Dedektion Aktiver Links auf der UM- Schnittstelle

Marian UlbrichtDer eingeklammerte

Text ist gr ¨un1. Einleitung

Der folgende Artikel beschaftigt sich mit der Erken-nung aktiver Verbindungen auf der UM-Schnittstelle1 ei-nes GSM 900 Mobilfunksystems mit GMSK. Dabei sollmoglichst auf die Informationen aus den hoheren Kom-munikationsschichten verzichtet werden und die Detekti-on auf Layer1 durchgefuhrt werden. Eine denkbare An-wendung der hier vorgestellte Methode ware die Uberwa-chung etwaiger Nutzungsverbote fur Mobiltelefone, seies auf der Autobahn, im Krankenhaus oder im Horsaal.Dieser Artikel beschaftigt sich nur mit der Aufspuhrungsolcher Verbindungen, nicht aber mit einer Zuordnungzu einem speziellen Teilnehmer.

2. Idee

Um die Signale der Luftschnittstelle auswerten zukonnen mussen zunachst, ahnlich wie beim Einschaltsze-nario eines Mobilgerates, die Broadcast Control Channel(BCCH)-Tragerfrequenzen, der vorhanden Zellen ausfin-dig gemacht werden. Damit ist eine Unterteilung der ge-nutzen Frequenz bezuglich ihrer Funkzellen moglich.

Die eigentliche Erkennung aktiver Verbindungen kannmit Hilfe von Normalbursts2 erfolgen. Da Normalburstsvorrangig wahrend der Nutzdatenubertragung eingesetztwerden, lasst sich uber die Menge der gesendeten Nor-malbursts in einer bestimmten Zeit eine Verkehrsverbin-dung erkennen. Um die empfangenen Bursts einem Mo-bilgerat zuzuordnen mussen weitere Informationen derlogische Kanale auf der BCCH-Tragerfrequenz ausgewer-tet werden.

3. Beleg

A. Normalbursts

Normalbursts lassen sich an ihrem charakteristischenAufbau (Bild 1) und an denen in ihnen enthaltenen Trai-ningssequenzen leicht in einem Zeitsignal erkennen.

Bild 1. Aufbau eines Normalbursts [1, S 84]

Fur die Belegung der Trainingssequenzbits [2, S 19] inAbhangigkeit vom Training Sequence Code (TSC) ste-hen die Kombinationen in den Tabellen 1 und 2 zurVerfugung.

1Luftschnittstelle2Eine in Layer1 benutzte Bitfolgen die je nach Aufbau einen

bestimmten Zweck erfullt

TSC Trainingssequenz Hexwert

0 0,0,1,0,0,1,0,1,1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,1,0,1,1,1 0970897

1 0,0,1,0,1,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,0,0,1,0,1,1,0,1,1,1 0B778B7

2 0,1,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,0,1,0,0,1,0,0,0,0,1,1,1,0 10EE90E

3 0,1,0,0,0,1,1,1,1,0,1,1,0,1,0,0,0,1,0,0,0,1,1,1,1,0 11ED11E

4 0,0,0,1,1,0,1,0,1,1,1,0,0,1,0,0,0,0,0,1,1,0,1,0,1,1 06B906B

5 0,1,0,0,1,1,1,0,1,0,1,1,0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,1,0,1,0 13AC13A

6 1,0,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,1,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,1,1 29F629F

7 1,1,1,0,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,0 3BC4BBC

Tabelle 1. Trainingssequenzset 1 [2]

TSC Trainingssequenz Hexwert

0 0,1,1,0,0,0,1,0,0,0,1,0,0,1,0,0,1,1,1,1,0,1,0,1,1,1 18893D7

1 0,1,0,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,0,1,1,1,0,1,1,1,0,0,0,0,1 17A6EE1

2 0,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,0,1,1,0,0 1058EEC

3 0,0,1,0,1,1,0,1,1,1,0,1,1,1,0,0,1,1,1,1,0,1,0,0,0,0 0B773D0

4 0,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0 1D3D3BE

5 0,1,0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,1,0,0,1,1 104D4F3

6 0,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,1,0,0,0,0,1,1,0,1,1,1,0,1,0,1 0434375

7 0,1,0,0,0,1,0,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,1 1173F29

Tabelle 2. Trainingssequenzset 2 [2]

Normalbursts werden verwendet um die Daten folgen-der Logischer Kanale in Richtung Basisstation zu ubert-ragen [2, S 59]:

• Traffic Channel (TCH)(3,6-10 kbit/s)

• Fast Associated Control Channel (FACCH)(4,6-9,2 kbit/s)

• Slow Associated Control Channel (SACCH)(0,3834 kbit/s)

• Stand-alone Dedicated Control Channel (SDCCH)(0,782 kbit/s)

• Packet Data Traffic Channel (PDTCH)

FACCH und SACCH sind immer an einen bestehendenVerkehrskanal gekoppelt, einzig der SDCCH tritt oh-ne aktive Datenverbindung auf. Demnach ist das Vor-handensein von Normalbursts kein eineindeutiger Hin-weis auf eine aktive Verbindung. Vergleicht man je-doch die Ubertragungsgeschwindigkeiten der einzelnenKanale, fallt auf, dass die Signalisierungskanale FACCH,SACCH und SDCCH im Gegensatz zum TCH eine sehrgeringe Datenrate aufweisen. Somit kann die Unterschei-dung zwischen Verkehrsdaten und Signalisierungsdatenuber die Datenrate, in der Bitebene also uber die An-zahl der detektierten Normalbursts pro Zeiteinheit fest-gestellt werden.

1

B. Modulation und Kanalkodierung

Die Modulation mit GMSK wird in [3] naher beschrie-ben. Die Kanalcodierung bei GSM besteht aus Block-codierung, Faltungscodierung und Interleaving, die fol-genden Betrachtungen sollen nur fur den SyncronisationChannel (SCH) durchgefuhrt werden, da dieser fur dieZuordnung der Normalbursts eine wichtige Rolle spielt.An die 25 Bits eines SCH-Blocks werden zunachst 10 Pa-ritatsbits sowie 4 Fullbits angehangt. [1, Seite 127] DasGeneratorpolynom fur die Blockcodierung lautet in demFalle:

GSCH(x) = x10 + x

8 + x6 + x

5 + x4 + x

2 + 1

Aufbauend auf die Blockcodierung wird nun ein Fal-tungscodierer mit einer Coderate von r=0.5 eingesetztum Moglichkeiten der Fehlerkorrektur zu schaffen. Diefur den SCH verwendeten Generatorpolynome lauten:

G0(d) = 1 + d3 + d

4

undG1(d) = 1 + d+ d

3 + d4

Interleaving wird im SCH nicht eingesetzt, somit ergebensich nach der Blockcodierung 25+10+4 = 39 Datenbitsund nach dem Faltungscodierer zwei mal 39 Datenbits,welche in den beiden Datenblocken eines Syncronisati-onsbursts Platz finden.

C. Erkennung der BCCH Tragerfrequenzen

Der BCCH- Trager jeder Zelle, lasst sich durch sein cha-rakteristisches Frequenzspektrum(Bild 2) erkennen. Dasentscheidende Merkmal dieses Spektrums wird durch dieFrequency correction Burst des Frequency CorrectionChannel (FCCH) verursacht, auf welch im folgenden nochnaher eingegangen wird.

Bild 2. Typisches Spektrum eines BCCH Tragers [1]

D. Kanalzuordnung

Da nun die Existenz von Verkehrsverbindungen inner-halb einer Zelle erkannt werden kann, soll nun ver-sucht werden die empfangenen Normalbursts einzel-nen, an Mobilgerate gebundenen, Kanalen zuzuordnen.

Ein großes Problem bei dieser Zuordnung ist mogli-cherweise das, auf den Frequenzen einer Zelle außerder BCCH-Tragerfrequenz, verwendete Frequenzsprung-verfahren (Bild 3).

Bild 3. Schema Frequenzhopping [1]

Fur die Beschreibung einer Frequenzsprungfolge sindfolgende Informationen notwendig [2, S 30]:

• Cell Allocation (CA)3

• Frame Number (FN)4

• Mobile Allocation (MA)5

• Mobile Allocation Index Offset (MAIO)

• Hopping Sequence Number (HSN)

Auf dem Zeitschlitz 0 des BCCH Tragers wirdjeweils der FCCH gefolgt vom SCH ausgesendet.Die fur die Ubertragung des FCCH benutzten Fre-quency Correction Bursts sind an ihrer langenFolge Nullen zu erkennen welche bedingt durchdie Modulationsart, GMSK, das reine Tragersi-gnal erzeugen [1, S 83]. Die Syncronisation Burstsenthalten neben einer ausgedehnten Trainingssequenz(1,0,1,1,1,0,0,1,0,1,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,0,0,1,0,1,1,0,1,0,1,0,0,0,1,0,1,0,1,1,1,0,1,1,0,0,0,0,1,1,0,1,1) [2, S 27] auch 2 mal 39 Datenbits [4, S 189] welchedie Reduzierte Frame Nummer (RFN)6 und den BaseStation Identity Code (BSIC) welcher seinerseits denBasestation Color Code (BCC)7 beinhaltet. Mithilfedieser Informationen ist es nun im Weiteren moglich,diverse Layer 3 Nachrichten (Systeminformation 1),welche auf dem BCCH gesendet werden, zu empfangenund die CA zu erhalten. Die CA kann jedoch auchermittelt werden indem, alle Kanale betrachtet werden,die zwischen den BCCH-Tragern zweier Zellen liegen.

3Menge der Kanale die zu einer Zelle gehoren4Fortlaufende TDMA-Rahmennummer5Menge der Kanale die fur das Frequenzhopping genutzt werden6Bestehende aus den drei Zahlen T1, T2 und T37Entspricht auf dem BCCH dem TSC

2

Die Parameter MA, MAIO und HSN werden einer Mobil-station bei der Zuweisung eines Kanals mitgeteilt. [2, S30] Das Frequenzsprungverfahren lauft nun nach demAlgorithmus in Bild 4 ab.

Bild 4. Generierung der Frequenzsprungfolge [1]

Besitzt die HSN den Wert 0, wird zyklisches Frequenz-hopping durchgefuhrt, der Index des genutzten Kanals,wird also nach jedem Burst dekrementiert und nachder Nutzung des großten in der MA bestimmten Ka-nals wieder zuruckgesetzt. Nimmt die HSN einen ande-ren Wert an, wird der Folgekanal aus der HSN, der aktu-ellen TDMA- Framenummer bestehend aus T1,T2 undT3, sowie mithilfe einer Zuordnungstabelle(RNTABLE) [2, S 32] berechnet.Enthalt die MA nur einen Kanal und ist der MAIO=0,

wird kein Frequenzhopping verwendet [2, S 32]. Ohne ei-ne Immediate Assignment Nachricht8 auf dem CommonControl Channel (CCCH) abzufangen, die der Mobilsta-tion einen Kanal zuweist, ist eine Zuordnung der Nor-malbusts also nur schwer moglich, da sich noch nichteinmal erkennen lasst ob Frequenzhopping verwendetwird oder nicht. Ein Erhalt des MAIO ist daher nichtmoglich. Kann anderweitig festgestellt werden, dass dieBasisstation kein Frequenzhopping einsetzt, z.B. durchProtokollmitschnitte, gehort jeder 8. empfangene Burstauf einem Kanal zu jeweils einer Mobilstation. So kannzumindest festgestellt wieviele Verkehrsverbindungen inder Zelle bestehen.

4. Zusammenfassung

Aktvive Links konnen auf der Luftschnittstelle erkanntwerden, die Zuordnung einzelnen Mobilstationen wirdjedoch durch das Frequenzhopping erschwert. Mit ent-sprechend ausgerichteten Antennen sollte sich jedoch dieaktive Mobilstation eingrenzen lassen.

8Enthalt u.a. TSC, HSN und die Zeitschlitznummer

Literatur

[1]. EBERSPACHER, Jorg und VOGEL, Hans-Jorg ,GSMGlobal System for Mobile Communication, 1997, S.71-143.

[2]. 3GPP TS 45.002 V9.1.0 (2009-09).

[3]. 3GPP TS 45.004 V8.0.0 (2008-12).

[4]. 3GPP TS 44.018 V9.2.0 (2009-09).

Abkurzungsverzeichniss

BCCH Broadcast Control Channel

TSC Training Sequence Code

TCH Traffic Channel

FACCH Fast Associated ControlChannel

SACCH Slow Associated ControlChannel

SDCCH Stand-alone Dedicated ControlChannel

PDTCH Packet Data Traffic Channel

SCH Syncronisation Channel

CA Cell Allocation

FN Frame Number

MA Mobile Allocation

MAIO Mobile Allocation Index Offset

HSN Hopping Sequence Number

FCCH Frequency Correction Channel

RFN Reduzierte Frame Nummer

BSIC Base Station Identity Code

CCCH Common Control Channel

BCC Basestation Color Code

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