3G-simulaatio 1/19

OAMK/Tekniikan yksikkö Versio 10.11.2005 Tietoliikennelaboratorio 3G-simulaatio 1 JOHDANTO Tässä harjoituksessa tutustutaan kolmannen sukupolven solukkoverkon (3G)

tukiaseman (Node B) alustamissekvenssiin. 3G suomalaisittain tunnetaan nimityksellä

UMTS (Universal Mobile Terrestrial System). UMTS tarkoittaa 3G-järjestelmän

implementaatiometodia jossa järjestelmän monikäyttö tapahtuu laajakaistaisen

koodijakotekniikan (WCDMA) ja taajuusjakoisen siirtosuuntien erotuksen (FDD)

avulla. Alustaminen sinänsä on yksi perustavaa laatua olevista tehtävistä tukiaseman

käyttöönottotilanteessa ja sillä tarkoitetaan radioverkko-ohjaimen (RNC) ja

tukiaseman välisten merkinanto- sekä transmissioyhteyksien muodostamista ja yhä

edelleen tukiaseman saattamista sellaiseen tilaan O&M-ohjausmerkinannon avulla,

että tilaajien verkkoon liittyminen asianomaisen tukiaseman kautta on mahdollista.

Alustamisen ensimmäisessä vaiheessa tukiasemalaitteiston ja ohjelmistojen

asennuksen jälkeen implementoidaan O&M-yhteydet. AAL5-yhteyksien (ALCAP ja

NBAP) ja O&M-yhteyksien avauduttua alustusmerkinanto on NBAP-signalointia.

Kun järjestelmäinformaatio (SI) on konfiguroituna tukiasemaan, saatetaan alustus

loppuun. (3GPP TSGR3#8, 1.)

Harjoituksessa tutkitaan tukiaseman ja radioverkko-ohjaimen välistä merkinantoa,

joka on poimittu niiden väliseltä Iub-rajapinnalta. Merkinanto kuvataan tyypillisesti

sekvenssikarttojen (MSC, Message Sequency Chart) avulla. Sekvenssikartta esittää

signaloivat elementit, lähetetyt sanomat, käytetyt protokollat, aikamerkintä ja

lähetyssuunta. Työohjeen kartat ovat yksinkertaistettuja esityksiä onnistuneista

proseduureista. Huomioithan, että proseduurit ovat request-response tai indication –

tyyppisiä. Osa proseduureista toimii automaattisesti responsen suhteen.

Kuviossa 1, on esitettynä kaksi sekvenssikarttaa, jotka käsittelevät saman proseduurin

suorittamista. Vasemmanpuoleisessa solun asetus eli CELL SETUP -proseduuri

3G-simulaatio 2/19

voidaan toteuttaa (request-response). Oikeanpuoleisessa esimerkissä proseduurin

suoritus epäonnistuu, jolloin merkinanto on poikkeava (request-failure).

CRNC Node B

CELL SETUP REQUEST

CELL SETUP RESPONSE

CRNC Node B

CELL SETUP REQUEST

CELL SETUP FAILURE

KUVIO 1. Sekvenssikarttaesimerkki (3G Technical Specification 25.433, 37) Kuvio 2 alapuolella visualisoi loogisen tason järjestelmäarkkitehtuuria, jossa 3G-

solukkoverkko on jaettuna toimialueisiin (engl. domain). Kuviosta on havaittavissa

laboraatiotöiden kannalta tärkeät toiminnalliset elementit ja rajapinnat.

KUVIO 2. UMTS-arkkitehtuuri (3G 25.430, 21) UMTS-radioverkko UTRAN (kuvassa keskellä) kytkeytyy sekä UE (User Equipment)

-päätelaitteisiin että CN (Core Network) –runkoverkkoon rajapintojen yli.

Toimialueista UTRAN vastaa kaikkien runkoverkon mahdollistamien ja kytkemien

palvelujen välittämisestä mobiilille käyttäjälle. UE-toimialueella itse päätelaite

jaetaan vielä radioterminaaliin (ME) ja käyttäjän tunnistetiedot sisältävään älykorttiin

3G-simulaatio 3/19

(USIM/UICC), jotka loogisessa domainmallissa ovat erilliset toimialueet. (3G

Technical Specification 23.101, 6.)

Laboraatioissa käytettävillä RNC/Iub- ja NodeB/Iub-simulaattoreilla voidaan korvata

fyysisiä UTRAN elementtejä. Tällä saavutetaan varsinkin teollisuudessa ja verkko-

operaattoreiden keskuudessa mainittavia kustannussäästöjä.

Tukiaseman ja radioverkko-ohjaimen välistä rajapintaa kutsutaan Iub-rajapinnaksi ja

se esitetään loogisen mallin avulla (kuvio 3) tyypillisesti kolmikerroksisena seuraavan

kuvion osoittamalla tavalla siten, että kerrokset ovat radioverkkokerros (radio

network layer), kuljetuskerros (transport network layer)ja lisäksi fyysinen kerros

(physical layer). (Holma ja Toskala 2004, 80.)

KUVIO 3. Looginen Iu-protokollapino (3G Technical Specification 25.430, 21) Protokollapinoa havainnollistava kuvio on jaettu kerroksiin (engl. layer) ja tasoihin

(engl. plane). Kerrosjakoa voidaan verrata OSI-malliin siten, että kuljetuskerros

(transport layer) sisältää OSI-mallin kaksi alinta kerrosta eli fyysisen (physical layer)

ja siirtokerroksen (data link layer). Siirtokerroksella siirtotapa on tahdistamaton

(ATM). Verkkokerroksena (network layer) toimii radioverkkokerros. Tasot on jaettu

3G-simulaatio 4/19

ohjaustasoihin (control plane) ja käyttäjätasoon (user plane). (Holma ja Toskala 2004,

81 – 82.)

3G-simulaatio 5/19

2 3G-TUKIASEMAN ALUSTAMINEN Konsoli-ikkunan lokitiedosto tulee nauhoittaa jäljempää tarkoitusta varten. Tämä

tapahtuu aina RNC-konsoli-ikkunan punaisesta ”REC”-napista. Tallenna loki

tiedostopolkuun D:\data\... ja nimeä se yksiselitteisesti (esim.

luokkatunnus_omanimi_INIT.log).

Harjoituksen eri vaiheista on hyvä ottaa kuvia dokumentointia

(mittauspöytäkirja/työselostus) varten. Simulaatio-ohjelmistolla toimittaessa ulkoisia

mittavälineitä ei voida luonnollisesti käyttää, joten tämä on ainut tapa todentaa

suoritetut työn vaiheet (esim. yhteyksien tai kanavien muodostamiset)

Simulaattoreiden konsoli-ikkunat (Console Window) havainnollistavat työn

suorituksen aikana Iub-rajapinnan yli käytävää merkinantoa. Kanavien ja yhteyksien

muodostumisen näkee yhteyksiä indikoivan Calls/Connections-ikkunan eri

välilehdiltä.

Harjoituksen aikana suoritettavat manuaaliset käskyt suoritetaan simulaattoreiden

pääikkunan Jscript-painikkeilla. Käskyt ovat kronologisessa järjestyksessä sekvens-

sikarttoina. Huomioi, että simulaattorit vastaavat automaattisesti joihinkin

komentoihin. Rautalankamalli tähän: ” Mikäli sekvenssikartan komentoa vastaavaa

painiketta ei löydy simulaattoreista, kyseinen pyyntö (request) saa automaattisen

vastauksen (response). ”

2.1 Esivalmistelut Avaa NetHawk-simulaattorit käyttäen seuraavia konfiguraatioita ja scriptejä. RNC/Iub Startup Start -> Programs -> Nethawk -> RNCIub Simulator 1.4.1 VIub-> RNCIub

Simulation

Konfiguraatio:

\NetHawk\RNCIub Simulator 1.4.1 VIub\Configs\RncIub_config_SimuAPI_141

Script:

3G-simulaatio 6/19

File -> Open Script

\NetHawk\RNCIub Simulator 1.4.1 VIub\Scripts\Scripts\RNC_3gpp_Iub_Init.htm,

NodeB/Iub Startup Start -> Programs -> Nethawk -> NodeBIub Simulator 1.4.1 VIub-> NodeBIub

Simulation

Konfiguraatio:

\NetHawk\NodeBIub Simulator 1.4.1 VIub

\Configs\NodeBIub_config_SimuAPI_141

Script: File -> Open Script

\NetHawk\NodeBIub Simulator 1.4.1 VIub \Scripts\NodeB_3gpp_Iub_Init.htm

2.2 AAL5-yhteydet ja CCCH Suorita alustukseen liittyvät proseduurit sekvenssikarttojen mukaisesti käyttämällä

Jscript –painikkeita.

KUVIO 4. Sekvenssikartta, AAL5- ja CCCH-muodostaminen

3G-simulaatio 7/19

2.3 NBAP-proseduurit Muodostettavat CTCH-kanvat ovat RACH, FACH + PCH ja FACH2 (simulaattorin

käyttöliittymän mukaan).

KUVIO 5. Sekvenssikartta, NBAP-proseduurit alustamisessa SYSTEM_INFO_UPDATE –proseduurin jälkeen tukiaseman alustus on valmis ja tilaajat voidaan liittää verkkoon.

3G-simulaatio 8/19

2.4 Osion dokumentointi Mittauspöytäkirja sisältää vastaukset kysymyksiin ja työn aikana tallennetut

työvaiheet todentavat screenshotit. Lisäksi täydennetään luvusta 2.4.3 saatava

sekvenssikartta.

Työselostukseen teoriaa tarvittava määrä suoritetuista proseduureista. Useampia

moduuleita tehdessä työn ohjaaja määrittää syvällisemmin tutkittavat proseduurit tai

protokollat.

2.4.1 Alustuksen aikainen merkinanto Tulosta 2.4.3: Node B Init MSC, ja täydennä kuvio Iub-rajapinnan merkinant-

osanomilla lokitiedoston pohjalta. Merkitse protokolla, sanoma ja siirtosuunta.

Konsolin lokitiedostoa voit käsitellä simulaattori-tietokoneella käyttäen erityistä Iub

Visualisation-ohjelmaa. Ohjelmaa tulee käyttää RNC – Operating Modessa.

2.4.2 Kysymyksiä

a) Mitkä CTCH-kanavat muodostettiin tässä harjoituksessa?

b) Kuvaa lyhyesti RACH-, FACH- ja PCH-kanavat.

c) Etsi WCDMA radiokanavatyypit, ja määritä niiden sijainti UTRAN-

arkkitehtuurissa.

d) UTRAN koostuu kahdesta selvästi toisistaan erotettavasta elementistä.

Nimeä nämä, ja kuvaa niiden päätehtävät.

e) Määritä lyhyesti C-NBAP- ja D-NBAP-proseduurien erot suhteessa

päätelaitteisiin.

f) Mitä ovat VPI, VCI ja CID?

g) Mitä tietoa tukiasema lähettää BCCH-kanavalla ja miten tieto sijaitsee

kanavalla?

3G-simulaatio 9/19

2.4.3 Node B Init MSC

3G-simulaatio 10/19

2.4.4 Osioon liittyvää kirjallisuutta

3GPP Technical Specification 25.430 v3.1.0. ´ UTRAN Iub interface: General Aspects

and Principles ´.

3GPP Technical Specification 25.433 v3.9.0. ´ UTRAN Iub interface: NBAP

signalling ´.

3GPP TSG-RAN WG3, Meeting#8. Abiko, Japan 1999. ´Node B Configuration and

Initial Cell Confiuration Procedures ´. Saatavilla www-muodossa:

<URL:http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG3_Iu/TSGR3_08/Docs/Pdfs/r3-

99d67.pdf>. 22.3.2005.

Holma H., Toskala A. 2004.´WCDMA for UMTS´. 3´rd. Edition. ISBN 0-470-87096-

6. Great Britain: John Wiley & Sons Ltd.

NetHawk Oyj., RNC/Iub- ja NodeB/Iub-simulaattorit.

3G-simulaatio 11/19

3 TILAAJIEN LIITTÄMINEN VERKKOON Tässä harjoituksessa tutustutaan kolmannen sukupolven solukkoverkon (3G)

proseduureihin tilanteessa, jossa 3G-päätelaite käynnistetään ja tilaaja liitetään

verkkoon Lisäksi käsitellään autentikointiin liittyviä seikkoja kuten non-access-

stratum-tunnisteita IMSI (International Mobile Subscriber Identity), TMSI

(Temporary IMSI) ja P-TMSI (Packet-TMSI). Edelleen käsitellään radioresurssien,

liikkuvuuden- ja tilaajayhteyksien hallintaa suorittavien RRC- (Radio Resource

Control), MM- (Mobility Management) ja CM- (Connection Management)

protokollien toimintaa.

IMSI-tunnisteen käyttö pyritään rajoittamaan mahdollisimman vähäiseen

tietoturvasyistä. Koska IMSI on uniikki tilaajan tunniste, on sille kehitetty

väliaikainen vastine TMSI, jolla autentikointi mahdollisimman monissa tilanteissa

suoritetaan. Väliaikainen tunniste on voimassa ainoastaan yhdellä vierailijarekisteri

VLR- (Visitor Location Register) -toimialueella, joten sijaintialueen päivityksen (LU)

yhteydessä tunniste täytyy uusia. (Kaaranen ym. 2001, 255 – 256; Penttinen 2002,

198.)

Päätelaite voi olla kolmessa eri moodissa (tila) riippuen toiminnallisesta tasosta.

Poiskytkettynä puhelin on virraton, ja näin ollen NOP- (No Operation) tilassa.

Päällekytkennän jälkeen puhelin vaihtelee valmiustilan (idle) ja yhteystilan

(connected mode) välillä RRC-yhteyden tilan mukaan. (Holma ja Toskala 2004, 164 -

166.)

3G-simulaatio 12/19

3.1 Harjoitus Harjoitus edellyttää toimintakuntoisen simuloidun tukiaseman käyttöä. Käytännön

tehtävänä IMSI Attach ei ole suuri. Simulaatiomaailmassakaan virtuaalisen puhelimen

käynnistäminen ei liene vaikeaa.

Konsoli-ikkunan lokitiedoston nauhoitusta jatketaan jäljempää tarkoitusta varten.

Mikäli nauhoitus on katkaistu, tulee se aloittaa uudelleen. Tämä tapahtuu myös RNC-

konsoli-ikkunan punaisesta ”REC”-napista. Tallenna loki tiedostopolkuun D:\data\...

ja nimeä se yksiselitteisesti (esim. luokkatunnus_omanimi_IMSI.log).

NodeB/Iub Simulaattori: Avataan JScript:

File -> Open Script

\NetHawk\NodeBIub Simulator 1.4.1 VIub\Scripts\NodeB_IMSI_Attach

Valitaan päätelaitteen indeksinumero UE1, ja painetaan Jscript-painiketta “Start”.

Sama toistetaan päätelaitteelle UE2. Seuraa tämän jälkeen yhteyksiä indikoivaa

ikkunaa sekä konsolissa näkyvää merkinantoa. Selitä jaksollisten merkinantojen ja

allaolevan kuvion 6 yhteys.

KUVIO 6. SRBs-välilehden indikaatio

3G-simulaatio 13/19

3.2 Osion dokumentointi Mittauspöytäkirja sisältää vastaukset kysymyksiin ja työn aikana tallennetut

mahdolliset screenshotit. Lokin perusteella tutkitaan merkinantoa Iub Visualisation-

ohjelmalla (RNC Operating mode) tai tekstinkäsittelyohjelmalla. Tulostetaan 3.2.2

sekvenssikartta ja täydennetään se liitteeksi mittauspöytäkirjaan / työselostukseen.

Työselostuksessa esitetään vähintään työhön liittyvä teoria.

3.2.1 Kysymyksiä

h) Määrittele RRC- ja MM-protokollien päätehtävät.

i) Määrittele IMSI ja TMSI, sekä niiden välinen suhde

j) Mitä sisältää TMSI Reallocation-proseduuri?

k) Milloin sijaintialueen päivitys tapahtuu?

l) LA vs. RA?

m) Päätelaite kytketään päälle. Selvitä PLMN- ja solunvalinta- sekä solun

uudelleenvalintaprosessi. Mitä tarkoittavat NAS, Automatic ja Manual?

3G-simulaatio 14/19

3.2.2 IMSI Attach MSC

3G-simulaatio 15/19

3.2.3 Osion kirjallisuutta

Holma H., Toskala A. 2004. ´WCDMA for UMTS´. 3´rd. Edition. ISBN 0-470-

87096-6. Great Britain: John Wiley & Sons Ltd.

Korhonen J. 2003. ´Introduction To 3G Mobile Communications´. 2´nd. Edition.

ISBN 1-58053-507-0. USA: Artech House Inc.

Penttinen J. 2002. ´GSM-tekniikka, Järjestelmän toiminta ja kehitys kohti UMTS-

aikakautta´. 3.-4. painos. ISBN 951-0-26038-X. Suomi: WSOY.

3G-simulaatio 16/19

4 PUHELUN MUODOSTAMINEN Tämä osio johdattaa tilaajayhteyksien muodostamiseen. Osiossa käsitellään L3-

kerroksen piirikytketyn, matkapuhelimesta alkavan MOC- (Mobile Originated Call)

puhelun merkinantoa. Puhelu muodostetaan klassisen piirikytkentäisen toimialueen

kautta Release 99´-spesifikaatioiden mukaisesti.

Perinteistä puhelua (engl. conversation call) muodostettaessa puhelimen tulee olla

yhteystilassa (engl. Connected mode). Puhelimen ollessa valmiustilassa, tilavaihdos

tapahtuu muodostamalla RRC-yhteys. Edelleen käsitellään radioresurssien,

liikkuvuuden- ja puhelun hallintaa suorittavien RRC- (Radio Resource Control), MM-

(Mobility Management) ja CC- (Call Control) protokollien tehtäviä puhelun

muodostamisen aikana.

4.1 Harjoitus Harjoitus edellyttää toimintakuntoisen simuloidun tukiaseman käyttöä ja vähintään

kahden päätelaitteen UE1 ja UE2 liittämistä simuloituun verkkoon. Päätelaitteita voi

lisätä tarpeen vaatiessa myöhemminkin.

Konsoli-ikkunan lokitiedostoa nauhoitetaan yhä merkinannon jälkitutkistelua varten.

Mikäli nauhoitus on katkaistu, tulee se aloittaa uudelleen. Tämä tapahtuu edelleen

RNC-konsoli-ikkunan punaisesta ”REC”-napista. Tallenna loki tiedostopolkuun

D:\data\... ja nimeä se yksiselitteisesti (esim. luokkatunnus_omanimi_MOC.log).

NodeB/Iub Simulaattori: Avataan JScript:

File -> Open Script

\NetHawk\NodeBIub Simulator 1.4.1 VIub\Scripts\NodeB_L3_Call

Valitaan päätelaite UE Id=1, B-tilaaja 2202 ja päätelaitteiden välinen puhelu.

Muodosta puhelu päätelaitteiden välille. Tallennettuasi yhden onnistuneen

merkinannon puhelun muodostamisesta ja purkamisesta voit päättää lokin talletuksen.

3G-simulaatio 17/19

Tutki seuraavaksi Calls/Connections-ikkunan välilehtiä ja kokeile erilaisten

puheluiden muodostamisia.

4.2 Osion dokumentointi Mittauspöytäkirja sisältää vastaukset kysymyksiin ja työn aikana tallennetut

mahdolliset screenshotit. Lokin perusteella tutkitaan merkinantoa Iub Visualisation-

ohjelmalla (RNC Operating mode) tai tekstinkäsittelyohjelmalla.

Työselostuksessa esitetään vähintään työhön liittyvä teoria.

4.2.1 Kysymyksiä

n) Määrittele CC-protokollan päätehtävät.

o) Mitä informaatiota muodostettavasta puhelusta CM SERVICE REQUEST

-sanoma sisältää?

p) Miten puhelu voidaan purkaa? Esitä kaksi tapaa.

q) Määrittele PCH-, DCCH- ja DTCH-kanavien roolit

puhelunmuodostamisessa.

3G-simulaatio 18/19

Iub Visualisation Simulaattoreiden merkinannon visualisointia varten käytetään erityistä Iub-

visualisaattoria. Ohjelmalla avataan simulointisession aikana tallennettuja

lokitiedostoja käsiteltäväksi. Tuetut protokollat ovat korostettuina ao. kuviossa.

Visualisointityökalun tukemat protokollat (NetHawk)

Visualisaattorin käyttöliittymä (kuva alla) on looginen ja erittäin havainnollistava.

Visualisaattorin käyttöliittymä

3G-simulaatio 19/19

Ohjelma dekoodaa Iub-rajapinnalta lokitiedostoon tallennettua merkinantoa

matkaviestimen (UE) ja GPRS-yhdyskäytäväsolmun (GGSN) välillä. Tämä tarkoittaa

tilannetta, jossa käytännössä voidaan tutkia koko UMTS-solukkoverkon merkinantoa.

Piirikytkentäisten yhteyksien merkinanto tapahtuu matkaviestimen ja

matkapuhelinkeskuksen (MSC) välillä. Pakettikytkentäiset yhteydet kulkevat GPRS-

operointisolmun (SGSN) ja GPRS-yhdyskäytäväsolmun kautta.

Toimintatapana (Operation mode) tulee käyttää RNC:tä. Visualisaattorissa on myös

protokollasuodin (Protocol Filter), jolla kaikkien ohjelman tukemien protokollien

näkyvyyttä graafisessa sekvenssikartassa voidaan säätää.

Visualisaattorin tuottamat sekvenssikartat voidaan tulostaa haluttaessa.