Datakommunikation i mobiltelefonnätverk - Chalmers tekniska ...

Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- Projektarbete i kursen Datakommunikation & distribuerade system

1 Inledning............................................................................................................................. 2
1.1 Bakgrund ....................................................................................................................2
1.2 Rapportens syfte......................................................................................................... 2
1.3 Rapportens upplägg.................................................................................................... 2
2 Mobiltelefonnät .................................................................................................................. 3
2.1 Skillnader mellan olika mobiltelefonnät .................................................................... 3
2.2 Fokus .......................................................................................................................... 3
3 IP-protokollet ..................................................................................................................... 4
3.1 Användning ................................................................................................................ 4
3.2 Uppbyggnad ............................................................................................................... 4
3.3 Kommunikation med IP-protokollet .......................................................................... 5
4 GPRS-systemet................................................................................................................... 6
4.1 Bakgrund ....................................................................................................................6
4.2 GSM/GPRS modulation............................................................................................. 8
4.3 GPRS-systemets uppbyggnad .................................................................................... 9
5 UMTS/3G-systemet ......................................................................................................... 11
5.1 Bakgrund .................................................................................................................. 11
5.2 UMTS-systemets uppbyggnad ................................................................................. 12
5.3 Framtidens 3G.......................................................................................................... 13
6 IPv6 vs IPv4 ..................................................................................................................... 14
7 Referenser......................................................................................................................... 15
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 1 -

1 Inledning
1.1 Bakgrund
Internet har funnits i USA sedan 1969. Det hette då ARPANET och var egentligen ett
experiment för att testa nätverkskommunikation. Från början användes protokollet NCP
(Network Control Protocol). Detta blev snabbt omodernt och man tvingades uppfinna och
införa IP-protokollet som blev det standardiserade protokoll som skulle användas för
kommunikation i nätverket. 1 Januari 1983 tvingades alla Internetanvändare (som i och för sig
inte var så många) att lämna NCP till förmån för IP. 1989 upphörde ARPANET och blev
Internet. Nu var många anslutna till nätverket, varav SUNET i Sverige är en av användarna.
I mitten av 1990-talet ökar privatpersoners användande av Internet lavinartat.
På senare delen av 1990-talet samt början av 2000-talet tillkom behovet av att kunna använda
Internet och även interna nätverk från mobila enheter såsom bärbara datorer och
mobiltelefoner.
1.2 Rapportens syfte
Denna rapport är slutet på seminariekursen ”Datakommunikation och distribuerade system”
på Chalmers tekniska högskola. Kursen är en obligatorisk grundsten i
fördjupningsinriktningen datakommunikation på civilingenjörsutbildningen inom datateknik.
1.3 Rapportens upplägg
Rapporten behandlar området ”Datakommunikation i mobiltelefonnätverk” såsom titeln
avslöjar. Vi börjar med att titta på nätens uppbyggnad för att sedan gå mer i detalj och till sist
få en bild över hur IP-paket transporteras från en klient till en annan.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 2 -

2 Mobiltelefonnät
2.1 Skillnader mellan olika mobiltelefonnät
Flera olika standarder för mobiltelefonnät används idag världen över. Här koncentrerar vi oss
på de som berör Sverige. I Sverige används idag flera generationer mobiltelefonnät, nämligen:
- NMT (Nordic Mobile Telephony) planerades och konstruerades redan på 1970-talet
och sattes i drift i Oktober 1981. Tekniken baserades på analoga signaler för ljud och
digitala signaler för kostnadshantering mm. Detta system stöder inte
datakommunikation mer än till den grad att man kan använda ett modem och koppla
upp sig mot en modempool. Detta medger mycket låga datahastigheter (ca 1200 bps).
Detta liknar det amerikanska AMPS-systemet.
- GSM (Global System for Mobile communication) kallas ibland andra generationens
mobiltelefonnät, eller 2G. Här används helt digital kommunikation och mer
användbara datahastigheter medges, fortfarande bara genom att använda modem (som
ofta finns inbyggt i telefonen) som man kopplar upp sig med mot en modempool.
Fortfarande är den faktiska hastigheten bara 9.6 kbps. Även om det naturligtvis går att
använda Internet med denna datahastighet så är det absolut största
användningsområdet SMS (Short Message System).
- GPRS (General Packet Radio Service) kallas även 2.5G. Detta är en utbyggnad av
GSM-nätet för att möta kravet på högre datahastigheter i mobiltelefonnätet. GPRS är
paketbaserad och är den första riktiga nätverksanslutningen för mobiltelefoner och var
i första hand avsedd för att ta emot E-post, fax och för att använda Internet. GPRS
stöder datahastigheter på upp till 171.2 kbps. Detta kräver dock speciella telefoner och
abonnemang.
- UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) kallas även 3G (Tredje
generationens mobiltelefonsystem). I den WCDMA teknik som används kan man
uppnå datahastigheter på 2048 kbps.
2.2 Fokus
I denna rapport kommer fokus att ligga på teknikerna GPRS (Och därmed GSM) samt UMTS.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 3 -

3 IP-protokollet
3.1 Användning
Då datapaket skall skickas över Internet behövs ett standardiserat protokoll för att alla
anslutna datorer skall kunna kommunicera utan vetskap om vilken typ av system som befinner
sig på destinationen och vägen dit. Protokollet som används på Internet heter helt enkelt
Internet Protocol. I detta specificeras hur ett datapaket avsett att transporteras via Internet
måste vara uppbyggt. Detta talar till exempel om hur adresser specificeras.
Utöver internetprotokollet behövs naturligtvis sedan andra protokoll som specificerar vilken
typ av data som paketet innehåller. Vanliga exempel på detta är TCP och UDP.
Även den telefon eller mobila terminal som vi skall använda för internetkommunikation
måste naturligtvis klara av att hantera IP.
Vi ska nu titta mer i detalj på vad IP är.
3.2 Uppbyggnad
Ett datapaket som skall skickas med IP-protokollet förses med en s.k. header, d.v.s.
tilläggsinformation som gör paketet tolkningsbart för alla som kan tolka IP-paket, t.ex.
routrar. IP-headern är normalt på 20 bytes och innehåller följande:
Version anger vilken version av IP som används, i detta fall är det 4, IPv4.
IHL anger hur stor headern är.
Type of service anger vilken prioritet paketet har och vilken s.k. QoS (Quality of Service)
som paketet erfordrar.
Total Length anger paketets totala storlek.
Identification används då paket delas upp i mindre paket för att kunna sätta ihop dem igen.
Flags anger huruvida paketet får delas upp samt om det är uppdelat.
Fragment offset anger vart i det ursprungliga paketet som detta fragment börjar.
Time To Live anger hur lång tid paketet får finnas i systemet.
Protocol anger vilken typ av information som paketet innehåller, t.ex. ICMP, UDP, TCP.
Header Checksum innehåller en checksumma som används för att kunna upptäcka om paketet
modifierats på vägen.
Source IP address anger källans IP-adress.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 4 -

Destination IP adress anger destinationens IP-adress.
3.3 Kommunikation med IP-protokollet
Då man skickar ett datapaket över Internet med IP-protokollet vet man inte på förhand vilken
väg paketet tar fram till destinationen. Detta är inte heller intressant. Det man kan styra över
då man skickar iväg ett paket är hur många routrar paketet som mest får passera. Detta görs
med TTL (Time To Live). Då ett IP-paket passerar en router minskas TTL med minst 1. Då
TTL är noll slängs paketet, vilket förhindrar paket från att skickas runt i evighet.
Paketet innehåller inte särskilt mycket information, varför det ofta är nödvändigt att lägga till
ytterligare headers då ett paket skall förmedlas i ett komplexare system, som t.ex. GPRS,
vilket vi kommer till senare.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 5 -

4 GPRS-systemet
4.1 Bakgrund
GPRS-systemet är en utbyggnad av GSM-nätet. GSM använder sig av kretskopplade
dataöverföringar. I ett kretskopplat nätverk upprättas en förbindelse mellan två klienter.
Förbindelsen förblir sedan upprättad under hela datasessionen, t.ex. ett telefonsamtal. Detta
har för- och nackdelar. Fördelen med ett kretskopplat nätverk är att man lätt kan hålla
realtidskrav eftersom uppkopplingen har dedikerade resurser. Detta lämpar sig av naturliga
skäl bra vid ett telefonsamtal. Nackdelen är att uppkopplingen kräver resurser även då dessa
inte används, vilket får följden att användaren får betala för den tid då anslutningen är
upprättad vilket är onödigt då man överför dataströmmar.
Lösningen på detta är GPRS, som erbjuder en paketbaserad dataförbindelse. Resurser krävs
endast då data verkligen skickas på nätet, varför användaren då endast behöver betala för de
resurser som utnyttjats. Detta gör även att många användare kan dela på resurserna, vilket
samtidigt gör att långa väntetider kan uppstå då nätet blir belastat. Detta i sin tur lämpar sig
dåligt i realtidsapplikationer som telefonsamtal. Vid dataöverföring är dock väntetider upp till
några hundra ms acceptabla.
Nedan illustreras skillnaden mellan kretskopplade nät resp. paketkopplade nät.
Kretskopplat nät
Paketkopplat nät
Kretskoppling härstammar från det analoga, fasta telefonnätet där en uppkoppling av ett
samtal faktiskt var en fysisk anslutning mellan två telefoner i nätet. I GSM-systemet avser en
kretskopplad anslutning en uppkoppling med dedikerade resurser.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 6 -

I ett system med GSM-system utbyggt med GPRS är systemet således kretskopplat för
telefonsamtal men paketkopplat för dataöverföringar.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 7 -

4.2 GSM/GPRS modulation
I föregående avsnitt kom vi fram till att GMS-/GPRS-nätverket är både paket- och
kretskopplat. Här ska vi reda ut hur det är möjligt. Svaret är att ett GSM-nät inte är
kretskopplat på fysisk nivå. Eftersom man vill tillåta så många användare som möjligt i nätet,
tvingas man dela upp resurserna. I GSM görs detta på två sätt. Dels är frekvensområdet som
används indelat i flera kanaler, där varje kanal har en bandbredd på 25 kHz, detta kallas
FDMA(Frequency Division Multiple Access). Varje kanal är sedan indelat i 8 tidsluckor,
d.v.s. varje användare av samma kanal får bara kommunicera på sin tilldelade tidslucka. Detta
kallas TDMA(Time Division Multiple Access). Därigenom kan vi komma fram till att ett
telefonsamtal är kretskopplat, eftersom telefonen alltid tar upp resurser under hela samtalets
längd oavsett om vi pratar eller inte. Därmed får man alltså betala för samtalets hela längd.
I GPRS kan flera användare dela på resurser. Man använder bara en tidslucka på en
förutbestämd signal om man verkligen har något att skicka. Om många använder samma
kanal och tidslucka får man naturligtvis vänta, och långa väntetider kan uppstå.
Om man använde GPRS datauppkoppling för telefonsamtal skulle man alltså rent teoretiskt
bara behöva betala för den tid man pratade, vilket skulle gynna personer som hellre lyssnar än
talar. Men detta är inte möjligt eftersom långa väntetider kan uppstå, vilket inte är acceptabelt
för ett telefonsamtal i realtid.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 8 -

4.3 GPRS-systemets uppbyggnad
GPRS är som tidigare nämnts en uppgradering av GSM-systemet. Då GPRS installeras
behöver inga stora förändringar göra på befintligt GSM-utrustning. Basstationen, som
telefonen kommunicerar med, är kopplad till en styrenhet som hanterar den dataström som
kommer från telefonen. Endast här behöver en mjukvaruuppdatering ske för att basstationen
skall kunna skilja på paketkopplad respektive kretskopplad kommunikation.
Vi ser här hur GPRS-systemet är uppbyggt. Från BSS (Base Station Subsystem) finns även en
anslutning vidare till GSM-nätet för kretskopplade telefonsamtal, men det finns inte med på
bilden eftersom vi här skall fokusera på datatrafik.
BSS: Base Station Subsystem. BSS ansvarar för uppkopplingen mellan den mobila
enheten och nätverket. En BSS ansvarar för många basstationer, vilket
symboliseras ovan med ett kluster.
SGSN: Serving GPRS Support Node. SGSN håller reda på användarens position, dvs.
vilken cell användaren befinner sig i, så att datatrafik kan routas till rätt
användare. SGSN hanterar även nya uppkopplingar. En SGSN kan vara kopplad
till en eller flera BSS. SGSN står även i kontakt med HLR (Home Location
Register) i GSM-systemet som håller reda på vilka tjänster som användaren
betalar för (t.ex. data, telefoni).
Alla SGSN är sammankopplade via ett kärnnätverk där all datatrafik överförs.
GGSN: Gateway GPRS Support Node. GGSN är kopplad till SGSN via ett IP-baserat
s.k. Backbone-nätverk. GGSN används för att ge GPRS-användare tillgång till
IP-baserade nätverk, t.ex. Internet. GGSN ansvarar för trafik i bägge
riktningarna, och ser till att data som kommer från anslutna nätverk skickas
vidare till rätt SGSN.
Detta är en mycket förenklad bild av nätverket. Till exempel bör nämnas att det också finns
noder i nätverket som håller reda på debiteringsunderlag, status mm.
Då kommunikation ska ske mellan en användare och Internet måste trafiken således gå först
till basstationen och sedan vidare via BSS -> SGSN -> GGSN -> Internet.
Detta sker dock inte med IP-trafik, utan med hjälp av andra protokoll. Vi ska nu se på paketets
väg genom nätverket från telefonen till Internet.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 9 -

Mobiltelefon - BSS: För kommunikation mellan telefon och basstation används
RLC/MAC. RLC(Radio Link Control) tillgodoser behovet av
en tillförlitlig dataanslutning. MAC (Medium Access Control)
ansvarar för att synkronisera dataöverföringen mot andra
användare.
BSS – SGSN: Här används två olika protokoll. BSSGP(BSS GPRS Protocol)
används för överföring av routing- och QoS-relaterad information
till SGSN.
NS(Network Service) används för överföringen av datapaket.
SGSN – GGSN: Här används ett protokoll som heter GTP(GPRS Tunneling
Protocol) som, liksom namnet antyder, används för att överföra
IP-baserade datapaket mellan användaren och nätverket genom s.k.
tunnling.
Vi ser här att ett IP-baserad datapaket skall ”packas om” flera gånger på vägen mot Internet.
Detta är resultatet av ett system som inte är förberett för överföring av paketkopplad
nätverkstrafik. Vi kan också se att vi på många håll i nätverket får stor s.k. overhead, dvs.
mycket tillagd data i form av protokoll-headers för att paketet skall kunna levereras.
GPRS tog lång tid att utveckla då man önskade göra så få ändringar i GSM-systemet som
möjligt. GPRS var ett steg mot nästa generations paket-baserade nätverk, 3G.
I GGSN (Gatewayen mot Internet) används NAT (Network Adress Translation) som
multiplexing-metod för att möjliggöra utdelning av privata adresser i GPRS-nätverket.
Med detta följer att det är svårt med s.k. hand-overs dvs. överlämningar mellan basstationer
med olika BSS. Detta gör IPv6 intressant för mobila IP-system. Vi ska stifta närmare
bekantskap med IPv6 senare.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 10 -

5 UMTS/3G-systemet
5.1 Bakgrund
UMTS standarden som tagits fram av 3GPP(Third Generation Partnership Project) är ett
gemensamt projekt för att inte göra om samma misstag som med andra generationens
mobiltelefonnät, dvs. många olika standarder används. Detta slaget är dock redan förlorat,
eftersom flera stora operatörer gått samman i 3GPP2, en konkurrerande standard.
UMTS är accepterat i Europa och Japan, varför man ändå lyckats ganska bra med
standardiseringen.
Transmissionstekniken som används i UMTS är W-CDMA(Wideband-Code Division
Multiple Access).
3G-nätet i Sverige stödjer datahastigheter på upp till 2Mbit/s. Denna hastighet kan bara
uppnås mycket nära basstationen i små celler.
Den högsta hastighet som erbjuds för vanliga mobiltelefonanvändare är 384 KB/s.
UMTS började utvecklas redan på slutet av 1980-talet då ITU (International
Telecommunications Union) började utveckla ramarna för ett bredbandigt
mobiltelefonsystem. Inte förrän nu, ca 15 år senare, är systemet i bruk i Sverige.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 11 -

5.2 UMTS-systemets uppbyggnad
3G-systemet är till skillnad mot GSM/GPRS helt paketkopplat. Systemet som används i
telefonnätet är helt och hållet uppbyggt för dataöverföring i höga hastigheter med fokus på
QoS (Quality of Service). Ett telefonsamtal i 3G-nätet är bara en datasession på samma sätt
som vilken annan dataöverföring som helst. Här ställs dock höga krav på QoS, eftersom ett
telefonsamtal måste överföras i realtid, varför datasessionen i praktiken ändå blir att betrakta
som kretskopplad eftersom systemet avsätter resurser för realtidsapplikationen.
Vi ser i bilden ovan hur UMTS-systemet baserar sig på IP-protokollet och att systemet
egentligen är ett datanätverk för mobila enheter. PSTN (Public Switched Telephony
Network), dvs. det vanliga telefonnätet, är bara en tjänst i det IP-baserade nätverket på samma
sätt som andra paketbaserade tjänster.
Eftersom samtal måste kunna överföras då en mobil enhet förflyttar sig mellan två
basstationer kan systemet, liksom GSM, hantera hand-overs. Eftersom UMTS är helt
paketbaserad fungerar hand-over både för data- och telefonsamtal vilket det inte gör för
GPRS.
Vi kan se att datapaket som överförs i nätverket inte har lika stor overhead som i GPRSnätverket
samt att det går mycket fortare för paketen att färdas genom nätverket vilket gör
UMTS-nätverket väl anpassat för realtids-applikationer som kräver relativt hög bandbredd
t.ex. video-konferens. UMTS stödjer bandbredder upp till 384 kbit/s vilket även möjliggör
streaming media möjligt, t.ex. tv-utsändningar.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 12 -

5.3 Framtidens 3G
Den kommande uppgraderingen av 3G-nätet är redan på gång. Målet är då att öka
överföringshastigheten ytterligare. Tekniken heter HSDPA (High Speed Downlink Packet
data Access) och stödjer hastigheter på upp till 14 Mbit/s vilket öppnar upp möjligheter för
bl.a. streaming av video med hög upplösning. Man håller även på att utveckla HSUPA vilket
är motsvarande uppgradering för överföring från telefon till nätverk, uplink.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 13 -

6 IPv6 vs IPv4
Idag används IPv4 som IP-protokoll i UMTS- och GPRS-nätverken. Dock begränsar detta
adressering med skarpa IP-adresser helt enkelt eftersom adresserna inte räcker till.
En IPv4 adress är 32 bitar lång vilket teoretiskt möjliggör 2 32 olika adresser. Detta är dock
inte fallet eftersom många adresser är reserverade mm.
Idag använder GPRS- och UMTS-nätverken därför privata IP-adresser och NAT(Network
Adress Translation) för att ge åtkomst till internet. Det begränsar möjligheterna för en dator
på Internet att adressera en specifik telefon vilket ibland kan vara önskvärt.
Andra problem då privata IP-adresser används är att överflytta en nätverksanslutning från en
basstation till en annan eftersom den privata IP-adress som användaren har kanske redan
används på den nya basstationen. Då tvingas man avbryta den pågående datasessionen och
hand-over misslyckas.
Med IPv6 kommer möjligheten att adressera 2 128 unika adresser. För att visualisera hur många
adresser det är kan man konstatera att om det anslöts en biljon nya datorer varje mikrosekund
till Internet skulle IPv6 räcka i fyra biljarder år.
Mobiltelefonbranschen anser att man inte får tillräckligt mycket IPv4-adresser tilldelade
varför IPv6 utgör ett speciellt intresse här.
Med IPv6 har man möjlighet att tilldela varje mobil terminal(t.ex. mobiltelefon) med en unik
IP-adress, vilket möjliggör hand-over mm. på ett effektivt sätt.
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 14 -

7 Referenser
- Tidningen ’Elektronik i Norden’ (http://www.edtnscandinavia.com)
- UMTS World (http://www.umtsworld.com)
- GSM World (http://www.gsmworld.com)
- Wireless Communications (ISBN: 0-13-042232-0)
- UMTS:Origins,Architecture and the Standard (ISBN: 1-85233-676-5)
Datakommunikation i mobiltelefonnätverk
- 15 -