Mobilfunktraces (in English see below)

In Auswertung dieser Arbeiten entstand die Idee auch im Mobilfunk die Signalkanäle zu analysieren und damit die Wirkungsweise der Mobilfunktechnik zu verstehen. Auch im Mobilfunk soll nur die letzte Meile Gegenstand der Untersuchung sein, da man hiebei die Signalisation mit sog. Trace-Mobiles verfolgen kann. Wie im ISDN wird auf der letzten Meile bestimmt, welche Leistungsmerkmale dem Nutzer zur Verfügung stehen.

Diese Idee wurde von dem Umstand genährt, dass die Call-Control-Messages im Mobilfunk weitestgehend denen im ISDN entsprechen, was nicht nur füt GSM sondern auch für UMTS gilt. Die GSM-Pioniere Michel MOULY und Marie-Bernadette PAUTET nennen ISDN "Godfather of GSM".

Der Signalisationsaufwand zur Herstellung und Aufrechterhaltung von  Mobilfunkverbindungen mit seinen Meldungen für das "Radio Resources management" und das "Mobility management"  ist allerdings deutlich höher als der Aufwand für die Steuerung der "Circuit -switched call control ". Trotzdem, oder gerade deshalb gestattet auch hier die Analyse des Signalaustausches "zu verstehen was passiert".

Die genannte Vorgehensweise sich mit Mobilfunk zu beschäftigen schließt natürlich keinesfalls aus, sich eingehend mit der "hochfrequenztechnischen Komponente" der Mobilfunksysteme auseinander zu setzen, bestehend aus Antennen, Ausbreitungsbedingungen, Sendern, Empfängern, Modulationsverfahren, Impulsdiagrammen, Filtern, Kompressionstechniken, Signalprozessoren usw. Im Sinne einer ganzheitlichen Betrachtung sollten daher Lernenden bzw, Studierenden beide Aspekte der Mobilfunkbetrachtung dargeboten werden.

Bestärkt durch die freundliche Aufnahmen seines Büchleins "Der ISDN-D-Kanal im Dialog" ,  hat sich der Autor , selbst studierter Hochfrequenztechniker,  das Ziel gesetzt, die Vorgänge im Mobilfunk, GSM, GPRS und UMTS anhand der Analyse der Signalkanäle zu beschreiben. Bisher ist dazu der Titel "Die GSM-Dm-Kanäle im Dialog" im EPV-Verlag  erschienen. Bitte betrachten Sie das Inhaltsverzeichnis dieser Schrift. Das Thema GPRS wurde vom Autor zusammen mit dem Thema GSM auf einer (CBT) CD behandelt. Diese ist kombiniert mit einem Trace-Mobile SAGEM OT290 für die Mobilfunk-Ausbildung gedacht (siehe auch Abschnitt 5). Für das Thema UMTS ist zur Zeit noch kein SAGEM Trace-Mobile im Handel das, mit einem PC verbunden, Rohtrace liefert.

Wenn man über Signalisation sprechen will, sollte man über die Möglichkeit verfügen  Signale aufzuzeichnen d.h. zu tracen. In dem ausgezeichneten Buch über "GSM-Signalisierung" von G. Heine werden dazu Messeinrichtungen benutzt wie sie in der oberen Netzebene eingesetzt werden. Da für Lehrkräften und Lernende die Schnittstellen der oberen Netzebene allgemein nicht zugänglich sind, die dazu erforderliche Messtechnik auch sehr teuer ist, untersucht der Autor der vorliegenden Zeilen die Signalisation auf der Luftschnittstelle. Im ISDN entspricht das dem Tracen des D-Kanals auf dem S0-Bus.

Als Messeinrichtungen werden die vorzüglichen Trace-Mobiles der Fa. SAGEM verwendet. Dem Autor steht dazu für GSM das OT 260 und für GPRS das OT 96MGPRS (aktueller Typ OT 290) zur Verfügung.
Neben der Möglichkeit Kenngrößen der Mobilfunkverbindung auf dem Display des Trace-Mobiles abzulesen, lassen sich die  genannten Geräte über Kabel mit den COM-Ports eines PC verbinden und so die Informationen auf den Signal-Kanälen  auswerten, darstellen und speichern. SAGEM liefert dazu die Software OT Drive PC, lauffähig unter MS Windows. OT Drive PC gestattet es  in unterschiedlichen Fenstern aktuelle Kenngrößen des GSM wie "Layer 1 report", "MM information", "RR information", "Service state", "QOS", "C/I" und "AMR" schritthaltend abzulesen.
Für GPRS werden "RLC/MAC information", "LLC information", "GMM information", "SM/SNDCP information" und "QOS information" schritthaltend angezeigt.

Da ein Trace von OT Drive PC  im Binär-Format gespeichert wird, kann man sich die Dynamik der Kenngrößen jederzeit erneut durch ein Replay anschauen.  Dadurch kann in der Lehre auch mit Tracekonserven gearbeitet werden, wodurch nicht jeder Lernende und Lehrende über ein Trace-Mobile verfügen muss.

Entscheident für die Analyse der Signalkanäle ist die Möglichkeit mit OT Drive PC die Layer Messages aufzuzeichnen und zu speichern. Diese bestehen in der hexadezimalen Darstellung der Meldungen auf dem "GSM Layer2" , dem "GSM Layer 3", sowie der "RLC/MAC messages" und der "GMM-SM messages".
Diese Hexstrings sind mit Datum Uhrzeit und Zeitmarke  versehen und können in eine EXCEL *.csv Datei exportiert werden.
Um eine Übersicht über den Ablauf des Trace zu erhalten, importiert man die *.csv Datei zweckmäßig in ein EXCEL-Arbeitsblatt. Im Beispiel ist ein Ausschnitt aus einem Mobile Terminated Call dargestellt.

Zur weiteren Analyse ist es erforderlich den Inhalt der Hex-Strings ETSI-konform zu übersetzen. Dazu hat Herr Sebastian Göller einen Übersetzer geschrieben, der interpretativ arbeitet, dh. die Bedeutung des Inhaltes einer Meldung aus einer Text-Datei einem sog. Script abliest und darstellt. Die Scriptfiles wurden vom Autor bei Zugrundelegung der entsprechenden ETSI Empfehlungen geschrieben. Das Übersetzungswerkzeug heißt GSMViewbzw. GPRSView. Siehe auch den Schnappschuss  in dem die Kanalanforderung aufgrund der vorausgegangenen Meldung PAGING REQUEST TYPE 1 (wie im EXCEL-Arbeitsblatt dargestellt) übersetzt gezeigt wird. Als Beispiel für einen Scriptfile kann die GSM 04.08 konforme  Übersetzung der Meldung PAGING REQUEST TYPE 1 betrachtet werden. Die Übersetzer GSMView und GPRSView unterscheiden sich übrigens nur durch die Anzahl der Script-Dateien.

Zur Übersetzung von UMTS-Tracen existiert der Entwurf des Übersetzers UMTSView. Der Übersetzer UMTSView folgt dem Arbeitsprizip von GSM/GPRSView besitzt aber mehr Schalter und einen weiterentwickelten Interpreter

Für eine Reihe von Betrachtungen, zum Beispiel  der Kommunikation zwischen Partnern, von denen einer ein Mobilfunk-Teilnehmer, der andere ISDN-Teilnehmer ist, muss ein Trace im GSM und  im ISDN aufgezeichnet werden. Als Werkzeug zur Aufnahme eines ISDN-D-Kanal Traces kann natürlich jedes der zahlreichen auf dem Markt befindlichen Tracegeräte verwendet werden. Der Autor hat aber auch hier eine kostengünstige Lösung geschaffen.
Als ISDN-Endgeräte werden eine Fritzkarte und die Clienten für Telefonie, Faximile und Datenübertragung verwendet. Der Trace wird mit dem ISDN-Monitor CapiDog, einer Freeware  der Shamrock Software GmbH aufgezeichnet. Die ETSI-konforme Übersetzung erfolgt mit TraceView einem von Sebastian Göller für W@tchTrace von onsoft geschriebenen Übersetzer, der für CapiDog modifiziert wurde

Das Heft "Die GSM-Dm-Kanäle im Dialog" (ISBN 3-93618-00-X) enthält eine CD, auf der Rohtrace, die Übersetzer GSMView und TraceView, sowie  mit freundlicher Genehmigung der Shamrock Software GmbH, der ISDN-Monitor CapiDog, enthalten sind. Damit kann  der Leser zahlreiche Übungen entweder auf der Grundlage von Tracekonserven oder mit eigenem (handelsüblichen) Mobile und Fritzkarte durchführen.

Die Lehr-CD "Die Signalisation im Mobilfunk Transparent"(ISBN 3-93631807-7) enthält:
- den Lehrtext des genannten Heftes, aus dem auf Übungen und Bilder in PowerPoint-Folien zugegriffen werden kann,
- einen Powerpoint-Vortrag mit über 100 Folien zum Thema "Die DSM-Dm-Kanäle im Dialog"
- Übungen mit den genannten Hilfsmitteln, zu denen mit freundlicher Genehmigung der Firma SAGEM  das Programm OTDrivePC, zählt, sodass Rohtrace im Replay-Mode wiedergegeben werden können

Nachstehend ist die Messanordung dargestellt, mit der GSM- und ISDN- Trace erfasst werden .
 

Die folgenden Ausführungen stellen weder einen  Ausschnitt aus dem o.g. Lehrheft, bzw. der CD dar, noch eine lückenlose Beschreibung der GSM- GPRS- UMTS-Technik , sondern sollen lediglich belegen, dass man die Wirkungsweise der Mobilfunktechnik sehr gut durch Beschreibung der Vorgänge auf den Signalkanälen beschreiben kann. Es wurde allerdings bisher stillschweigend vorausgesetzt, dass der Leser mit der Signalisation im ISDN vertraut ist:-)(siehe z.B. ISDN Beispieltrace)

Allgemeines

1. Trace einer Verbindung zwischen Festnetz und Mobile

Es wurde ein Anruf aus dem Festnetz (ISDN) zu einem Mobile (OT 76 M)  sowohl auf der ISDN-Seite als auch auf der GSM-Seite getraced.  Im  übersetzten  ISDN-Trace ist nur die Schicht 3 dargestellt. Bei dem korrespondierenden GSM-Trace-L3-CC wurden mittels der Filter von GSMView alle Meldungen der Schicht 2 und alle Meldungen der Schicht 3 außer den CC-Messages unterdrückt. Man beachte auch die Zeitdifferenz zwischen der Auslösung des Rufs (SETUP) auf der ISDN-Seite und dem Klingeln des Mobiles (ALERTING) .

1.2 Ein Trace der Schicht 3 mit allen auftretenden Meldungen

Lässt man die Übersetzung aller Messagetypen zu und schließt nur noch die L2-Messages von der Übersetzung aus so erhält man  GSM-Trace-L3-All. Man beachte der hohen Anteil von Nachrichten die das Radio Resource Management bewerkstelligen. Die Bedeutung dieser Meldungen und die Rolle ihrer Informationselemente werden im o.g. Heft "Die GSM-Dm-Kanäle im Dialog" (ISBN 3-93618-00-X)  ausführlich beschrieben. Allerdings werden bei alleinigen Darstellung der Schicht 3 Nachrichten einige wichtige Komponenten der Kommunikation vernachlässigt, wie z.B. die Kanalanforderung, die auf der Schicht 2 stattfindet.

1.3 Ein kompletter Trace der Schichten 2 und 3

Wie man an dem bereits oben dargestellten EXCEL-Arbeitsblatt  ablesen  kann, werden nicht alle auf der Schicht 2 empfangenen Nachrichten an die Schicht 3 übergeben. Andererseits lösen bestimmte Nachrichten der Schicht 3 Sendungen auf der Schicht 2 aus. So zum Beispiel kann im kopletten GSM-Trace-L2L3 nachgelesen werden,  dass die im Rahmen 17 dargestellte  Schicht 2 - Meldung  PAGING REQUEST TYPE 1 im Rahmen 18 an die Schicht 3 übergeben wird. Dieser Ruf an das Mobile löst sodann die Kanalanforderung im Rahmen 19 aus. Man nennt einen derartigen Anruf "mobile terminated call" MTC.
Das Netz weist daraufhin im Rahmen 51, mit der Meldung IMMEDIATE ASSIGNMENT, dem Mobile einen Kommunikationskanal zu. Das Mobile sendet im Rahmen 54 PAGING RESPONSE und bittet gleichzeitig (mit SABM), um Übergang in den bestätigten Mode, was im Rahmen 57 vom Netz mit UA bestätigt wird. Der Leser möge selbst suchen, in welchem Rahmen mit DISCONNECT auf der Schicht 2 der acknowledge Mode verlassen wird.
 
 
 

2. Dienste im GSM

2.1 Telephonie
Im ISDN-D-Kanal werden Teledienste in den Informationselementen Bearer Capability und High Layer Compatibility spezifiziert. Im D_m-Kanal des GSM ist das genauso. Betrachten Sie dazu noch einmal  die Anforderung des Dienstes Telefonie im SETUP (Rahmen 1) des   GSM-Trace-L3-CC .

2.2 Fax Group2/3
Will die Gegenstelle eine Fax-Verbindung über einen GSM-Kanal initiieren so wird das in den Informationselementen BC und HLC erwartungsgemäß so formuliert wie im  ISDN-zu-GSM-Fax-Trace  dargestellt. Interessant ist die Nachricht über eine Rufumleitung, die vom Netz eingesetzt wurde. Da das in der Übung verwendete Mobile das Fax nicht darstellen kann, wurde das Fax an eine Mailbox übergeben  und der Empfänger gefragt an welches Faxgerät das Fax zwecks Ausdruck übergeben werden soll.
Zur besseren Heraushebung der CC-Meldungen wurden die RR-Rahmen in diesem Trace wieder durch Filter unterdrückt.

2.3 Filetransfer
Datenübertragung vom Festnetz zu einem (GSM-)Mobile oder umgekehrt bzw.  zwischen zwei (GSM-)Mobiles erfordert die Beauftragung dieses Dienstes beim Operator. Zur Durchführung des Dienstes erhält der Mobilebesitzer eine spezielle Telefonnummer (Mobile Subscriber ISDN Number MSISDN).
Versucht man Daten mit einer für Telefonie zugelassenen Nummer zu übertragen so ist die Reaktion des Mobiles vom Betreiber des Mobilfunknetzes abhängig.
Betrachten wir zunächst ein Beispiel, bei dem der Datenanruf aus dem ISDN zum D1-Netz gestartet wurde. Der Trace auf der ISDN-Seite ist in "Data to GSM" dargestellt. Betrachten wir nun die Reaktion des Mobiles, die aus dem Trace "Data from ISDN"  hervor geht. Im SETUP des Netzes ist kein BEARER enthalten. Deshalb weist das OT76M den Anruf zurück.
Dieses Verhalten des Netzes ist erlaubt, entsprechend  Recommendation GSM 04.08 Abschnitt  9.3.23.1 Setup (mobile terminated call establishment) ist die Anwesenheit des IE Bearer capability ; optional.
Der Netzbetreiber D2 verhält sich anders. Wie man aus dem Trace  "Data from ISDN to D2"  ersehen kann, wird der Ruf bereits vom Gateway MSC (GMSC) zurückgewiesen. Der Ruf erreicht das Mobile gar nicht..
Wird, wie oben angeführt, ein für DFÜ zugelassenes Mobile angerufen, so enthält das SETUP die aus dem ISDN bekannte Formulierung des Bearers, wie man aus dem Trace DatenISDN-GSM ersehen kann (die RR-messages sind wieder ausgefiltert). Da das Mobile für zum Empfang der Daten nicht mit einem PC verbunden war, mußte der Ruf abgewiesen werden, daher steht als Grund für das DISCONNECT "Besetzt".
 

3. Dienstmerkmale im GSM

3.1 Grundlagen
Man unterscheidet (wie aus dem 1TR6 bekannt) "Rufabhängige Dienstmerkmale" ( call related Supplementary Service (SS) messages) und "Rufunabhängige Dienstmerkmale" (non call related SS messages). Während die ersteren in Rahmen einer Telefonverbindung über die Meldung FACILITY aufgerufen werden, heißt die Meldung für den Aufruf der letzteren FACILITY REGISTER. Beide Meldungen sind in der Abstracten Syntax Notation 1 (ASN.1) formuliert.

3.2 Beispiele für "Rufabhängige Dienstmerkmale"
Als Beispiele dafür sollen an dieser Stelle HOLD  und Konferenz behandelt werden.

Erhält man während eines Gesprächs einen zweiten Anruf  (Anklopfen wurde erlaubt), so ist es möglich das aktuelle Gespräch zu halten, und sich mit dem anklopfenden Partner zu verbinden. Dazu muss die Meldung HOLD ausgesandt werden, die das Netz veranlasst die aktuelle Verbinden zu halten und mit dem anklopfenden Partner zu verbinden. Die Rückkehr zur gehaltenen Verbindung geschieht mit der Meldung RETRIEVE. Im Trace HOLD-RETRIEVE ist dieses Vorgehen ( bei unterdrückten RR-Meldungen) dargestellt.

Falls der Teilnehmer am Mobile aus dem HOLD heraus eine Verbindung mit beiden Partnern wünscht, kann er an seinem Telefon das Dienstmerkmal Konferenz  aufrufen.  Während im ISDN zwischen der Dreierkonferenz und der 10er-Konferenz unterschieden wird,  gibt es im GSM nur die "Konferenz mit mehreren Teilnehmern" MTPY (Multiple Party) die es gestattet bis zu 5 Teilnehmern (SIEMENS ME 45) in der Konferenz vu vereinen. Beachten Sie dazu den Trace MPTY.

3.2 Beispiel für "nicht rufabhängige Dienstmerkmale"
Als Beispiele dafür sollen  an dieser Stelle CLIP/CLIR  und Rufumleitung behandelt werden.

Im ISDN wurden CLIP und CLIR durch einen Schalter (ein Bit) im Informationselement Calling Party Number eingestellt.
Im GSM wird CLIR bei entsprechender Einstellung am Mobile (was von Hersteller zu Hersteller verschieden gehandhabt wird) durch das Informationselement CLIR Ivocation in der SETUP Meldung veranlasst. Bei Erlaubnis die eigenen Rufnummer auf der Gegenstelle darzustellen  (also CLIP)  fehlt diese IE im SETUP.

Alle Mobiles gestatten es Rufumleitungen zu schalten. Betrachten Sie dazu den Trace Aktivierung einer unbedingten Rufumleitung  und danach den Trace Deaktivating der Rufumleitung. In beiden Traces wurden aus Gründen der besseren Lesbarkeit die aus dem Beispiel im Abschitt 1.2 bekannten RR-Meldungen herausgefiltert.
 

4. Über SMS

Rahmen die SMS- Meldungen beinhalten besitzen den Protocol Discriminator 9. Die Meldungen  werden über einen SDCCH übertragen, es ist also kein Traffic Channel notwendig.  Der Layer 3 kann dem Layer 2 insgesamt Nutzer-Daten (eine SMS) in der Länge von 160 Byte übergeben. Der Layer 2 muss diese Meldung  in Abschnitte zu maximal 23 Byte segmentieren. Der SMS-Trace ist hier ungenau, da bei der Decodierung des Rohtraces die Segmentierung aufgehoben, und aus 2 Rahmen einer gemacht wurde. Das Interessante ist, dass die Nutzerdaten in einem 7 bit Alphabet dargestellt werden. Man kann also einen SMS Trace nicht sofort lesen, sonder muss ihn decodieren, was im o.g. übersetzen Trace im Rahmen 9 angedeutet wird. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde beim Übersetzen des Traces  der RR-Filter eingeschaltet.
Mit dem Extended Message Service  EMS (TS 123 040), lassen sich 255 SMS' zu einer EMS aneinanderreihen. es existieren Steuerelemente, die es gestatten, Töne Bilder und Animationen zu übertragen. SIEMENS benutzt das EMS-Prinzip um mit seinem ME45 Texte in der Länge von 5 SMS zu verschicken. Ein ebenfalls EMS-fähiges Mobile empfängt den Text als eine Meldung, während ein nicht EMS fähiges Mobile hintereinander 5 einzelne SMS  empfängt. Betrachten Sie dazu den Trace EMS-Empfang.
Eine weitere Steigerung der Übertragungsqualtiät von Meldungen wird mit dem Multimedia Message Service MMS erreicht. Dazu muss das Übertragungsmedium echte MMS Qualitäten aufweisen, was nur mit GPRS und UMTS möglich ist.
 
 
 

5. Über GPRS

5.1 Allgemeines
Der  General Packet Radio Service (GPRS) bietet die Möglichkeit über die im GSM-Netz organisierten Funkkanäle Paket-Daten zu übertragen. Um dieses Leistungsmerkmal zu installieren, musste das GSM-Netz durch die im folgenden Bild dargestellten Komponenten erweitert werden.
 
 

Der Gateway GPRS Supportnode GGSN stellt den Einsprungpunkt vom Internet in das Paketfunknetz dar. Er besitzt eine feste IP-Adresse (wie jeder IP-Router) und ist maßgeblich beteiligt bei der Zuteilung einer IP-Adresse an das GPRS-Mobile, wenn dieses mit einem  ActivatePDP CONTEXT REQUEST eine Verbindung zum Internet anfordert.
Der Serving GPRS Support Node SGSN ist im wesentlichen eine Paketvermittlung für  die Datenpakete aus mehreren angeschlossenen PCU's, die ihrerseits Base Station Subsysteme mit mehreren Funkzellen versorgen.

Die Packet Control Unit PCU konvertiert die Paketdaten in sog. PCU-Rahmen, die im Format den TRAU-Rahmen (Rahmen mit komprimierten Sprachdaten) gleichen. Die Gleichheit der Struktur dieser Rahmen gestattet es die Infrastruktur des GSM (Mobile, BTS und BSC) für das GPRS zu verwenden.
Die PCU ist für das RR-Management im GPRS verantwortlich und benutzt dazu das RLC/MAC Protokoll.

War für das Verständnis der Informationsübertragugung im GSM die Kenntnis der Signalisation im ISDN von Nutzen, so sollte der Leser der sich mit GPRS beschäftigen will zunächst über Kenntnisse der Datenübertragung im LAN und im Internet verfügen. Dazu gehört es zu wissen, wie Informationen in TCP/IP Pakete verpackt werden und z.B. in Ethernetpaketen (mit MAC-Header) den Rechnern im LAN zugestellt werden.
Bei Vorhandensein derartiger Vorkenntnisse fällt es leichter zu verstehen, wie die IP-Pakete aus dem Internet im GGSN getunnelt, mit Hilfe des Subnetwork Dependent  Convergence Protocol  SNDCP komprimiert und dann in Rahmen des Logical Link Control LLC eingefügt werden. Zum Transport über die Luftschnittstelle müssen die LLC-Rahmen nochmals segmentiert werden damit sie in Blöcken von ( beim Codieschema CS1) 23 Oktett Länge durch vier Bursts übertragen werden können. Datenblöcke besitzen einen (Medium Acces Control) MAC-Header von 8 Bit länge und einen (Radio Link Control) RLC-Header von 2-3 Oktett Länge. RLC/MAC Steuerblöcke, wie sie in den Trace vorkommen besitzen nur einen MAC-Header.

Obwohl im GPRS ähnlich dem GSM eine ganze Gruppe verschiedener Paket Steuer- und Verkehrskanäle definiert sind, ist deren Einsatz  nicht Pflicht. Wie man aus den nachstehend aufgeführten Traces erkennen kann, werden in den momentanen GPRS-Netzen z.B. die Broadcast-  (BCCH) Paging- (PCH) und Control- (CCCH) Kanäle des GSM verwendet. Einzig der Packet Data Traffic Channel PDTCH und der Packet Associated Control CHannel PACCH werden z.Zt. für die GPRS-Übertragung verwendet.
 

5.2 GPRS-ATTACH (Wie meldet sich ein Mobile am Netz an)

In der Technologie der Kanalvermittlung des GSM, reagiert ein Mobilfunkgerät nach dem Einschalten folgendermaßen:

Nachdem sich das Gerät auf den stärksten  Sender, mit der Kennung des zugelassenen Operators (Providers), aufsynchronisiert hat, liest es die SYSTEM INFORMATIONEN die auf dem  Broadcast Control CHannel  seiner Zelle ausgesandt werden. Es findet in der Meldung SYSTEM INFORMATION TYPE 1  die Frequenzen von  Broadcast- und Traffic Channel, findet in der Meldung SYSTEM INFORMATION TYPE 2 die Frequenzen der Broadcast Kanäle der Nachbarzellen.  In der SYSTEM INFORMATION TYPE 3/4 findet sie in welcher Zelle sie sich gerade aufhält und weitere Parameter. Mit den gewonnenen Informationen kann das Mobilfunkgerät eine Voreinstellung seiner Filter und Generatoren  vornehmen.

Um sich im Netz anzumelden,  fordert das Mobilfunkgerät nunmehr zum Zwecke des Location updates einen Kanal an, der ihm mit der Meldung  IMMEDIATE ASSIGNMENT  zugewiesen wird. Die MS  sendet einen LOCATION UPDATE REQUEST bei gleichzeitigemÜbergang in den gesicherten Mode (SABM). Dieser Anmeldung wird von Netz nach Feststellung der Identität des Mobiles und einer Authentifizierung zugestimmt. Betrachten Sie dazu den Trace Location Update.
Danach wird der gesicherte Mode wieder verlassen und die MS wartet entweder auf ein PAGING REQUEST bei dem das Netz  das Mobiles mit seiner (IMSI) TMSI ruft, oder der Nutzer des Mobiles initiiert einen Anruf.

In beiden Fällen fordert das Mobile erneut einen Kanal an, erhält in einer IMMEDIATE ASSIGNMENT  Meldung  die Frequenz und den Zeitschlitz des Control Channels  zugewiesen, über den die erforderlichen Steuerungsinfornationen zwischen Mobile und Netz  ausgetauscht  werden. Schließlich wird dem Mobile vom Netz ein Transportkanal zugewiesen, über den die Kommunikation (Das Telefongespräch) abgewickelt wird.

In der Technologie der Paketvermittlung von GPRS, verhält sich das Mobile zunächst wie in GSM.

Neben den SYSTEM INFORMATIONEN TYPE 1 bis 4 sucht das Mobile auf dem Broadcast Channel nach der Meldung SYSTEM INFORMATION TYPE 13. Wird diese Meldung gefunden, liest das Mobile daraus einige wichtige Parameter hinsichtlich GPRS Mobile Allocation, GPRS Cell Options, GPRS Power Control Parameter u.s.w. Nach Lesen und Verarbeiten dieser Informationen  fordert das Mobile einen Kanal an um das LOCATION UPDATING REQUEST durchzuführen.
Mit der Meldung ATTACH REQUEST meldet sich das Mobile beim SGSN als anwesend an. Man sagt es wird für die MS ein Context aufgebaut der unter anderem den Aufenthaltsort (die Routing Area) die Identität des Mobiles, Authentitäts Informationen usw. enthält.

Der geschilderte Vorgang wird im Trace GPRS-ATTACH   dargestellt. Man erkennt, dass als erstes die Melduingen  LOCATION UPDATING REQUEST an die Schicht 2 übergeben wird,  die daraufhin sofort einen Kanal anfordert. Danach, beinahe gleichzeitig, wird  von der Schicht 3 die Meldung GMMATTACH REQUEST übergeben.
Man verfolge nun, dass jetzt zwei Vorgänge nacheinander ablaufen. Zunächst das Location Updating,wozu ein einfacher Steuerkanal SDCCH genügt. Nachdem der dazu benutzte Kanal wieder abgegeben wurde, erfolgt erneut ein IMMEDIATE ASSIGNMENT , wobei ein Paketdatenfluss zugewiesen wird  (Temporary Block Flow). Die Kommunikation zwischen Mobile und Netz (BTS) erfolgt nun über  Datenblöcke, die im Trace des Signalkanals nicht erscheinen.

Das Netz startet nun einen AUTHENTICATION REQUEST gefolgt von einem   IDENTITY REQUEST. Wenn der dazugehörende Informationsaustausch erfolgreich war sendet das Netz ein ATTACH ACCEPT den das Mobile mit ATTACH COMPLETE quittiert.

Im Trace GPRS-ATTACH können Sie die genannten GPRS Mobility Management Kommandos finden.
Achten Sie bitte auf die RLC-Frames die zusammen mit jedem GMM-Kommando gesendet wurden. Zum Beispiel:

- ATTACH REQUEST gefolgt von
- CHANNEL REQUEST  auf dem  RACH , danach sendet das Netz ein
- IMMEDIATE ASSIGNMENT  Kommando und ein
- PACKET UPLINK ASSIGNMENT Kommando  die durch einen
- ACCES BURST bestätigt werden.
- Die Uplink RLC Data Blocks sind im Trace nicht enthalten, aber das
- PACKET UPLINK ACK/NACK Kommando welches die empfangenen Datenblocks bestätigt oder zurückweist
Dem folgt ein PACKET DOWNLINK ASSIGNMENT und so weiter..
Man beachte, dass, neben den Daten alle Kommandos in LLC-Rahmen verpackt über den GPRS-Kanal gesendet werden. Betrachten Sie das am Beispiel der Meldung ATTACH REQUEST.

Beachten Sie auch die unterschiedliche Anzahl von Zeitschlitzen, die dem Mobile vom Netz im  Uplink und Downlink zugewiesen werden.
 

5.2 GSM SM ACTIVATE und DEACTIVATE PDP CONTEXT REQUEST
Nachdem das Mobile im Netzwerk registriert ist (ATTACH ACCEPT), kann eine IP-Nummer (Vervollständigung des Contextes) vom Netz angefordert werden. Ist die IP-Nummer zugewiesen, verhält sich das Mobile wie ein Terminal im Internet, es ist jederzeit erreichbar  (always on).
Zur Anforderung des Contextes hat das Mobile eine ACTIVATE PDP CONTEXT REQUEST Meldung zu senden. Neben weiteren Parametern enthält die Meldung:
Den  Packet data Protokol type (z.B. IPv4), den Access Point Name (zur Auswahl des GGSN  des Netzbetreibers), Das Quality of Service (QoS) profile ( bestehend aus Priority, Delay Class, Mean- und Peak Troughput rate und  Reliability Class) u.s.w..  Das Netzwerk beantwortet die Forderung allgemein mit ACTIVATE PDP CONTEXT ACCEPT. Dieses Kommando enthält die gewährten QoS Parameter und die IP-Nummer.
Das Handling kann am Trace  PDP_Context_Request verfolgt werden. Betrachten Sie den gleichen Trace mit ausgefilderten RR, MM und RLC/MAC Meldungen Context_Requ_kurz.
Die Auflösung des Contextes d.h. die Rückgabe der IP-Nummer erfolgt über das Kommando Deactivate_PDP_Context_Request, von dem auch eine, durch Einsatz der Filter entstandene Deakt_PDP_Context-Req-kurz  existiert.
Wenn der PDP Context besteht, stellt der GPRS-Kanal eine IP-Verbindung sicher, wie sie vergleichsweise (mit Ausnahme der Übertragungsgechwindigkeit) im LAN existiert. Wer sich die IP-Rahmen im LAN z.B. mit "ETHEREAL" angesehen hat kann diese auch im GPRS-Trace finden. Betrachten Sie dazu den Rahmen eines ping-Kommandos.
 
 
 

6. Über UMTS

6.1 Allgemeines
Mit UMTS steht ein neuer Funkkanal zur Verfügung, auf dem von den Operatoren maximal eine Übertragungsgeschwindigkeit von 384 kbit/sec zugelassen wird. Wie bereits im Zusammenhang mit dem GSM-Funk-Kanal bemerkt, verdient auch der UMTS-Funk-Kanal eine gesonderte Betrachtung, die jedoch an dieser Stelle nur stark gekürzt erfolgen soll.
- Die Operatoren (in Deutschland) verfügen im Frequenzband von Uplink 1,92..1,98 GHz, Downlink 2,11..2,17 GHz je eine Frequenz.
- Diese Frequenz wird mit einer Impulrate von 3,84 Mega chips pro Sekunde (Mcps) moduliert. Der Begriff chip wird zur Unterscheidung zum
Terminus bit für die Symbol- (Nutzsignal-) Rate gebraucht.
 
 

 
 
Die Bandbreite des entstehenden Kanals beträgt ca. 5 MHz. Die Chipfolgen, repräsentiert durch die Zweige des nachstehend aufgeführten Walsh-Baumes, stellen Codes dar die alle zueinander orthogonal sind. Nutzsignale die die auf diese Folgen moduliert sind sind damit ebenfalls orthogonal. Man muss allerdings die verwandschaftlichen Abhänngigkeiten der Codes beachten. Wählt man im nachstehenden Bild den dick rot gezeichnete Code aus (SF=8, K=2) so sind dessen Vater, die Söhne und deren Nachkommen nicht mehr othogonal zueinander.
 
 
 
 
Von großer Bedeutung ist die nun folgende Modulation des Nutzsignals mit einer PN-Folge.
 
 
 
 
 
Der Scrambling-Code kann nicht nur zur Unterscheidung von Funkzellen genutzt werden, sondernd auch allgemein zur Unterscheidung von Quellen, wie z.B.Wiederverwendung von Codes (durch unterschiedliche Mobiles) im Uplink.
 

6.2 Die Netzstruktur

Ähnlich dem Übergang vom GSM zum GPRS wurden möglichst viele Komponenten der Infrastruktur erhalten, d.h. für beide Systeme genutzt (siehe das nachstehende Bild).
Wer von GSM/GPRS auf UMTS "umgestiegen" ist weiß, dass er seine SIM-Karte nur in das UMTS-Mobile einstecken musste, um im neuen Netz zu telefonieren. Das geht u.a. aus dem unten stehenden Bild hervor, da das Home Location Register HLR für beide Netze zuständig ist.
 
 

 
  Das Erhalten bewährter Komponenten kommt auch in der neuen (etwas gewöhnungsbedürftigen) Terminologie des "Stratums" (für "Schicht") zu Ausdruck. Es werden nämlich die kanalbildenden RRC-Messages dem Access stratum zugeordnet, während die aus dem GSM/GPRS bekannten Protokollelemente der Call Control-, SMS-, Mobility Management-, Session Management-, GPRS Mobility Management- Messages usw. dem Non-access stratum zugeordnet werden.
 
 
 
 
Während im GSM/GPRS kanalbedingt eine Meldung maximal 23 Oktett (184 Bit) lang sein durfte, gestattet der UMTS-Kanal Meldungen von mehreren hundert Bit Länge. (Z.B kann die Meldung RRC CONNECTION SETUP eine Länge größer 900 Bit aufweisen).
 
 

6.3 Kodieren und Dekodieren von RRC-Messages

Während im ISDN, GSM und GPRS nur einige Meldungen in ASN.1 kodiert sind (z.B. die Supplementary Services), findet man im UMTS ohne Ausnahme alle RRC-Messages in "Packet ASN.1 (PER:ITU-T Recommendation X.691)" kodiert.
Wenn Sie sich einigermaßen mit der Kodierung in ASN.1 auskennen, können Sie die RRC-Messages wie in ETSI TS 125331 beschrieben dekodieren. Sie werden sich allerdings bald die Frage stellen wie mit den optionalen Informations Elementen umgegangen werden soll, oder was Sie für die Größe der gegebenen Variablen einsetzen sollen für die eine von -bis Spanne angegeben ist. Die Lösung dieser Probleme ist relativ einfach (wenn man weiß wie:-). Die Firma inacon besitzt auf Ihrer Web-Seite eine Online Bibliothek (Demo)(http://www.inacon.com/library/demo/index.php). Sie finden dort unter den RRC-Protokollen die ASN.1 typische Übersetzung der Meldung rrcConnectionRequest. Wenn Sie dieses Beispiel aufmerksam verfolgen wird erklärt wie die Schalter und Variablen in den UMTS-Traces dieser Web-Seite zustande kommen.
 
In den Abschnitten 1..5 dieser Ausarbeitung habe ich die Prinzipien der Mobilen Kommunikation, am Beispiel von Tracen der Luftschnittstelle erklärt. Wenn man auch im UMTS das Verhalten auf der Luftschnittstelle anhand von Tracen erklären will, entsteht die Frage mit welcher technischen Einrichtung diese Trace gefangen werden sollen. Es gibt da einige Möglichkeiten:
- Man nimmt den Trace vom Iub Interface des Node B, aufgezeichnet durch ein Tektronix Trace-Tool. Kritik der Lösung: Nicht möglich, sehr teuer und das Problem, wie soll der Lehrer Zugriff zum Radio Network System erhalten?
- Aufnahme des Traces mit einem Qualcomm-trace-mobile und dekodieren mit der spezielle Software "Friendly Viewer". Kritik der Lösung: Die Aufnahme von Traces auf dem UMTS-Air-Interface ist möglich, die Meßeinrichtung ist im Angesicht leerer Kassen im Bildungssystem kaum erschwinglich.
- Unsere Lösung: Herr Sebastian Göller hat, wie schon für das ISDN und für GSM/GPRS, einen Übersetzer für UMTS-Trace, die in Hex Format vorliegen, geschrieben. Mir selbst fällt die Aufgabe zu die Scripte zu schreiben durch die die Hex-Strings ETS-conform übersetzt werden. Betrachten Sie bitte das nachstehende Bild. Man sieht die Schalter mit denen die verschiedenen Kanäle separiert werden können, sowie die Möglichkeit Zeilennummern einzublenden. Es stellt sich die Frage wo wir die Rohtrace her bekommen um sie zu übersetzen wie im folgenden Bild gezeigt. RRC CONNECTION REQUEST
 
 

 
 
- Man könnte die Trace mit dem Motorola E1000 erfassen? Leider nicht möglich, die Firma hat meine Anfrage, mir das dazu erforderliche Interface für Lehrzwecke zu verkaufen, nicht beantwortet.
- Ich glaube die Lösung wird wieder darin bestehen, zu warten bis SAGEM seine Entwicklung eines UMTS-Trace-Mobiles, mit dem man Trace in der bekannten Methode exportieren kann, beendet hat.
 
Im folgenden soll nun die Funktion eines UMTS-Mobiles anhand der Trace auf der Luftschnittstelle beschrieben werden.
 
 

6.4 Kanalanforderung im UMTS
Während im GSM/GPRS die Kanalanforderung durch einen Burst auf dem RACH-Kanal erfolgt, ist die Kanalanforderung im UMTS aus vielerlei Gründen komplexer. Wie aus dem nachstehenden Bild hervorgeht, wird vom Mobile zunächst mit einer Impulsgruppe vom 4096 chips beim Node B "angeklopft". Wenn der Node B diese Signal nicht erhört wird das Anklopfen mit größerer Leistung wiederholt, solange bis der Node B auf dem Acquisition Indicator Channel die Erlaubnis zu Senden der RRC CONNECTION REQUEST Meldung gibt. Der physikalische Kanal auf dem die Meldung RRC CONNECTION REQUEST zum Node B gesendet wird heißt Physical Random Access Channel PRACH.
 
 

 
  Der Grund für die Kanalanforderung wird im Informations Element Establishment Cause genannt. Der Node B antwortet auf dem Secundary common control physical channel S-CCPCH mit der Meldung RRC CONNECTION SETUP, die die genaue Einstellvorschrift für das Mobile zur weiteren Kommunikation mit dem Netz enthält (analog zur Meldung IMMEDIATE ASSIGNMENT im GSM/GPRS).
Wenn man den Inhalt der Meldung RRC CONNECTION SETUP komplett verstehen will benötigt man genauere Kenntnisse über Kanäle im UMTS und die Rolle der Radio Bearers. Diese Kenntnisse sollen jedoch an dieser Stelle nicht vermittelt werden. Man kann sich aber einen groben Überblick verschaffen, indem man sich die einzelnen Abschnitte anschaut:
----> User equipment IEs: Enthält die PLMN-Identität und weitere Kenngrößen für das Mobile in der Zelle.
----> Radio bearer IES: Es werden vier Radio Bearer generiert. Einer davon für den Unacknowledged Mode, die anderen drei für den Acknowledged Mode. Gemeinsam bilden sie den DL-DCH transport channel und einen logischen DCCH.
----> Transport channel IEs: Hier wird der Uplink-DCH und der Downlink-DCH beschrieben, mit der Transport-Channel-Identity, dem Physical Channel Type, dem Time Transmission Interval, dem Convolutional Coding Type usw.
----> Physical channel IEs: Hier wird unter anderem der zu verwendende Scrambling Code und der Spreizfaktor festgelegt.
 
Das Mobile antwortet mit RRC CONNECTION SETUP COMPLETE Das Mobile muss sich nun zunächst beim Netz anmelden. (Siehe nachstehendes Bild "Loaction Update im Circuit Switched Mode")
 
 
 
 Das erfolgt mit der aus dem GSM/GPRS bekannten Meldung LOCATION UPDATING REQUEST. Das Bild ist hier ungenau, da LOCATION UPDATING REQUEST nicht direkt zum Node B gesandt werden kann, sondern in die Meldung INITIAL DIRECT TRANSFER verpackt und so auf dem Uplink dedicated physical channel UL_DPCH zum Netz gesandt wird.

6.5 Ein Telefonanruf im UMTS

Das Prinzip des Verpackens der NAS-Messages in die Meldungen INITIAL-,UPLINK-, oder DOWLINK-DIRECT TRANSFER gilt generell im UMTS, sodaß man im UMTS Trace eines Telefonanrufs außer den aus dem GSM bekannten Meldungem nur wenige UMTS-typische findet.
 
 

 
 Im vorstehende Trace sind allein die Meldungen SECURITY MODE COMMAND und RADIO BEARER SETUP UMTS-typisch.

Letzes Update am 07.01.06 Wird fortgesetzt:-)

 
 
  Traces captured in cellular phone networks

 
 
 

1.)Basics

As you can see from the links on this web site, the author has dealt with signalisation on the ISDN-D-Channel. The aim to do so, came from the request to a better understanding of the services and supplementary services in ISDN. The study was restricted to signalisation on the last mile of an ISDN-connection, that is the line between telephone set and the digital local exchange. This restriction is caused by the fact that measurements at these line is possible with simple and cheap equipment. Signalisation on the trunk network, that is between the digital local exchanges, is an own world. Only a few Information Elements from the signals on the ISDN-D-Channel are transported over the network without any modification.
 
In evaluation of the findings in ISDN, the idea was born to examine the behavior of mobile phones by analyzing the Dm-Channel of the last mile, that is the radio connection between Mobile and Base Transceiver Station (BTS). Measurements of the GSM/GPRS-Dm-Channels can be made by Trace-Mobiles e.g. the SAGEM OT 260 /290. Like in ISDN it should be possible to study the performance of GSM-mobile by analyzing the Dm-channels.
 
This idea was stimulated by the fact that the Call-Control-messages in GSM(UMTS) are nearly the same as the Call-Control-messages in ISDN. There fore the GSM-pioneers Michel MOULY and Marie-Bernadette PAUTET call ISDN "Godfather of GSM".
Please have a look to the Components and Interfaces of a PLMN.

In ISDN  there is a "Last Mile" used to convey the information of  Layer 1 between Local Exchange and telephone station, in the mobile network the last mile has to  bridge the distance between Mobile Station (MS) and Base Transceiver Station (BTS) using the radio channel . It may be evident that the signalling system to establish a connection and to keep it alive is much more complex than the one in ISDN. For example in the stream of messages on the Dm-channels there are much more messages serving the Radio Resources or the Mobility Management than messages serving the Call Control. But the CC-Messages and Information Elements are mostly identical with those of the ISDN-D-Channel. That should be shown by the following examples .
To generate traces of the air interface Um we need a trace mobile, may be a SAGEM OT 260 and a remote terminal in the local network of ISDN. The measurement setup is shown in the following  picture.

 

1. Traces of a connection between conventional network and Mobile

1.1 A Trace of Layer 2
The Layer2-Trace shows a call from an ISDN-Telephone to a SAGEM OT76 M Trace mobile (a predecessor of the OT260). Please have a look to the first frame in that trace. You see the message PAGING RESPONSE combined with a Layer 2 header which consists a SABM. That means the mobile asks the network for changing into the protected mode.In frame number 3 the network confirms this application giving an UNNUMBERED ACKNOWLEDGE. In frame number 12 you find the (first) Call Control message SETUP. Between frame 3 and frame 12 there are only RR-Messages, forming the predominant; portion of the message stream. Like in ISDN a layer 2 frame consists an address octet SAPI and a CTRL octet and there is a further octet giving the length of the following significant octet string.
At the start of the SACH frames there are additional two octet meaning the pseudo length.

The raw traces captured with OT76 M (linked with a computer running OTDrivePC) got translated with GSMView (written by Sebastian Göller).
 
 

 
 

The above picture  shows the outfit of the tool. A feature which should be of interest is the possibility to suppress
frames of the different protocol discriminators which are not of interest:
  | CC: 0011 | MM: 0101 | RR: 0110 | GMM: 1000 | SMS: 1001 | GSM: 1010 | SS: 1011 | TV: 1111 | NO: No information field|
Using the check box Layer 2, only the frames between SABME and DISC get translated.
For instance in the example "Time delay in the ISDN-GSM-field " you find only CC-Messages.
 

1.2 A Trace of Layer 3
To see the full trace in idle and dedicated mode you have to activate the check box Layer 3.  For example see Layer3-Trace of a connection between network and mobile .

1.3 The CC- messages of layer 3
In the example Layer 3-Trace-CC there are all PD disabled without PD 03 Call Control Messages.

Another example showing the equivalence between CC-Messages in ISDN and GSM you can find in the above mentioned example
"Time delay in the ISDN-GSM-field" .
 
 

2. Services in GSM

2.1 Telephony
From ISDN we know, teleservices are to be defined in the Information Elements Bearer Capability and High Layer Compatibility. In case of Telephony you may verify that by looking at Layer2-Trace.

2.2 Fax Group2/3
If the remote terminal likes to set up a facsimile call, BC and HLC must have the form shown in Layer2-Fax-Trace.
As we know that there are a lot of RR Messages, making a trace hard to read, in the facsimile trace RR an MM Frames got filtered out.

2.3 File transfer
If the remote terminal likes to set up a data connection, it has to make the entry unrestricted digital information
in the Bearer Capability Information Element. The response of the mobile depends on the operator of the PLMN. First have a look to an example found making a data call from ISDN to D1 network. The trace of the ISDN site is shown in "Data to GSM". Now you can examine the answer of the Mobile in the trace "Data from ISDN".
You can find no Bearer IE in the call from the network. Therefore the OT76 M refuses the call.
The behavior of the network  is correct, according to  recommendation GSM 04.08 paragraph 9.3.23.1 Setup (mobile terminated call establishment) the presence of the information element Bearer capability is  optional.
The operator D2 acts in an other way. As you can see in the trace "Data from ISDN to D2"  the call is refused already in the gateway from ISDN to GSM  network. The call does not reach the mobile.
 

3. Supplementary Services in GSM

3.1 Basics
You have to distinguish call related Supplementary Service (SS) messages and non call related SS messages. The
one will appear in a stream of normal Call Control messages. The other are "stand alone". Both messages are coded in the Abstract Syntax Notation one (ASN.1).

3.2 An example of call related Supplementary Service (SS) messages
For example the Supplementary Services HOLD and MULTI PARTY SERVICE  (MPTY) are call related. The trace was captured by an OT 260. To hold the Trace clearly arranged, only CC-Messages are shown in MULTI PARTY SERVICE. Please follow the trace and have a look at the moment when the user gives the command HOLD to the network. After that, he calls a second subscriber. After being connected with him he calls for the MULTI PARTY SERVICE. The Network will connect the three peers to the "conference bridge" and they can all three talk to each other.

3.3 An example of non call related Supplementary Service (SS) messages
OT76 M allows call forwarding. Please look at the trace activating call forwarding unconditional and the trace deactivating call forwarding unconditional. In both traces the RR frames, known from the example of paragraph 1.2 got filtered. That makes the traces more compact and better to read.
 

4. About SMS

SMS frames can be recognized by its PD=9. There are the messages   CP-DATA, CP-ACK and CP-Error. They all are conveyed by an SDCCH, that is, no traffic channel is needed. Layer 3 may pass the whole SMS (more than 140 byte) to layer 2.  This stream of date is to be segmented by layer 2 in blocks of 23 byte. 
Please have a look to the sample SMS-Trace  . It may be of interest that user data are coded in a 7 bit alphabet. There fore  160 characters take (160x7)/8=140 byte. In the shown trace  the decoding of the user data (4 character:-))  is demonstrated.  Using the RR-filter of GSM-View gives the decoded traced more clearness.
 
If you like to have a closer look to the GSM-Dm-Channels interpreted by traces captured on the air interface, you can order the book "About the GSM-Dm-Channels" offered by the EPV-Publisher. The book contains a CD with Raw-traces translatable with the tool GSMView, examples, raw-traces and scripts how to translate them. On the CD you find also Power Point-sheets with exercises executed with mobiles usual in the trade or preserved traces, etc..
 
 
5. About GPRS

5.1 Basics
 
The General Packet Radio Service (GPRS) represents the possibility to convey data packets over radio channels organized by  GSM.
To enable this feature the GSM network had to be extended as shown in the following picture.

 

To convey packet data over the air interface additional to the 26-Multiframe and the 51-Multiframe (in GSM used to transfer traffic and signalling data), in GPRS a 52-Multiframe is added to build the Packet Data CHannels PDCH.
In spite of the fact that GPRS knows a similar number of logical channels as GSM, not all of the possible PDCH's  are mandatory present. As you can see in the following traces for instance the Broadcast and Control Channels of GSM are used. The only used GPRS typical  channels are the Packet Data Traffic Channel PDTCH and the Packet Associated Control CHannel PACCH.
 

5.2 GPRS-ATTACH
 
In Circuit Switched Technology of GSM, the mobile,  if switched on by the user, acts as follows:

It reads the SYSTEM INFORMATIONS sent by the Broadcast Control CHannel  of its Cell, finds  in the message SYSTEM INFORMATION TYPE 1  the frequencies of Broadcast- and Traffic Channel, finds in the message SYSTEM INFORMATION TYPE 2  the beacon frequencies of the neighbor cells.  In  SYSTEM INFORMATION TYPE 3/4 it reads about the location it resides in and some other features. With the gained Information the mobile can pre tune its components.

Now the mobile has to request a Channel to send a LOCATION UPDATE REQUEST and after some negotiations it waits for, either a PAGING REQUEST from the network calling its (IMSI) TMSI, or the user of the mobile sets up a call.
In both cases the mobile gets in an IMMEDIATE ASSIGN  message a Slow Dedicated Control Channel and the time slot, building the channel to convey all the necessary control data information between  the peers of the now active communication line.

In packet switched technology of GPRS, relating to LOCATION UPDATING REQUEST, the mobile acts like in case of GSM:

After the LOCATION UPDATING REQUEST the mobile looks for the presence of a SYSTEM INFORMATION TYPE 13 message on the BCCH.
If it finds one, it reads some important values relating to GPRS Mobile Allocation, GPRS Cell Options, GPRS Power Control Parameter and so on.
Now the mobile initiates an ATTACH REQUEST. After that, the network starts  an AUTHENTICATION REQUEST followed by an  IDENTITY REQUEST. ;; If the negotiation is successful the network sends an ATTACH ACCEPT. The answer of the Mobile is ATTACH COMPLETE.
 
In the Trace GPRS-ATTACH you can find the whole procedure beginning with the LOCATION UPDATING REQUEST in frame number 23, followed by a channel request and an ATTACH REQUEST. The trace was captured using an OT 290.
 
Pleas pay attention that there are two sequences of commands following one after another. First there is the Location Updating procedure, only a simple SDCCH is necessary to do so. After the radio channel was released a new IMMEDIATE ASSIGNMENT follows, which now dedicates a temporary block flow. The communication between mobile and network takes place now by conveying data blocks, not to be seen in the trace.
 
The network now starts an AUTHENTICATION REQUEST followed by an IDENTITY REQUEST. After this communication was successful the network sends an ATTACH ACCEPT and the mobile answers with ATTACH COMPLETE.
 
You have to keep in mind, that all messages sent in GPRS are send in packed mode. That is, the message ATTACH REQUEST is packed up in a LLC frame before conveying it over the radio channel.
 

5.3 SM ACTIVATE PDP CONTEXT REQ
 
After the mobile is registered by the network (ATTACH ACCEPT), it is possible to order an IP-number ( a PDP context ) from the network. If the IP-number ist granted, the mobile acts as a terminal (always on) in the world wide Internet.
 
To request a context the mobile has to  send a ACTIVATE PDP CONTEXT REQUEST message. Amongst other parameters this message contains :
- The Packet data protocol type (e.g. IPv4),
- the Access Point Name (to identify the GGSN of the operator),
- the Quality of Service (QoS) profile ( e.g. Priority, Delay Class, Mean and Peak Troughput rate and Reliability Class) and so on.
 
The network should answer the request using the message ACTIVATE PDP CONTEXT ACCEPT. The latter contains the granted QoS parameter and the IP-number.
You can see this handling in the trace PDP_Context_Request.
 

5.4 ALLWAYS ON
 

After the PDP context exists, the GPRS-connection is usable like a LAN-connection. If you are familiar with the rules an commands of TCP/IP you may verify this by means of the following example, when a PING-command is issued on the computer the mobile is connected with.
In frame number 4 you find a PING-command embedded in a LLC-frame.
In frame number 5 The mobile sends a CHANNEL REQUEST "One phase packet access with request for single time slot up link transmission; one PDCH is needed".
In frame number 27 a Temporary Block Flow (TBF) is assigned. Now it is possible to send the LLC-frame to the network.
The LLC-frame is split into 5 blocks for transmission over the air-interface.
In frame number 27 retransmission is requested as the TBF is incomplete. Only the first transmitted block was intact.
In frame number 28 retransmission is requested as the TBF is incomplete. Only four transmitted blocks were intact.
In frame number 34 a receipt is given that all 5 blocks are transmitted without any trouble.
 
In frame number 30 a down link channel is assigned.
In frame number 31 this assignment is accepted by the mobile.
In frame number 32 the network sends the answer to the ping.
 
Please follow the trace and interpret it by your self.
 
 

6. UMTS TRACES

6.1 BASICS
 
You must be a little familiar with Walsh Functions to understand the basic mode of operation in UMTS.
The frequency band for Frequency Division Duplex in UMTS covers uplink 1,92..1,98 GHz and downlink 2,11..2,17 GHz. This frequency band is divided into 6 blocks of an bandwidth of 9.9 MHz. Every block belongs (in Germany) to one operator. The working frequency in this block is modulated with an impulse rate of 3,84 million chips per second (Mcps). To have a difference to the desired signal which is measured in bits, the impulses with which the carrier frequency is modulated are measured in chips.
 
 

 
 
As we like to modulate this carrier with more than one channel we use the law of a Walsh-tree. Please have a look at the tree beneath. Channelization means to applicate the different orthogonal codes given by the branches of the tree (and their OSF) for the different data streams. Every data stream has a frequency of 3,84 Mcps. But the greater the Spreading Factor the greater the number of chips building a data symbol (bit), the smaller the frequency of the modulated signal.
 
 
 
 
Lets have an example. The branch of spreading factor 8 (SF8) represents a theoretical data rate of 480 Kbit/sec. As there is some overhead, we get a real transmission rate of 384 Kbit/sec.
You can see in the picture above, that the thick red code line C_ch,8,2 is related to its father, its sons, grand sons and so on. All these codes cannot be used if C_ch,8,2 is active.
 
 
 
 
There are some reasons why the codes, build using the Walsh-functions, are to be modulated once more with a pseudo noise sequence of 3,84 Mcps.
 
 
 
 
With the greater bandwidth it is possible to change much more information between Mobile and NodeB and you will see beneath that the traces will be harder to read.
 
 

6.1 The structure of the network
 

As you can see from the following picture the GSM/GPRS network and the UMTS network are brought together in the "Mobile Core Network". If you are subscriber of GSM/GPRS and at the end of the period of validity of the agreement with your operator you wish to change to UMTS, you get an UMTS-mobile to a lower price and you can retain your SIM-card (with your phon number). Your new rights are only updated in the HLR (which use GSM/GPRS and UMTS together).
That is, no special USIM is needed as it is written in some books. With the same mobile you may communicate in the UMTS-network, or, if not available in the GSM/GPRS-network.
 
 

 
 
The NodeB in the Radio Network Subsystem plays the role of the BTS in Base Station Subsystem and the RNC (with much more functions) plays the role of BSC. The Iur interface of the RNC serves the connection between neighboring RNC and allows Soft-Handover.
 
As mentioned above, the from GSM known Call Control messages, Supplementary Services, SMS, Mobility Management services are further more in use in UMTS. The same as the Mobility Management messages for GPRS services and the Session Management messages of GPRS. They all are called to reside in the Non-access stratum. The term Stratum had been chosen, as the term Layer is already in use. Please have a look to the next picture.
 
 
 
 
The modulation principle in GSM allows only to build messages of 23 octet length. In contrast to GSM, UMTS allows (as mentioned above) to build channels with a higher data rate and messages of a length of more than 100 octet. You can verify this in the traces shown in the next paragraphs.
 
 

6.3 Coding and decoding RRC-Messages

While in ISDN, GSM and GPRS only some messages are coded in ASN.1, without exception in UMTS the RRC-Messages are coded in "Packet ASN.1 (PER:ITU-T Recommendation X.691)".
If you are some familiar with ASN.1 you can decode the RRC-Messages as defined in ETSI TS 125331. Beginning this task you will soon brood over the problem how to handle the optional Information Elements, or how to deal with the range of a given variable. The solution of this problem is quite easy (you must only know it:-). You can find the How To in the library demo of inacon (http://www.inacon.com/library/demo/index.php). You will find there an example how to decode the message rrcConnectionRequest.
 
In the paragraphs 1..5 of these script I used to explain the rules of mobile communication, for teaching purposes, by explaining the traces captured from the air interface. To continue doing so it was necessary to think it over, where from can I get traces from the UMTS-air-interface. There were some possibilities:
- To take the traces from the Iub interface of the Node B captured by a Tektronix trace-tool. Result of reflection: Not possible, as to expensive and the not answered question, how should a teacher get access to the Radio Network System?
- To capture the trace with a Qualcomm-trace-mobile and decode with Friendly Viewer. Result of reflection: Capture traces on the air-Interface is possible but too expensive for teaching purposes.
- our solution: Mr. Sebastian Göller wrote, as already done for ISDN and GSM/GPRS, a translator for UMTS-Traces, given in hex-format, and I had to write the scripts to translate the traces ETS-conform, a hard work:-( . Please have a look to he following picture. You can see the filter to separate the different channels and the possibility to tune in "line numbers" in each message. The question is where from do we get raw traces to translate them as for example RRC CONNECTION REQUEST
 
 

 
 
- To capture the traces with a Motorola E1000? Not possible, as the company does not answer my request for selling me the interface to do so.
- I think the solution will be to wait for SAGEM untill they finish the development of their trace tool for UMTS and the possibility to export the traces in the well known manner.
Lets now go on to interpret the mode of operation of an UMTS-mobile by considering the messages on the air interface.
 
 

6.4 RRC Connection Establishment

In GSM/GPRS connection establishment is organized by Radio Resource (RR) messages. In UMTS this task is performed by Radio Resource Control (RRC) messages. While in GSM/GPRS only a Channel Request on the RACH is sent. In UMTS the Channel Request procedure is some what more sophisticated.
In UMTS (CDMA-systems) power control is a very important task. It is needed to minimize the interference in the system. A subscriber, sending with a too high power can block the whole system. There fore a subscriber who wants to start a connection, that means wants to get a channel, has to act in the way as shown in the following picture.
 
 

 
 
The contents of the message RRC-CONNECTION REQUEST is shown in the following trace. At the beginning of the trace you find some switches. As explained in paragraph 6.2, they are due to the Information Elements in the message which are optional.
Answering the RRC CONNECTION REQUEST message the network returns the message RRC CONNECTION SETUP. To read the contents of this message requires some knowledge about channels in UMTS and the role of Radio Bearers. It is not intended to teach about this here. To have an overview, you can look for the sections
----> User equipment IEs, which consist the PLMN-identity and some other reference numbers.
----> Radio bearer IES, there are four radio bearers which are generated. One of them uses the Unacknowledged Mode, three of them are using Acknowledged Mode. All together build a DL-DCH transport channel and a logical DCCH.
----> Transport channel IEs, which describe the Uplink-DCH and the Downlink-DCH, with the Transport-Channel-Identity, the Physical Channel Type, the Time Transmission Interval, the Convolutional Coding Type etc.
----> Physical channel IEs, which consist among other things the Scrambling Codes and the Spreading Factor.
 
After the mobile got the message rrcConncetionSetup it tunes its components corresponding to the values handed over and answers by RRC CONNECTION SETUP COMPLETE. Now the mobile has to announce to the network.(Please have a look to the following picture "Loaction Update in Circuit Switched Mode")
 
 
 
  This is done by the message, well known from the GSM/GPRS, LOCATION UPDATING REQUEST. Please notice a special feature, the message LOCATION UPDATING REQUEST is not transmitted direct to the Node B , but is packet up into the message INITIAL DIRECT TRANSFER. By this message it is sent as NAS-message on the Uplink dedicated physical channel UL_DPCH to the network.
Please keep in mind: All NAS-Messages are transported in Uplink-,Downlink-, or Direct-transfer messages over the air interface.

 
  6.5 A telephone call in UMTS

As the principle of packaging the NAS-Messages into the messages INITIAL-,UPLINK-, or DOWLINK-DIRECT TRANSFER is generally valid in UMTS, you will find in the UMTS Trace of a telephone call without the from GSM known messages only a few UMTS-typical.
 
 

 
 In the shown graphic only the the messages SECURITY MODE COMMAND and RADIO BEARER SETUP are UMTS-typical.

Last update on 13.01.06. Will be continued :-)