödyntää UMTS-päätelaitetta langattomana modeemina. Työssä mitattiin UMTS/GPRS:n nopeus käytännössä. Vertailun vuoksi mitattiin myös GSM-verkon EGPRS-palvelun nopeus. Mitattuja nopeuksia verrattiin laajakaistanopeuksiin, jotta saatiin hahmotettua UMTS/GPRS:n nopeus käytännössä. Työn tuloksena saatiin selville, mitä UMTS/GPRS:n käyttö maksaa ja mihin kohderyhmään käyttö soveltuu. UMTS/GPRS on hinnaltaan vielä kohtalaisen kallis peruskäyttäjälle. Yritysten käyttöön UMTS/GPRS on oivallinen tapa tehdä etätyötä, kun ajatellaan palvelun liikkuvuutta ja joustavuutta, sillä puhelinta voidaan käyttää normaalisti tiedonsiirron aikana. Avainsanat: 3G, UMTS, GPRS
3 HELSINKI POLYTECHNIC ABSTRACT Name: Huy Tan Title: UMTS packet switched data service Date: November 10, 2005 Number of pages: 35 Department: Information technology Study programme: Telecommunications Supervisor: Seppo Lehtimäki, Lecturer The purpose of this graduate study was to examine how it would be possible to benefit from the speed of the 3G network as wireless modem, which could replace wideband while working out of office. This study introduces the 3G network, UMTS packet switched data transfer - GPRS and how the use of GPRS could replace the wideband. The main objective in this study was to examine whether UMTS/GPRS would be suitable for replacing the wideband when the person is working out of office or is on the move most of the working time. In this study the architecture of UMTS and GPRS network and also the signs and the transfer protocols were defined. One aim was to study how the UMTS main device could be used as a wireless modem. Thus, measurements of the speed of UMTS/GPRS were carried out. For comparison, the speed of the GSM network's EGPRS service was measured. By comparing the results obtained with the speed of wideband it was possible to find out the UMTS/GPRS speed in practise. The results of this study indicate what the costs of using UMTS/GPRS are and also the segment group who would benefit from using this UMTS/GPRS feature. In general, using UMTS/GPRS is quite expensive for regular consumers. But as for company purposes, UMTS/GPRS is a very convenient way when working out of office since the service package is both mobile and flexible. Moreover, the phone is accessible also while transferring data or information. Key words: 3G, UMTS, GPRS
4 SISÄLLYS TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYS LYHENTEET JA KÄSITTEET 1 JOHDANTO 1 2 UMTS-TEKNIIKKA UMTS-arkkitehtuuri UMTS-verkko Runkoverkko Radioverkko Päätelaitteet 5 3 PAKETTIKYTKENTÄINEN TIEDONSIIRTO UMTS-VERKOSSA GPRS:n arkkitehtuuri ja verkkoelementit SGSN GPRS-operointisolmu GGSN GPRS-yhdyskäytäväsolmu PCU - paketinohjausyksikkö HLR/GR koti/gprs-rekisteri GPRS:n rajapinnat Verkkotekniikat ja siirtoprotokollat ATM - verkkotekniikka IP - siirtoprotokolla Siirtoyhteys Merkinantotasot 18 4 UMTS/GPRS:N KÄYTTÖÖNOTTO JA MITTAUKSET UMTS-operaattorit Suomessa UMTS:n kuuluvuus Suomessa UMTS:n käyttökustannukset 24
5 4.4 UMTS päätelaitteen käyttö modeemina Ohjelmien asennus Yhteysohjelman käyttö Mittaus Mittauspaikka Mittalaitteet Mittauksen toteutus ja tulokset UMTS:n ja laajakaistan vertailu 32 5 YHTEENVETO 33 VIITELUETTELO 34 LIITTEET LIITE 1 Soneran UMTS-kuuluvuuskartta
6 LYHENTEET JA KÄSITTEET 3G Third Generation. Kolmannen sukupolven matkapuhelintekniikka. 3GPP Third Generation Partnership Project. Usean standardointielimen muodostama ryhmittymä, joka määrittelee kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmää. 8-PSK 8-Phase Shift Keying. EDGE:n käyttämä modulointitekniikka. AAL ATM Adaption Layer. ATM:n kytkentäkerrosten määrittely. AN Access Network. Pääsyverkko. ARQ Automatic Repeat Request. Selektiivinen uudelleenlähetys. ATM Asychronous Transfer Mode. Verkkotekniikka. AuC Authentication Centre. Tunnistuskeskus. BEC Backward Error Correction. Virheenkorjaus. BSC Base Station Controller. Tukiasemaohjain (GSM). BSS Base Station Sub-system. Tukiasema GSM-vekko. BSSAP Base Station Sub-system Application Protocol. Protokolla, joka huolehtii esim. tilaajan tunnistamisesta. BTS Base Transceiver Station. Tukiasema (GSM). CBR Constant Bit Rate. Vakionopeuksinen bittinopeus. CDMA-2000 Code Division Multiple Access as specifield in IS Gtekniikka, joka on käytössä Amerikassa ja Aasiassa.
7 CDR Charging Data Record. Laskutus tikki. CGF Charging Gateway Function. Laskutustiedon keräystoiminto. CN Core Network. Runkoverkko. EDGE Enhanced Data rates for Global Evolution. GSM:n uudistettu modulointimenetelmä. EGPRS Enhaced GPRS. GPRS:n evoluutioversio. EIR Equipment Identity Register. Laitetunnistusrekisteri. ETSI The European Telecommunications Standards Institute. Euroopan telealan standardointijärjestö. FDD Frequency Division Duplex. Taajuusjakoinen dupleksi. FR Frame Relay. Verkkotekniikka. GFC General Flow Control. Vuonohjaus. GGSN Gateway GPRS support Node. GPRS-yhdyskäytäväsolmu. GMSC Gateway MSC. Kauttakulku keskus. GMSK Gaussian Minimum Shift Keying. GSM:n modulointimenetelmä. GPRS General Packet Radio Service. Pakettikytkentäinen tiedonsiirtopalvelu. GR GPRS Register. GPRS-rekisteri. GSM Global System for Mobile Communications. Toisen sukupolven matkapuhelintekniikka. GSN GPRS Support Node. GPRS-ylläpitosolmu.
8 GTP GPRS Tunnel Protocol. GPRS-tunnelointiprotokolla. HEC Header Error Control. Otsikkokentän virhekontrolli. HLR Home Location Register. Kotirekisteri. IMSI International Mobile Subscriber Identity. Kansainvälinen GSMtilaajatunniste. IMT-2000 International Mobile Telecommunications ITU:n määrittämä 3G-standardi. IP Internet Protocol. Internet protokolla. IPv4 Internet Protocol version 4. Internet protokolla versio 4. IPv6 Internet Protocol version 6. Internet protokolla versio 6. ITU International Telecommunications Union. Kansainvälinen telealan standardointiorganisaatio. L1 Layer 1. MTP:n ensimmäinen kerros. L2 Layer 2. MTP:n toinen kerros. MAC Medium Access Control. GSM:n uudelleenlähetyksestä huolehtiva kerros. MAP Mobile Application Protocol. Ohjelmistoprotokolla. ME Mobile Equipment. Matkapuhelin. MM Mobility Management. Liikkuvuuden hallinta. MS Mobile Station. Matkapuhelin (GSM).
9 MSC Mobile Switching Center. Matkapuhelinkeskus. MTP Message Transfer Part. Sanoman kuljetusosa. Node B UMTS-tukiasema. PCU Packet Control Unit. Paketinohjausyksikkö. PDN Packet Data Network. Pakettidataverkko. PDP Packet Data Protocol. Pakettidataprotokolla. PLMN Public Land Mobile Network. Matkapuhelinverkko. PPP Point-to-Point Protocol. Tietoliikenneprotokolla. QPSK Quadrative Phase-Shift Keying. Nelivaiheinen modulointitekniikka. RA Routing Area. Reititysalue. RANAP Radio Access Network Application Protocol. Radio pääsyverkon ohjelmistoprotokolla. RLC Radio Link Control. Radiotien suojausprotokolla. RNC Radio Network Controller. Radioverkko-ohjain. RNS Radio Network System. UMTS-radioverkkojärjestelmä. RRC Radio Resource Control. Radioresurssin hallinta. S Send. Lähetys. SCCP Signalling Connection and Control Part. Reititysprotokolla. SGSN Serving GPRS Support Node. GPRS-operointisolmu.
10 SIM Subscriber Identity Module. SIM-kortti. SM Session Management. Yhteyden hallintaan. SS7 Signaling System No. 7. Yhteiskanava merkinanto. STM Syncronous Transfer Mode. Piirikytkentäinen verkkotekniikka. TCAP Transactions Capabilities Application Part. MTP:n siirtopalvelu. TCP Transmission Control Protocol. Tietoliikenneprotokolla. TMSI Temporary Mobile Subscriber Information. Tilapäinen GSMtilaajatunniste. TRAU Transcoder/Rate Adapter Unit. Transkooderi- ja nopeudensovituslaitteisto. UDP User Datagram Protocol. Tietoliikenneprotokolla. UE User Equipment. UMTS-päätelaite. UMTS Universal Mobile Telephone System. Kolmannen sukupolven matkapuhelinjärjestelmä. USIM User Services Identity Module. UMTS:n käyttäjän tunniste- ja palvelutiedot sisältävä älykortti. UTRAN UMTS Terrestrial Radio Access Network. UMTS:n radioverkko. VBR Variable Bit Rate. Vaihtuvanopeuksinen bittinopeus. VC Virtual Channel. Virtuaalikanava. WAP Wireless Application Protocol. Langattoman viestinnän sovellusyhteyskäytäntö.
11 WCDMA Wideband Code Division Multiple Access. Laajakaistainen koodijakoinen monipääsytekniikka. VCI Virtual Channel Identifier. Virtuaalikanavan määritys. WLAN Wireless Local Area Network. Langaton lähiverkko. VLR Visitor Location Register. Vierailijarekisteri. VoIP Voice over IP. Äänen siirto IP-verkossa. VP Virtual Path. Virtuaalipolku. VPI Virtual Path Identifier. Virtuaalinen yhteystien määritys. X.25 Pakettivälitteinen protokolla. xdsl x Digital Subscriber Line. Tietoliikenneyhteys, jossa tavallisella puhelinlinjoilla siirretään tietoa käyttämällä puhetaajuuksia korkeampia taajuuksia.
12 1 1 JOHDANTO Tässä insinöörityössä perehdytään 3G-verkon (Third Generation), UMTS:n (Universal Mobile Telephone System), pakettikytkentäiseen tiedonsiirtoon GPRS:ään (General Packet Radio Service). 3G:llä tarkoitetaan kolmannen sukupolven matkapuhelintekniikkaa. Yleisiä 3G-tekniikoita ovat UMTS ja CDMA2000 (Code Division Multiple Access as specifield in IS-2000). Yleisesti Euroopassa ja Aasiassa on käytössä UMTS, Amerikassa ja Aasiassa CDMA2000. UMTS on ETSI:n (European Telecommunications Standards Institute) standardoima. Nykyään standardia ylläpitää 3GPP (3G Partnership Project). Tarkkaa määritelmää 3G:lle ei ole. Yleensä 3G:n ominaisuuksiin lasketaan nopea tiedonsiirto. Tiedonsiirtonopeus on jopa 2 Mbit/s, joka mahdollistaa äänen ja kuvan siirron matkapuhelinverkossa. Yrityskäyttöön 3G tuo mahdollisuuksia etätyön tekemiseen nopean tiedonsiirron ansiosta. 3Gverkko tukee samanaikaisesti puheen ja datan siirtoa. Tämä tarkoittaa sitä, että tiedonsiirto ei katkea puhelun aikana. Käytännössä tämä mahdollistaa puhelimen modeemin käytön kannettavan tietokoneen kanssa esimerkiksi Bluetooth-yhteyden kautta. Tulevia palveluja, kuten videoneuvottelut, pikapuhelut ja VoIP-puhelut (Voice over IP), tullaan kehittämään 3G:n pohjalle. Sonera avasi Suomen ensimmäisen julkisen UMTS-verkon lokakuun 12. päivänä vuonna UMTS-TEKNIIKKA ITU (International Telecommunication Union) aloitti 3G-verkon määrittämisen ja nimesi sen IMT-2000:ksi (International Mobile Telecommunication 2000). Euroopan järjestelmästä, UMTS:tä, vastaa ETSI. Nykyään standardia ylläpitää 3GPP. UMTS käyttää radioverkkona WCDMAtekniikkaa (Wideband Code Division Multiple Access). [1, s ]
13 2 UMTS-spesifikaationumerointi noudattaa samaa periaatetta kuin alkuperäiset GSM-spesifikaatiot, eli järjestelmä on jaettu aihepiireittäin omiin numeroihinsa. Taulukossa 1 on lueteltu UMTS-spesifikaatioden aihealueet. UMTS:n spesifikaatiot löytyvät lähteestä [2]. Taulukko 1. UMTS-spesifikaationumerot [1, s. 302] Sarja Selitys 21 Määrityksiä ja vaatimuksia 22 Palvelunäkökohdat 23 Tekninen toteutus 24 Merkinantoprotokollat (tilaajalaite verkko) 25 UTRA (UMTS:n maanpäällinen radioverkko) 26 Koodekit 27 Data 28 Merkinantoprotokollat (radioverkko runkoverkko) 29 Merkinantoprotokollat (sisäinen ulkoinen verkko) 30 Työvaiheiden hallinta 31 SIM/USIM (tilaajan tunnistusmoduli) 32 Käyttö- ja kunnossapito 33 Turvallisuusnäkökohdat 34 Testispesifikaatiot 35 Suojausalgoritmit 2.1 UMTS-arkkitehtuuri UMTS-arkkitehtuuri perustuu kolmeen eri osaan, runkoverkkoon, (CN, Core Network), UMTS-radioverkkoon, (UTRAN, UMTS Terrestrial Radio Access Network) ja päätelaitteeseen, (UE, User Equipments). Runkoverkon ja radioverkon välinen rajapinta on I u. Radioverkon ja päätelaitteen välinen rajapinta U U. [1, s ]
14 3 Kuva 1. UMTS arkkitehtuuri [2, s. 12] 2.2 UMTS-verkko UMTS-verkko perustuu GSM 2+ (Global System for Mobile Communications) runkoverkon laajennukseen, johon lisätään UMTSradioverkkojärjestelmä (RNS, Radio Network system). Kuva 2. UMTS-verkko [3, s. 6] 2.3 Runkoverkko Runkoverkko jakautuu kahteen osaan, piirikytkentäiseen- ja pakettikytkentäiseen osaan. Piirikytkentäisiä elementtejä ovat matkapuhelinkeskus (MSC, Mobile Switching Center), Vierailijarekisteri (VLR, Visitor Location Register) sekä kauttakulkukeskus (GMSC, Gateway MSC). Pakettikytkentäisiä elementtejä ovat GPRS-operointisolmu (SGSN,
15 4 Serving GPRS Support Node) sekä GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN, Gateway GPRS Support Node). Yhteisiä osia ovat laitetunnusrekisteri (EIR, Equipment Identity Registery), kotirekisteri (HLR, Home Location Register), vierailijarekisteri (VLR, Visitor Location Registery) ja tunnistuskeskus (AuC, Authentication Centre). [4.] 2.4 Radioverkko UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) UMTS radioverkko, koostuu kahdesta eri osasta, radioverkko-ohjaimesta (RNC, Radio Network Controller) ja UMTS-tukiasemista (Node B). Tukiasemat palvelevat yhtä tai useampaa solua. UMTS radioverkko-ohjain (RNC) korvaa GSM-verkon tukiasemaohjaimen (BSC, Base Station Controller) ja UMTS tukiasema (Node B) korvaa GSM-tukiaseman (BTS, Base Tranceiver Station). UMTSpääsyverkko (AN, Access Network) UMTS-radioverkkojärjestelmä (RNS) korvaa GSM:n tukiaseman BSS:n (Base Station Sub-system). [1, s ] Runkoverkon ja radioverkkojärjestelmän (CN-RNS) välillä on I U Ps- ja I U Csrajapinta. Radioverkko-ohjaimen ja tukiaseman (RNC-Node B) välillä on I ub - rajapinta. Kahden radioverkko-ohjaimen välinen (RNC-RNC) rajapinta on I ur. Kuva 3. UTRAN-arkkitehtuuri [2, s. 14] UMTS käyttää radioverkkona WCDMA-tekniikkaa, joka perustuu taajuusjakoiseen dupleksiin, FDD-moodiin (Frequency Division Duplex). UMTS:n verkko toimii Euroopassa seuraavilla taajuuksilla: MHz MHz (uplink) ja MHz MHz (downlink). [1, s 309.]
16 5 Taulukko 2. WCDMA:n tekniset ominaisuudet [6] Taajuus alue MHz MHz (uplink UE->BS) MHz MHz (downlink BS->UE) Vaadittava minimi taajuusalue Tx/Rx vaimenus Vastaanotin Datatyyppi Modulointi Chip nopeus Kanavan rasteri Kanavan bittinopeus Kehyksen pituus Slottien määrä / kehys 15 Chippien määrä / slot 2x5 Mhz MS:55 db, BS:80 db Rake Piiri- ja pakettikytkentäinen QPSK 3,84 Mcps 200 khz 5,76 Mbps 10 ms ( chips) 2560 chips 2.5 Päätelaitteet Jotta voidaan hyödyntää UMTS:n edut, pitää olla UMTS-yhteensopiva päätelaite (UE). Päätelaite sisältää UMTS-matkapuhelimen (ME, Mobile Equipment) ja siihen sopivan SIM-kortin (Subscriber Identity Module), USIM:in (User Services Identity Module). UMTS-päätelaite (UE) on yhteydessä radioverkko-järjestelmään (RNS:ään) U u -rajapinnalla. Kuva 4. Päätelaitteen ja radioverkon rajapinnat [5, s. 32]
17 6 3 PAKETTIKYTKENTÄINEN TIEDONSIIRTO UMTS-VERKOSSA Pakettikytkentäinen tiedonsiirto UMTS-verkossa perustuu GSM:n GPRStekniikkaan. Ero GSM-verkon GPRS-palveluun UMTS-verkossa on radioverkossa. UMTS-verkossa käytetään WCDMA-tekniikkaa, joka mahdollistaa samanaikaisesti puheen ja pakettikytkentäisen tiedonsiirron. UMTS-verkko toimii saumattomasti GSM-verkon kanssa. Kun mennään UMTS-kuuluvuusalueen ulkopuolelle, yhteys ei katkea, vaan kanava vaihtuu (hand over) hitaampaan GSM/GPRS- tai EDGE-yhteyteen. UMTS-päätelaite osaa siis käyttää sekä UMTS/GPRS:ää, perus-gprs:ää sekä EDGEä (Enhanced Data rates for Global Evolution). UMTS-verkossa tiedonsiirtonopeus voi olla jopa 2 Mbit/s, mutta operaattorit/päätelaitteet tukevat tällä hetkellä ( ) vain 384 kbit/s. GSM-verkossa on kahdentyyppisiä pakettikytkentäisiä tiedonsiirtotapoja: GPRS sekä EDGE. EDGEssä käytetään erilaista modulointitapaa, 8- PSK:ta. GPRS:n ja EDGE:n yhdistelmää kutsutaan nimellä EGPRS (Enhanced GPRS). GSM/GPRS-verkossa nopeus on jopa 171,2 kbit/s. EDGE-verkossa nopeus voi olla jopa 473,6 kbit/s käytettäessä kaikkia kahdeksaa aikaväliä ja kevyintä kanavankoodausta. [7.] Taulukko 3. Pakettikytkentäisen datan siirtonopeus ja modulointi
18 7 3.1 GPRS:n arkkitehtuuri ja verkkoelementit GPRS-arkkitehtuurin periaate tärkeimpien elementtien ja verkkokytkentöjen osalta on esitetty kuvassa 5. Kuva 5. GPRS-arkkitehtuuri [7, s. 52] SGSN GPRS-operointisolmu GPRS-operointisolmu (SGSN) toimii samalla hierarkkisella tasolla kuin matkapuhelinkeskus (MSC) seuraten yksittäisten GPRS-päätelaitteiden sijaintia. GPRS-operointisolmu (SGSN) tietää päätelaitteen (UE:n) sijainnin solun tai reititysalueen tarkkuudella riippuen päätelaitteen liikkuvuuden hallintatilasta (MM, Mobility Management). GPRS-operointisolmu (SGSN) huolehtii myös käyttäjän tunnistamisesta ja suojaukseen liittyvistä toiminnoista. GPRS-yhteys on siten salattu päätelaitteen ja GPRSoperointisolmun (UE-SGSN) välillä. GPRS-operointisolmu (SGSN) huolehtii lisäksi verkkoon pääsystä. GPRS-operointisolmu (SGSN) kytkeytyy radioverkko-ohjaimessa (RNC:ssä) olevaan paketinohjausyksikköön (PCU:hun) Frame Relay -verkon kautta. GPRS-operointisolmu (SGSN) voidaan käytännössä myös integroida joko tukiasemaan (Node B) tai matkapuhelinkeskuksen (MSC:n) yhteyteen.
19 8 GPRS-operointisolmu (SGSN) voi lähettää käyttäjien paikkatiedon matkapuhelinkeskukseen (MSC) tai vierailijarekisterille (VLR:lle) optionaalisen Gs-rajapinnan kautta. GPRS-operointisolmu (SGSN) voi myös vastaanottaa kutsumerkinantoja matkapuhelinkeskuksen (MSC) tai vierailijarekisteriltä (VLR:ltä) saman Gs-rajapinnan kautta. Edellisten toimintojen lisäksi GPRS-operointisolmu (SGSN) -elementin kautta voidaan myös kerätä tarpeellista laskutustietoa GPRS-yhteyksistä, eli GPRS-operointisolmun (SGSN) kautta voidaan muodostaa laskutustikkejä (CDR, Charging Data Record). GPRS-järjestelmässä laskutetaan vain lähetetystä ja vastaanotetusta käyttäjän datasta, vaikka yhteys olisi loogisesti muodostettuna kauemminkin. Laskutustieto ohjataan CGFelementtiin (Charging Gateway Function) Ga-rajapinnan kautta, ja CGF:stä on edelleen yhteys laskutusjärjestelmään. Muita GPRS-operointisolmu (SGSN) -elementtiin liittyviä toimintoja ovat mm. pakettidatan kompressointi ja pakettien segmentointi ennen pakettiohjaus yksikölle (PCU:lle) ja UMTS-päätelaitteelle (UE:lle) lähettämistä. [7, s ] GGSN GPRS-yhdyskäytäväsolmu GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) mahdollistaa datansiirron ulkopuolisten dataverkkojen ja GPRS-verkon välillä. GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) on kytketty GPRS-operointisolmuun (SGSN:ään) IP-pohjaisen GPRSrunkoverkon kautta. Ulkopuolisille verkoille GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) näkyy käytännössä joko IP-verkon reitittimenä tai X.25-verkon solmuna. GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) on GSM- tai UMTS-verkon ja ulkopuolisen dataverkon rajapinnassa, ja sen toiminta verkon sisällä on täsmälleen sama sekä GSM:llä että UMTS:llä. GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) tietää UMTS-päätelaitteen (UE:n) sijainnin GPRS-operointisolmun (SGSN:n) tarkkuudella, kun UMTSpäätelaite (UE) ja GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) ovat valmiustilassa (standby), myös tilaajan vieraillessa muissa GPRS-verkoissa. Jos liikkuvuuden hallintatila on ready-tilassa, GPRS-operointisolmu (SGSN)
20 9 tietää UMTS-päätelaitteen (UE:n) sijainnin solun tarkkuudella. Vaikka GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) on periaatteessa tavanomaista kiinteän verkon reititintä vastaava elementti, GPRS:n ja kiinteän dataverkon välillä on merkittävä ero liikkuvuuden hallinnan suhteen. Siksi normaaleista reitittimistä poiketen GPRS-yhdyskäytävänsolmun (GGSN:n) on kyettävä reitittämään datayhteydet liikkuvassa ympäristössä. GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) tavallaan ankkuroi yhteyden sen alkuhetkestä lähtien. Se tarkoittaa sitä, että yhteys alkaa tietyn GPRS-yhdyskäytäväsolmun (GGSN:n) kautta, ja riippuen GPRS-tilaajan sijainnista ja liikkeistä GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) kykenee reitittämään yhteyden eri GPRS-operointisolmun (SGSN:ien) kautta saman datayhteyden aikana. Yhteen GPRS-yhdyskäytäväsolmun (GGSN) elementtiin voi olla kytkeytyneenä yksi tai useampi GPRS-operointisolmu (SGSN). Datapaketit GPRS-operointisolmun (SGSN:n) ja GPRS-yhdyskäytäväsolmun (GGSN:n) välillä tunneloidaan erityisellä GTP-protokollalla (GPRS Tunnelling Protocol), jolloin järjestelmä on hyvin joustava mm. mahdollisesti uusien GPRSjärjestelmään spesifioitavien protokollien suhteen. Kuten GPRS-operointisolmu (SGSN), myös GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) kykenee keräämään laskutukseen liittyvää informaatiota eli laskutustikkejä pakettidatayhteyksistä. Siten GPRS-yhdyskäytävästä (GGSN:stä) on sama Ga-rajapinta CGF-elementtiin kuin GPRSoperointisolmusta (SGSN:stä). Erona on se, että GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) pystyy keräämään erityisesti ulkopuolisiin dataverkkoihin liittyvää laskutustietoa. GPRS-operointisolmun (SGSN:n) ja GPRS-yhdyskäytäväsolmun (GGSN:n) toiminnot voidaan spesifikaatioiden mukaan yhdistää samaan fyysiseen elementtiin, tai ne voivat olla fyysisesti erillään toisistaan. GPRSoperointisolmu (SGSN) ja GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) voivat sisältää esimerkiksi IP- tai muun verkon reititystoimintoja, ja ne voidaan kytkeä IPpohjaisiin reitittimiin. Kun GPRS-operointisolmu (SGSN) ja GPRSyhdyskäytäväsolmu (GGSN) ovat eri verkoissa, ne voidaan yhdistää Gprajapinnan kautta. Gp-rajapinta vastaa toiminnoiltaan Gn-rajapintaa, mutta sen avulla voidaan lisäksi toteuttaa verkkojen välisen yhteyteen vaadittavat suojaustoimenpiteet.
21 10 Spesifikaatiot määrittävät lisäksi nk. laillisen myötäkuunteluominaisuuden viranomaistarkoituksiin, eli GPRS-yhdyskäytäväsolmun (GGSN:n) kautta on voitava tarvittaessa seurata sen läpi menevää dataliikennettä. Tämä toiminto liittyy viranomaismääritysten piiriin, ja kuten tavanomaisten puheluiden myötäkuunteluun niin kiinteässä kuin matkaviestinverkossa, myös GPRSliikenteen seuraamiseen viranomaisten taholta tarvitaan varsin painavia perusteita ja epäilyksiä mahdollisesta matkaviestinten käytöstä rikostarkoituksiin. [7, s ] PCU - paketinohjausyksikkö Paketinohjausyksikkö (PCU, Packet Control Unit) huolehtii UMTS:n radiojärjestelmän (UTRAN) ja GPRS-runkoverkon välisestä yhteydestä. Pakettiohjausyksikön (PCU:n) ja GPRS-verkon välinen yhteys on toteutettu ATM-tekniikalla (Asyncronous Tranfer Mode). PCU erottelee GPRS-paketit piirikytkentäisistä yhteyksistä ja lähettää ne SGSN-elementille Iu-rajapinnan kautta. Paketinohjausyksikkö (PCU) muodostaa nk. PCU-kehyksiä, jotka vastaavat TRAU-kehyksiä (Transcoder/Rate Adapter Unit) bittilukumäärältään ja kestoltaan. Siten PCU-kehyksessä on 320 bittiä, ja sen lähetysaika on 20 ms. UMTS:n radiojärjestelmä (UTRAN) pystyy yhtäläisen kehysrakenteen johdosta käsittelemään PCU-kehyksiä joustavalla tavalla. Sen lisäksi, että paketinohjausyksikkö (PCU) huolehtii datan asettelusta PCU-kehyksiin, paketinohjausyksikkö (PCU) myös huolehtii kaikista radiotoiminnallisuuteen liittyvistä seikoista GPRS-verkoissa. Pakettiohjausyksikön (PCU:n) tehtävinä ovat siten mm. GPRS-käyttäjien resurssien jako ja verkkoon pääsyn valvonta. [7. s. 55.]
22 HLR/GR koti-/gprs-rekisteri GPRS-rekisteri (GR, GPRS Register), sisältää GPRS-tilaaja- ja reititystiedot, jotka on yhdistetty tilaajan IMSI-kenttään (International Mobile Subscriber Identity). IMSI:llä voi olla useita GPRS-profiileja. GPRS-rekisteri (GR) on käytännössä yhdistetty kotirekisteriin (HLR:ään) lisäämällä siihen GPRSspesifisiä tietuekenttiä. Staattisia tilaajatietoja ovat mm. PDP-tyyppi (Packet Data Protocol Context), osoite, palvelun tasoluokka ja GPRS-yhdyskäytäväsolmun (GGSN:n) osoite. Dynaamisia tietoja ovat mm. GPRS-operointisolmun (SGSN:n) SS7- ja IPosoitteet, UMTS-päätelaitteen (UE:n) tavoitettavuutta osoittava lippu ja GPRS-yhdyskäytävasolmun (GGSN) lista. GPRS-operointisolmun (SGSN) osoitteet tarkastetaan reititysalueen (RA, Routing Area) päivityksen yhteydessä, ja GPRS-yhdyskäytäväsolmun (GGSN) listan päivitys tapahtuu GPRS-tilaajan tavoitettavuuden mukaan. Kotirekisteriin (HLR) / GPRS-rekisteriin (GR:ään) on määritetty kaksi rajapintaa: kotirekisteri / GPRS-rekisteri - GPRS-operointisolmun (HLR/GR - SGSN) välille Gr ja kotirekisteri / GPRS-rekisteri GPRSyhdyskäytäväsolmun (HLR / GR - GGSN) välille Gc. Molemmat rajapinnat käyttävät MAP-merkinantoa (Mobile Application Protocol). Gr on tarkoitettu lähinnä sijaintitietojen päivittämiseen, eli kotirekisterin/gprs-rekisterin (HLR/GR:n) dynaamisessa tietokannassa on käytettävissä tieto GPRSoperointisolmusta (SGSN:stä). Gc on optionaalinen, ja sen toiminteet voidaan toteuttaa SGSN:n avulla. Gc:tä käytetään PDP-sisällön luomiseen silloin, kun tilaaja on saamassa paketin, mutta PDP-sisältöä ei ole vielä luotu. GPRS-yhdyskäytäväsolmu (GGSN) kysyy tällöin kotirekisteriltä/gprsrekisteriltä (HLR/GR:ltä) palvelevan GPRS-operointisolmun (SGSN:n) osoitetta käyttäen IMSI:ä hakuavaimena. [7, s ] 3.2 GPRS:n rajapinnat Jokaisella GPRS-PLMN-verkolla (Public Land Mobile Network) on kahdenlaisia pääsypisteitä. Uu eli radiorajapinta on rajapinta päätelaitteen ja verkon välillä, sekä R (Receiver) tai S (Send) viestien lähetyksen ja vastaanoton referenssipisteinä.
23 12 Kuva 6. GPRS:n pääsyrajapinnat ja referenssipisteet [7, s. 57] GPRS-verkkojen välillä on Gp-rajapinta, jonka kautta kaksi erillistä ja riippumatonta GPRS-verkkoa lähettävät viestejä toisilleen. GPRS-verkon ja kiinteän pakettidataverkon, PDN:n (Packet Data Network), välissä on Girajapinta. GPRS-palvelu kytkeytyy loogisesti UMTS/GSM-järjestelmään kahden lisäverkkokokonaisuuden kautta: GPRS-ylläpitosolmun (GSN, GPRS Support Node) ja GPRS-rekisterin avulla. Kuvassa 7 on esitetty loogisen arkkitehtuurin periaate rajapinnoista. Kuva 7. GPRS:n looginen arkkitehtuuri. Katkoviiva tarkoittaa merkinantoyhteyttä, ja yhtenäinen viiva merkinanto- ja datayhteyttä [7, s. 57]
24 13 Kuvassa nähdään myös, että GPRS on määritetty toimimaan sekä UMTSettä GSM-radioverkkojen kanssa. Tämä ominaisuus tarkoittaa, että käyttäjällä on aina vähintään GSM/GPRS-datasiirtomahdollisuus, jos ei ole UMTS-kuuluvuutta. Heti kun käyttäjä siirtyy UMTS peittoalueelle ja resursseja riittää, yhteys vaihtuu nopeamman bittinopeuden mahdollistavaan UMTS-verkkoon. 3.3 verkkotekniikat ja siirtoprotokollat UMTS/GPRS:ssä käytetään ATM:ää verkkotekniikkana. Protokollina UMTS/GPRS käyttää IP- ja X.25-protokollaa ATM - verkkotekniikka ATM on verkkotekniikka, joka voi käyttää verkkoresursseja hyväksi dynaamisesti. ATM on evoluutioversio STM-tekniikasta (Syncronous Transfer Mode), joka soveltuu piirikytkentäiseen yhteyksiin. ATM taas soveltuu pituudeltaan ja viiveiltään vaihtelevien datapakettien siirtämiseen. ATM sijaitsee UMTS:n runkoverkossa. ATM perustuu datapaketteihin eli nk. soluihin, joiden koko on 53 oktektia. Kuva 8. ATM-solun kentät [7, s. 81]
25 14 Solu muodostuu viiden oktetin pituisesta otsikkokentästä ja 48 oktetin pituisesta informaatiokentästä. Yksi oktetti vastaa kahdeksaa bittiä. GFC (General Flow Control) tarkoittaa vuonohjausta, VPI (Virtual Path Identifier) virtuaalisten yhteyksien määritystä, VCI (Virtual Channel Identifier) virtuaalisen kanavan määritystä, CLP (Cell Loss Priority) pakettien katoamisprioriteettia ja HEC (Header Error Control) otsikkokentän virhekontrollia. PTI tarkoittaa XYZ-tiedon tyyppiä, jossa X=1 tarkoittaa käyttäjätietoa, Y=1 tarkoittaa estoa ja Z on käyttäjien välinen bitti. ATM:ssä on käytössä kytkentäkerroksen määrittely, josta käytetään nimitystä AAL (ATM Adaptation Layer). ATM:n kerrosrakenteessa alimpana on fyysinen kerros, toisena on ATM-kerros, ja sen päällä on AAL. AAL:n avulla voidaan ATM-soluihin mahduttaa monia erityyppisiä lähetteitä. AAL:ssä on tällä hetkellä määritettynä viisi alitasoa, joista käytetään nimitystä AAL1 AAL5. Kukin niistä soveltuu oman tyyppinsä mukaiseen toimintaympäristöön. AAL1 soveltuu vakionopeuksiseen (CBR, Constant Bit Rate), piirikytkentäiseen yhteydelliseen datansiirtoon. AAL2 on tarkoitettu esimerkiksi alhaisen bittinopeuden videokuvan siirtoon ja on luonteeltaan vaihtuvanopeuksiseen (VBR, Variable Bit Rate), yhteydelliseen datansiirtoon sopiva. AAL3 ja AAL4 eli AAL3/4 sopii esimerkiksi FR-tyyppiseen (Frame Relay) liikennöintiin joko yhteydellisesti tai yhteydettömästi. Tehokkain versio on AAL5, joka soveltuu käytettäväksi esimerkiksi nopeiden lähiverkkojen kanssa. Taulukossa 4 on eritelty AAL-tasot ja esimerkit soveltuvista verkoista. [7, s ] Taulukko 4. ATM-tasot [7, s. 82]
26 15 AAL:n alla oleva ATM-kerros huolehtii mm. vuonohjauksesta ja virheenkorjauksesta. ATM-kerros huolehtii myös yhteyksien luonnista virtuaalipolkujen (VP, Virtual Path), ja virtuaalikanavien (VC, Virtual Channel), avulla. Fyysisessä ATM-kanavassa voi olla yksi tai useimpia virtuaalipolkuja, ja niiden sisällä voi olla yksi tai useampia virtuaalikanavia. Kuva 9. Fyysinen ATM-kanava [7, s.83] IP - siirtoprotokolla Internet-protokolla, IP (Internet Protocol) on suunniteltu pakettikytkentäisen dataverkkojen yhteyskäytännöksi. Alkuperäinen IP on määritelty vuonna 1981, ja se on perusta Internetin yhteyksille. IP soveltuu käytännössä minkä tahansa pakettiverkon ratkaisuksi aina pienikapasiteettisesta lähiverkosta ATM-verkkoon. IP-pakettien pituus ei ole kiinteä, joten reitillä lähettäjän ja vastaanottajan välillä voi olla useita erityyppisiä ja vaihtelevan kapasiteetin verkkoja. Paketit voidaan katkoa ja koostaa uudelleen. IP ei kuitenkaan takaa millään tavoin pakettien perille menon luotettavuutta, vuonohjausta tai pakettien järjestystä. IP on siten nk. parhaan yrityksen menetelmä datapakettien siirtoon. Siksi puhtaan IP:n päällä on käytettävä muuta mm. virheenkorjauksesta huolehtivaa protokollaa. Yleisimmät protokollat IP:n päällä ovat TCP (Transmission Control Protocol) virheenkorjausta tarvitseville sovelluksille ja UDP (User Datagram Protocol) niille sovelluksille, jotka huolehtivat itse virheenkorjauksesta.
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikan koulutusohjelma Tietotekniikka. Tutkintotyö. Janne Sahala. GPRS-tekniikka
TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikan koulutusohjelma Tietotekniikka Tutkintotyö GPRS-tekniikka Työn ohjaaja Tampere 2008 Yliopettaja Matti Ilmonen TAMPEREEN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikan koulutusohjelma