Mobilkommunikation Kapitel 4: Drahtlose

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Mobilkommunikation
Kapitel 4: Drahtlose
Telekommunikationssysteme
Märkte
GSM
Überblick
Dienste
Subsysteme
Komponenten
DECT
TETRA
UMTS/IMT-2000
Prof. Dr.-Ing. Jochen Schiller, http://www.jochenschiller.de/
MC SS05
4.1
Weltweite Mobilfunk-Teilnehmerzahlen
ca. 1,7 Mrd.
1600
1400
Teilnehmer (Millionen)
1200
GSM gesamt
1000
TDMA gesamt
CDMA gesamt
PDC gesamt
800
Analog gesamt
W-CDMA
600
Summe
Vorhersage (1998)
400
200
Jahr
0
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
MC SS05
2003
2004
4.2
CT0/1
AMPS
NMT
CT2
IS-136
TDMA
D-AMPS
GSM
PDC
TDMA
FDMA
Entwicklung mobiler Telekommunikationssysteme
IMT-FT
DECT
EDGE
GPRS
IMT-SC
IS-136HS
UWC-136
IMT-DS
UTRA FDD / W-CDMA
HSDPA
IMT-TC
CDMA
UTRA TDD / TD-CDMA
IMT-TC
TD-SCDMA
1G
IS-95
cdmaOne
cdma2000 1X
2G
2.5G
IMT-MC
cdma2000 1X EV-DO
1X EV-DV
(3X)
3G
MC SS05
4.3
Und wie funktioniert’s?
Wie wird ein Teilnehmer überhaupt gefunden?
Warum klingeln nicht alle Handys gleichzeitig?
Was passiert, wenn 2 gleichzeitig telefonieren?
Warum bekomme ich nicht die Rechnung des
Nachbarn?
Warum kann eine Australierin in Berlin telefonieren?
Warum höre ich nicht die Gespräche von
nebenan?
Wie sicher ist das Mobilfunksystem?
Aus was besteht eigentlich ein
Mobilfunknetz?
MC SS05
4.4
GSM: Überblick
GSM:
früher: Groupe Spéciale Mobile (1982 gegründet)
heute: Global System for Mobile Communication
europäischer Standard - Standardisierung durch ETSI
(European Telecommunications Standardisation Institute)
gleichlaufende Einführung eines Mindeststandards (essential
Services) in drei Phasen (1991, 1994, 1996) durch die
europäischen Fernmeldeorganisationen
(in Deutschland: D1 und D2)
europaweites Roaming (freizügiges Bewegen) möglich
mittlerweile Übernahme durch über 200 Drittländer (z.B. in Asien,
Afrika, Amerika)
über 1,2 Milliarden Teilnehmer in über 630 Netzen
über 10 Milliarden SMS/Monat in Deutschland, > 550 Milliarden
weltweit (über 10% der Umsätze von Netzbetreibern)
75% aller digitalen Mobiltelefone, 74% insgesamt!
MC SS05
4.5
Leistungsmerkmale des GSM-Systems
Auswahl der wichtigsten technischen Aspekte (im Vergleich zur
Analogtechnik):
Kommunikation: Mobile Kommunikationsmöglichkeit über einen
Funkweg; Unterstützung für Sprach- und Datendienste.
Totale Mobilität: Internationaler Zugriff; über Chipkarte Nutzung
anderer Mobilfunkstationen möglich.
Erreichbarkeit: Grenzübergreifend unter der gleichen Rufnummer
erreichbar; das Netz übernimmt die Lokalisierungs-Aufgaben.
Hohe Kapazität: Bessere Frequenzausnutzung und kleinere
Funkzellen können wesentlich mehr Teilnehmer versorgen.
Übertragungsqualität: Hohe Qualität und Zuverlässigkeit erlauben
drahtlos, kontinuierlich, störungsfrei und in Bewegung Telefonate
zu führen.
Sicherheitsmaßnahmen: Zugangskontrolle durch Einsatz von
Chipkarte und PIN.
MC SS05
4.6
Nachteile des GSM-Systems
Es gibt kein perfektes System!
keine End-to-End Chiffrierung der Nutzkanäle
Netzzugriff nur über „reduzierten“ B-Kanal: keine Verlängerung
des transparenten 64 kbit/s Trägerdienstes von ISDN
eventuelle Beeinträchtigung der Konzentration beim Autofahren
elektromagnetische Verträglichkeit
Missbrauch persönlicher Daten nicht ganz ausgeschlossen
Möglichkeiten der gezielten Kontrolle und Überwachung
hohe Komplexität des Systems
Kompatibilitätsprobleme innerhalb des GSM-Standards
MC SS05
4.7
GSM: Dienste (Mobile Services)
GSM-System bietet:
Verschiedene Verbindungstypen
Sprechverbindungen, Datenverbindungen und Kurznachrichten
Multiservice-Optionen (Kombination von Basisdiensten)
Einteilung der Dienste in drei Bereiche:
Trägerdienste (Bearer Services)
Teleservices (Telematic Services)
Zusatzdienste (Supplementary Services)
Trägerdienste
MS
Um
TE
MT
R
S
GSM-PLMN
TransitNetzwerk
(PSTN)
Ursprungs-/
Zielnetzwerk
z.B. GSM
TE
R
S
Teledienste
MC SS05
4.8
Trägerdienste (Bearer Services)
Telekommunikationsdienste, die Daten zwischen BenutzerNetz-Schnittstellen (Access Points) übertragen.
Spezifikation der Dienste bis zur Endgeräte-Schnittstelle
(entsprechend OSI Schichten 1-3).
Für Datendienste werden andere Übertragungsraten als für
Sprache verwendet (ursprünglicher Standard)
Datendienste (leitungsvermittelt)
synchron: 2,4, 4,8 oder 9,6 kbit/s
asynchron: zwischen 300 und 1200 Bit/s
Datendienste (paketvermittelt)
synchron: 2,4, 4,8 oder 9,6 kbit/s (über PAD)
asynchron: zwischen 300 und 9600 Bit/s
Heute: Datenraten von ca. 50 kbit/s sind verfügbar – wird weiter
hinten behandelt!
MC SS05
4.9
Teleservices (Telematic Services) I
Telekommunikationsdienste, die im Mobilfunk den Benutzern
die Möglichkeit bieten, über Telefon-Endgeräte miteinander zu
kommunizieren.
Alle Basisdienste müssen Aspekte wie zellulare Operationen,
Sicherheitsmaßnahmen usw. berücksichtigen.
Angebotene Dienste:
Mobilfunk-Telefonie
Das ganze GSM-Konzept wurde vorrangig auf das mobile
Telefonieren ausgelegt. Gespräche werden mit 3,1 kHz Bandbreite
übertragen.
Notruf
Europaweite Notfallnummer (112); Service für alle Mobilfunknetzbetreiber obligatorisch; kostenlos bereitgestellt; Verbindung mit
höchster Priorität (Verdrängung niederpriorer möglich).
Multinumbering
mehrere ISDN Telefonnummern pro Teilnehmer.
MC SS05
4.10
Teleservices (Telematic Services) II
Weitere Dienste:
Non-Voice-Teleservices
Facsimile: Fernkopieren (Fax-Gruppe 3)
Telefax: Fernkopieren alternierend mit Sprachübertragung
Videotex: Datenbankzugriff unter Verwendung eines Videotex-Terminals
Teletex: Korrespondenzen nach CCITT F.200 zwischen zwei Terminals
Sprachspeicherdienst (Voice Mailbox): über Festnetz realisiert
Elektronische Post (MHS, Message Handling System): über Festnetz
realisiert
Kurznachrichtendienst (SMS):
Alphanumerische Nachrichtenübertragung von oder zur Mobilstation (160
Zeichen).
Für die Übertragung werden nur die Signalisierungskanäle benutzt.
Dies erlaubt die simultane Nutzung der Basisdienste und des SMS.
(Am Anfang wurde dieser Dienst beinahe ignoriert und war sogar
kostenlos – heute ist dies eine der wichtigsten Zusatzfunktionen!)
MC SS05
4.11
Zusatzdienste (Supplementary Services)
Bilden weitere Dienstmerkmale und sind Ergänzungen der
Basisdienste, die nicht alleine angeboten werden können.
Entsprechen, bis auf die auf dem Funkweg geringeren
Übertragungsraten, denjenigen des ISDNs.
Können sich je nach Landesnetz und implementierter Protokollversion voneinander unterscheiden.
Wichtige Dienste:
Identifikation: Rufnummer des anderen Teilnehmers
Identifikationsunterdrückung
Automatischer Rückruf
Anklopfen
Konferenzverbindung: Gesprächsrunde mit bis zu 7 Teilnehmern
Sperren: Sowohl abgehende wie ankommende Gespräche
MC SS05
4.12
Aufbau des GSM-Systems
Das GSM-System zählt zu den PLMNs (Public Land Mobile
Network). Es wird von verschiedenen Betreibern eingerichtet
und bereitgestellt.
Es besteht aus mehreren Komponenten:
MS (Mobilstation)
BS (Basisstation)
MSC (Mobilvermittlungseinrichtung)
LRs (Aufenthaltsregister)
Man unterscheidet mehrere Subsysteme:
RSS (Funk-Subsystem): Funktechnische Aspekte
NSS (Netzwerk-Subsystem): Vermittlungstechnische Vorgänge
OSS (Betriebs- und Wartungs-Subsystem)
MC SS05
4.13
Die Zutaten 1: Handys, PDAs & Co.
Der sichtbarste, aber
kleinste Teil des Netzes!
MC SS05
4.14
Die Zutaten 2: Antennen
Auch noch sichtbar – teilweise umstritten…
MC SS05
4.15
Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 1
Basisstationen
Leitungen
Mikrowellenverbindungen
MC SS05
4.16
Die Zutaten 3: Infrastrukturkomponenten 2
Nicht „sichtbar“, machen
jedoch den größten Teil
des Netzes aus (auch
im Hinblick auf
Investitionen…)
Verwaltung
Datenbanken
Vermittlungseinrichtungen
Überwachung
MC SS05
4.17
GSM: Überblick
OMC, EIR
AUC
HLR
NSS
mit OSS
VLR
MSC
GMSC
VLR
Festnetz
MSC
BSC
BSC
RSS
MC SS05
4.18
GSM: Netzelemente und Schnittstellen
Funkzelle
MS
BSS
MS
Um
Funkzelle
MS
BTS
RSS
BTS
Abis
BSC
BSC
A
MSC
NSS
MSC
VLR
VLR
HLR
GMSC
IWF
Signalisierung
ISDN, PSTN
PDN
O
OSS
EIR
AUC
OMC
MC SS05
4.19
GSM: Systemarchitektur im Überblick
FunkSubsystem
MS
NetzwerkSubsystem
Feste
Partnernetze
MS
ISDN
PSTN
MSC
Um
BTS
Abis
BSC
EIR
ZZK-7
BTS
HLR
VLR
BTS
BSC
BTS
BSS
A
ISDN
PSTN
MSC
IWF
PSPDN
CSPDN
MC SS05
4.20
Systemarchitektur: Funk-Subsystem
FunkSubsystem
MS
NetzwerkSubsystem
Komponenten:
MS (Mobile Station)
BSS (Base Station Subsystem):
Funkfeststation
MS
Um
BTS
BTS (Base Transceiver Station):
Sende-/Empfangsstation
BSC (Base Station Controller):
Zentrale Steuereinrichtung
Abis
BTS
BSC
MSC
Schnittstellen:
A
BTS
BTS
BSC
MSC
Um : Funkschnittstelle
Abis : offen standardisierte Schnittstelle mit
16 kbit/s Submultiplex-Nutzkanälen
A: offen standardisierte Schnittstelle mit
64 kbit/s Nutzkanälen (Transkodierung)
BSS
MC SS05
4.21
Systemarchitektur: Netzwerk-Subsystem
NetzwerkSubsystem
Feste
Partnernetze
ISDN
PSTN
MSC
MSC (Mobile Switching Center):
Mobilvermittlungseinrichtung
IWF (Interworking Functions)
ISDN (Integrated Services Digital Network)
PSTN (Public Switched Telephone Network)
PSPDN (Packet Switched Public Data Net.)
CSPDN (Circuit Switched Public Data Net.)
EIR
ZZK-7
Komponenten:
HLR
Datenbanken:
VLR
MSC
IWF
ISDN
PSTN
PSPDN
CSPDN
HLR (Home Location Register):
Heimatregister
VLR (Visited Location Register):
Aufenthaltsregister
EIR (Equipment Identification Register):
Geräteidentifikationsregister
MC SS05
4.22
Funk-Subsystem
Das Radio Subsystem (RSS) ist das flächendeckende zellulare
Netz bis zu den Vermittlungsstellen.
Das Funksystem beinhaltet mehrere Komponenten:
Base Station Subsystem (BSS):
Base Transceiver Station (BTS): Funktechnische Einrichtung,
einschließlich Sende-/Empfangsantennen, für Kommunikation auf den
Funk-Kanälen. Ein BTS kann eine oder, falls Richtantennen installiert
werden, auch mehrere Funkzellen versorgen.
Base Station Controller (BSC): Die Basisstationssteuerung führt die
Vermittlung und steuert den Ablauf der Übertragungsprozesse der
BTSe. Sie ist für die Verwaltung der Netzressourcen zuständig. Hier
erfolgt die Abbildung der Funkkanäle der Um-Schnittstelle auf die
terrestrischen Kanäle der A-Schnittstelle.
BSS = BSC + Summe(BTS) + Übertragungssysteme
Die Mobilfunkstationen (MS) werden als bewegliche
Netzkomponenten gezählt.
MC SS05
4.23
GSM: Prinzip zellularer Netze
Aufteilung des Versorgungsgebietes in Zellen:
technisch möglicher
Funkversorgungsbereich
Zelle
1
Zelle
1
systemtechnische Einschränkung der
Zellengröße
Verwendung mehrerer Funkfrequenzen
keine gleichen Frequenzen in benachbarten Zellen
keine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsaufkommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. Schwarzwald)
hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig)
Zellwechsel des mobilen Teilnehmers
Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover
MC SS05
4.24
GSM-Frequenzbereiche
Typ
Kanäle
Aufwärtsrichtung
[MHz]
Abwärtsrichtung
[MHz]
GSM 850
(Amerika)
128-251
824-849
869-894
GSM 900
0-124, 955-1023
876-915
921-960
klassisch
erweitert
124 Kanäle
+49 Kanäle
890-915
880-915
935-960
925-960
GSM 1800
512-885
1710-1785
1805-1880
GSM 1900
(Amerika)
512-810
1850-1910
1930-1990
GSM-R
955-1024, 0-124
876-915
921-960
exklusiv
69 Kanäle
876-880
921-925
- Es gibt noch GSM 400 (auch GSM 450 bzw. GSM 480 genannt bei 450-458/460-468 bzw. 479-486/489-496 MHz
- Achtung: Frequenzbereiche sind meist länderspezifisch!
- Frequenzen nur Anhaltspunkte, Kanäle am Anfang/Ende eines Bandes meist nicht genutzt
MC SS05
4.25
Flächendeckung von GSM Funknetzen (www.gsmworld.com)
T-Mobile (GSM-900/1800) Deutschland
AT&T (GSM-850/1900) USA
O2 (GSM-1800) Deutschland
Vodacom (GSM-900) Südafrika
MC SS05
4.26
Base Transceiver Station und Base Station Controller
Die Aufgaben des BSS teilen sich BSC und BTS
BTS beinhaltet funktechnische Funktionen
BSC bildet die Funkkanal-Vermittlungseinrichtung
Funktionen
Management der Funkkanäle
Frequenzspringen (FH)
Management der terrestrischen Kanäle
Abbildung der Funk- und terrestrischen
Kanäle aufeinander
Kanalcodierung / -decodierung
Ratenanpassung
Chiffrierung / Dechiffrierung
Paging
Messungen
Uplink
Traffic
Mobility Management
Authentifizierung
Location Registration, Location UPdate
Handover-Verwaltung / Ausführung
BTS
X
X
X
X
X
BSC
X
X
X
X
X
X
X
MC SS05
X
X
X
X
4.27
Mobilstation
Einrichtung für die Benutzung von Diensten des GSM-Systems.
Eine MS besteht aus mehreren funktionellen Gruppen:
MT (Mobile Terminal):
Bietet Funktionen, die von allen Diensten gemeinsam genutzt werden
Entspricht dem NT des ISDN-Anschlusses
Endpunkt der Funkübertragung der Um-Schnittstelle
TA (Terminal Adapter):
Ist für die Endgeräteanpassung zuständig
TE (Terminal Equipment):
Peripheriegerät der MS, bietet Dienste an
Enthält keine GSM-spezifischen Funktionen
SIM (Subscriber Identity Module):
Personalisierung des Mobilfunkgerätes. Speichert individuelle
Teilnehmerdaten.
TE
TA
R
MT
S
MC SS05
Um
4.28
Netzwerk-Subsystem
Das NSS ist der Hauptbestandteil des öffentlichen mobilen
Funknetzes. Es übernimmt die vermittlungstechnischen
Aufgaben, einschließlich Mobility Management, sowie die
Systemkontrolle und kann andere Netze anbinden.
Komponenten des Mobilvermittlungsnetzes sind:
Mobile Services Switching Center (MSC)
Dient der Verbindungssteuerung über ein Koppelnetz vom und zum
mobilen Teilnehmer, der sich im Aufenthaltsbereich der MSC
befindet. An einem MSC können etliche BSCs angeschlossen sein.
Datenbank-Einrichtungen
Home Location Register (HLR)
Zentrale Master-Datenbank der Teilnehmerdaten. Beinhaltet
semipermanente und temporäre Daten aller Funkteilnehmer, die auf
Dauer einem HL-Bereich zugeordnet sind.
Visitor Location Register (VLR)
Lokale Datenbank für eine Teilmenge der Benutzerdaten, einschließlich
der Aufenthaltsortes der Teilnehmer.
MC SS05
4.29
Mobile Services Switching Center
Die Mobilvermittlungseinrichtung nimmt eine zentrale Stellung
im Mobilfunknetz ein:
Vermittlungsfunktion
Zusatzfunktionen zur Unterstützung der Teilnehmermobilität
Verwaltung der Netzressourcen
Anbindung an andere Netzwerke (Gateway-MSC; GMSC)
Integration verschiedener Datenbanken
Die wichtigsten Funktionen des MSC sind:
Ruf spezifische Funktionen in Zusammenhang mit der Mobilität.
Abschluss und Bearbeitung der Zeichengabe (ZZK7)
Management der Mobilfunk spezifischen Signalisierungsabläufe
Location Registration und Verarbeitung der Aufenthalts-Information
Bereitstellung neuer Dienstarten (Fax, Data Calls)
Unterstützung des Kurznachrichtendienstes (SMS)
Generierung und Weiterleitung der Vergebührungsdaten
MC SS05
4.30
Betriebs- und Wartungs-Subsystem
Das OSS (Operation Subsystem) ermöglicht ein zentralisiertes
Betreiben und die Instandhaltung der verschiedenen
Netzelemente des GSM-Systems.
Komponenten des Systems sind:
Authentication Center (AUC):
Erzeugt auf Anforderung vom VLR teilnehmerspezifische
Berechtigungsparameter
Die Authentizitätsdaten dienen der Sicherheit und Geheimhaltung der
Teilnehmerinformationen im GSM-System
Equipment Identity Register (EIR): Gerätedatenbank
Registriert die GSM-Mobilstationen und die zugehörigen
Nutzungsberechtigungen
Geräte, die nicht in Ordnung bzw. gestohlen sind, können gesperrt und
eventuell lokalisiert werden
Operation and Maintenance Center (OMC)
Für Funk und Festnetzbereich existieren unterschiedliche Kontroll- und
Bedienstellen
MC SS05
4.31
124 Kanäle mit je 200 kHz
Abwärtsrichtung
935-960 MHz
Fr
eq
ue
nz
be
re
ich
Zeit-Vielfachzugriff (TDMA)
890-915 MHz
124 Kanäle mit je 200 kHz
Aufwärtsrichtung
Höhere GSM-Rahmenstrukturen
Zeitbereich
GSM-TDMA-Rahmen
1
2
3
4
5
6
7
8
4,615 ms
GSM-Zeitschlitz
SchutzSchutzTail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail
zeit
zeit
3
57
1
26
1
57
3
bit
546,5 µs
577 µs
MC SS05
4.32
GSM-Rahmenhierarchie
hyperframe
0
1
2
2045 2046 2047 3 h 28 min 53,76 s
...
superframe
0
1
0
2
...
1
48
...
49
24
50
6,12 s
25
multiframe
0
1
...
0
1
24
2
120 ms
25
...
48
49
50
235,4 ms
frame
0
1
...
6
7
4,615 ms
slot
577 µs
burst
MC SS05
4.33
GSM Protokollschichten für die Signalisierung
Um
Abis
MS
A
BTS
BSC
MSC
CM
CM
MM
MM
BSSAP
RR
RR’
BTSM
RR’
BTSM
LAPDm
LAPDm
LAPD
LAPD
Funk
Funk
PCM
PCM
SS7
SS7
PCM
PCM
16/64 kbit/s
BSSAP
64 kbit/s /
2,048 Mbit/s
MC SS05
4.34
Mobile Terminated Call
1: Ruf eines GSM Teilnehmers
2: Weiterleitung zum GMSC
3: Verbindungsaufbaunachricht zum
HLR
4, 5: Anfrage der MSRN
rufende
vom VLR
Station 1
6: Weiterleitung des derzeitigen
MSC zum GMSC
7: Anrufweiterleitung zum
derzeitigen MSC
8, 9: Statusabfrage der MS
10, 11: Ruf der MS
12, 13: MS antwortet
14, 15: Sicherheitsüberprüfung
16, 17: Verbindungsaufbau
HLR
4
5
3 6
PSTN
2
GMSC
10
VLR
8 9
14 15
7
MSC
10 13
16
BSS
BSS
BSS
11
11
11
11 12
17
MS
MC SS05
10
4.35
Mobile Originated Call
1, 2: Verbindungsaufbauwunsch
3, 4: Sicherheitsüberprüfung
5-8: Resourcenüberprüfung
9-10: Verbindungsaufbau
VLR
3 4
6
PSTN
5
GMSC
7
MSC
8
2 9
MS
MC SS05
1
10
4.36
BSS
MTC/MOC
MS
MTC
BTS
MS
MOC
BTS
paging request
channel request
channel request
immediate assignment
immediate assignment
paging response
service request
authentication request
authentication request
authentication response
authentication response
ciphering command
ciphering command
ciphering complete
ciphering complete
setup
setup
call confirmed
call confirmed
assignment command
assignment command
assignment complete
assignment complete
alerting
alerting
connect
connect
connect acknowledge
connect acknowledge
data/speech exchange
data/speech exchange
MC SS05
4.37
4 Arten des Handover
1
MS
BTS
2
3
4
MS
MS
MS
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
BSC
MSC
MSC
MC SS05
4.38
Handover-Entscheidung
BTSalt
BTSneu
Empfangssignalstärke
HO_MARGIN
MS
Bewegung
BTSalt
MS
BTSneu
Umschaltpunkt
MC SS05
4.39
Handover-Prozedur
MS
BTSalt
Messbericht
MSC
BSCalt
BSCneu
BTSneu
Messbericht
HO-Entscheidung
HO required
HO request
Ressourcenreservierung
ch. activation
HO command
HO command
HO command
HO request ack ch. activation ack
HO access
Link establishment
clear command clear command
clear complete
HO complete
HO complete
clear complete
MC SS05
4.40
Sicherheit in GSM
Sicherheitsdienste
Zugangskontrolle / Authentifikation
Teilnehmer ⇔ SIM (Subscriber Identity Module): Geheimnummer PIN
SIM ⇔ Netzwerk: Challenge-Response-Verfahren
Vertraulichkeit
Sprache und Signalisierungsdaten werden nach erfolgreicher
Authentifikation verschlüsselt übertragen.
Anonymität
Temporäre Teilnehmerkennung TMSI
(Temporary Mobile Subscriber Identity)
Bei jedem Location Update (LUP) neu vergeben
Verschlüsselt übertragen
3 Algorithmen in GSM spezifiziert:
„geheim“:
• A3 und A8
inzwischen im
Internet verfügbar
• Betreiber können
auch stärkere
Verfahren
einsetzen
A3 zur Authentisierung („geheim“, Schnittstelle offengelegt)
A5 zur Verschlüsselung (standardisiert)
A8 zur Schlüsselberechnung („geheim“, Schnittstelle offengelegt)
MC SS05
4.41
Ablauf Authentisierung
SIM
Mobilfunknetz
Ki
im AC
(Access
Control)
RAND
128 bit
RAND
128 bit
RAND
Ki
128 bit
128 bit
A3
A3
auf SIM
SRES* 32 bit
im MSC
SRES* =? SRES
SRES
SRES
32 bit
Ki: individual subscriber authentication key
32 bit
SRES
SRES: signed response
MC SS05
4.42
Ablauf Schlüsselbestimmung/Verschlüsselung
MS mit SIM
Mobilfunknetz (BTS)
Ki
im AC
RAND
128 bit
RAND
128 bit
RAND
128 bit
A8
cipher
key
in BTS
Ki
128 bit
auf SIM
A8
Kc
64 bit
Kc
64 bit
Datenblock
SRES
Datenblock
chiffrierte
Datenblöcke
A5
A5
MC SS05
4.43
MS
Datendienste in GSM I
Ursprünglich Übertragung mit lediglich 9,6 kbit/s möglich
fortgeschrittene Kanalcodierung erlaubt 14,4 kbit/s
zu wenig für Internet- und Multimedia-Anwendungen
HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data)
Hauptsächlich Software-Aktualisierung
Zusammenfassung mehrerer Zeitkanäle für höhere
AIUR (Air Interface User Rate)(z.B. 57,6 kbit/s bei 4 slots zu 14,4)
Vorteil: schneller verfügbar, kontinuierliche Qualität, einfacher
Nachteil: diese Kanäle sind dann für Sprache blockiert
AIUR [kbit/s]
4.8
9.6
14.4
19.2
28.8
38.4
43.2
57.6
TCH/F4.8
1
2
3
4
TCH/F9.6
TCH/F14.4
1
1
2
3
4
2
3
4
MC SS05
4.44
Datendienste in GSM II
GPRS (General Packet Radio Service)
paketorientierte Vermittlung
Belegung der Zeitschlitze nur wenn Daten vorhanden
(z.B. 50 kbit/s bei kurzfristiger Belegung von 4 slots)
Standardisierung 98, Einführung 2001
Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexibler
Nachteil: mehr Investitionen (neue Hardware)
GPRS-Netzelemente
GSN (GPRS Support Nodes): GGSN and SGSN
GGSN (Gateway GSN)
Umsetzung zwischen GPRS und PDN (Packet Data Network)
SGSN (Serving GSN)
Unterstützung der MS (Lokation, Abrechnung, Sicherheit)
GR (GPRS Register)
Benutzeradressen
MC SS05
4.45
GPRS Dienstgüte
Reliability
class
Lost SDU
probability
Duplicate
SDU
probability
1
2
3
10-9
10-4
10-2
10-9
10-5
10-5
Delay
class
1
2
3
4
Out of
sequence
SDU
probability
10-9
10-5
10-5
Corrupt SDU
probability
10-9
10-6
10-2
SDU size 128 byte
SDU size 1024 byte
mean
95 percentile
mean
95 percentile
< 0.5 s
< 1.5 s
<2s
<7s
<5s
< 25 s
< 15 s
< 75 s
< 50 s
< 250 s
< 75 s
< 375 s
unspecified
MC SS05
4.46
Beispiele für GPRS-Geräteklassen
Klasse
EmpfangsZeitschlitze
SendeZeitschlitze
Maximale Anzahl an
Zeitschlitzen pro Rahmen
1
1
1
2
2
2
1
3
3
2
2
3
5
2
2
4
8
4
1
5
10
4
2
5
12
4
4
5
MC SS05
4.47
GPRS-Nutzerdatenraten [kbit/s]
Kodierungsschema
1 Zeitschlitz
2 Zeit3 Zeit4 Zeit5 Zeit6 Zeit7 Zeit8 Zeitschlitze schlitze schlitze schlitze schlitze schlitze schlitze
CS-1
9,05
18,1
27,15
36,2
45,25
54,3
63,35
72,4
CS-2
13,4
26,8
40,2
53,6
67
80,4
93,8
107,2
CS-3
15,6
31,2
46,8
62,4
78
93,6
109,2
124,8
CS-4
21,4
42,8
64,2
85,6
107
128,4
149,8
171,2
MC SS05
4.48
GPRS Architektur und Schnittstellen
SGSN
Gn
BSS
MS
Um
SGSN
Gb
Gn
Gi
HLR/
GR
MSC
VLR
PDN
GGSN
EIR
MC SS05
4.49
GPRS Protokollarchitektur
MS
BSS
Um
SGSN
Gb
Gn GGSN
Anwend.
IP/X.25
IP/X.25
SNDCP
SNDCP
LLC
RLC
MAC
RLC
BSSGP
GTP
LLC
UDP/TCP
UDP/TCP
BSSGP
IP
IP
FR
L1/L2
L1/L2
MAC
FR
Funk
GTP
Funk
MC SS05
4.50
Gi
DECT
DECT (Digital European Cordless Telephone) ist ein von ETSI
entwickelter Standard (ETS 300.175-x), für das schnurlose
Telefon.
Standard legt die Luftschnittstelle zwischen der Basisstation und
dem Mobiltelefon fest.
Um DECT international besser vermarkten zu können, wurde es
in „Digital Enhanced Cordless Telecommunication“ umgetauft.
Kenngrößen:
Frequenz: 1880-1990 MHz
Kanalzahl: 120 Duplexkanäle
Duplexverfahren: TDD (10 ms Rahmenlänge)
Multiplexverfahren: FDMA mit 10 Trägerfrequenzen,
TDMA mit 2x 12 slots
Modulation: digital, Gaußian Minimum Shift Keying (GMSK)
Sendeleistung: 10 mW mittlere Leistung (max. 250 mW)
Reichweite: ca. 50 m in Gebäuden, 300 m im Freien
MC SS05
4.51
DECT Systemarchitektur und Referenzmodell
D4
D3
VDB
D2
PA
PA
PT
FT
HDB
lokales
Netz
PT
D1
globales
Netz
FT
lokales
Netz
MC SS05
4.52
DECT-Referenzmodell
C-Ebene
U-Ebene
Netzwerkschicht
Verbindungssteuerung
Management
Signalisierung
Anwendungsprozesse
OSI Schicht 3
Verbindungssteuerung
Starkt angelehnt an das
OSI-Referenzmodell
Managementebene
schichtenübergreifend
Mehrere Dienste in der
C(ontrol)- bzw. U(ser)Plane vorhanden
OSI Schicht 2
Medienzugriffssteuerung
Bitübertragungsschicht
OSI Schicht 1
MC SS05
4.53
Schichtenarchitektur I
Physical Layer
Modulation/Demodulation des Funkträgers mit einem Bitstrom
Erzeugt die physikalische Kanalstruktur mit festem Durchsatz
Überwachung der Funkumgebung
Bereitstellung eines Kanals auf Anforderung des MAC-Layers
Erkennen eines ankommenden physikalischen Kanals
Synchronisation zwischen Sender und Empfänger
Bereitstellung von Statusinformationen für die Management-Entity
MAC Layer
Erzeugung, Unterhalt und Freigabe von Basisdiensten durch
Aktivierung bzw. Deaktivierung von physikalischen Kanälen
Multiplexen der logischen Kanaltypen
u.a.: C: Signalisierung, I: Benutzerdaten, P: Paging und Q: Broadcast
Segmentieren/Reassemblieren
Fehlerkontrolle und Fehlerkorrektur (Daten abhängig)
MC SS05
4.54
Struktur des DECT-Zeitmultiplexrahmens
1 Frame = 10 ms
12 Down Slots 12 Up Slots
Slot
0
0
sync
A: Netzsteuerung
B: Benutzerdaten
X: Übertragungsqualität
25,6 kbit/s
Simplex Bearer
32 kbit/s
31 0
0
419
guard 420 bit + 52µs Schutzzeit („60 bit“) in 0,4167 ms
D field
A field
387
B field
63 0
Protected
Mode
319 0
X field
3
DATA
C
DATA
C
DATA
C
DATA
C
64
16
64
16
64
16
64
16
Unprotected
Mode
DATA
MC SS05
4.55
Schichtenarchitektur II
Data Link Control layer
Erzeugen und aufrechterhalten einer zuverlässigen Verbindung
zwischen dem portablen Gerät und der Basisstation.
Zwei DLC-Protokolle in der Kontroll-Ebene (C-Plane):
Verbindungsloser Broadcast-Dienst:
Bietet „Pager“-Funktionalität
Lc+LAPC Protokoll:
Für in-call Signalisierung (ähnlich LAPD für ISDN). Speziell angepaßt
an den darunterliegenden MAC-Dienst (Segmentlänge entsprechend).
Verschiedene Dienste in der U-Plane spezifiziert:
Null-Dienst: Reicht die MAC-Dienste unmodifiziert nach oben durch.
Frame relay: Einfache Paketübertragung
Frame switching: Für zeitkritische Paketübertragung
Fehlerkorrigierende Übertragung: Mit FEC, für verzögerungs- bzw.
zeitkritische Anwendungen
Bandbreiten anpassbare Übertragung
„Escape“-Dienst: Für zukünftige Erweiterungen des Standards
MC SS05
4.56
Schichtenarchitektur III
Network Layer
Angelehnt an das ISDN (Q.931) und GSM (04.08)
Stellt Dienste zur Verfügung, um Ressourcen im zentralen System
und im portablen Gerät anzufordern, überprüfen, reservieren,
überwachen und freizugeben.
Ressourcen sind:
Solche, die notwendig sind, um eine drahtlose Verbindung zu
ermöglichen.
Solche, die notwendig sind, um das DECT-System mit einem externen
Netzwerk zu verbinden.
Hauptaufgaben:
Rufüberwachung: Aufbau, Abbau, Aushandeln, Überwachen.
Rufunabhängige Dienste: Rufweiterleitung, Rufumleitung,
Kostenmangement
Mobility Management: Identitäts-Management, Authentifizierung,
Aufenthaltsregister-Verwaltung
MC SS05
4.57
Erweiterungen des Standards
Als Ergänzung zur DECT-Spezifikation wurde verschiedene „DECT
Application Profiles“ definiert:
GAP (Generic Access Profile) 1997 von ETSI verabschiedet:
Sichert die herstellerunabhängige Zusammenarbeit von DECT-Geräten
(Minimale Anforderungen für den Sprachdienst).
Erweiterte Möglichkeit des Managements vom Festnetz aus: Cordless
Terminal Mobility (CTM)
DECT
Festnetzbereich
Festnetz
DECT
Common
Air Interface
DECT
Portable Part
GAP
DECT/GSM Interworking Profile (GIP): Anbindung an GSM
ISDN Interworking Profiles (IAP, IIP): Anbindung an ISDN
Radio Local Loop Access Profile (RAP): Öffentlicher Telefondienst
CTM Access Profile (CAP): Unterstützung der Benutzermobilität
MC SS05
4.58
TETRA - Terrestrial Trunked Radio
Bündelfunksysteme (trunked radio)
viele verschiedene Trägerfrequenzen
eine Frequenz wird kurzzeitig einem Benutzer/einer Nutzergruppe
zugewiesen
Taxi-Service, Flottenmanagement, Notfalleinsätze
Schnittstellen zu öffentlichen Netzen, Sprach- und Datendienste
sehr zuverlässig, schneller Verbindungsaufbau, typischerweise nur lokaler
Betrieb
TETRA - ETSI Standard
früher: Trans European Trunked Radio
Punkt-zu-Punkt und Punkt-zu-Mehrpunkt
Verschlüsselung (Ende-zu-Ende, Luftschnittstelle), Authentifizierung von
Endgeräte, Nutzer und Netzen
Gruppenrufe, Rundrufe, sehr schneller Gruppenverbindungsaufbau (< 1s)
ad-hoc („direct mode“), Relay und Infrastrukturnetzwerke
Warteschlangen von Rufen mit preemptiven Prioritäten
MC SS05
4.59
TETRA – Märkte (in Prozent)
Genutzt in 70 Ländern, über 20 Gerätehersteller
sonstige; 6
Industrie; 1
BOS; 39
Privat; 6 Öl/Gas; 3
Militär; 6
Behörden; 7
Versorgung;
8
Transport; 24
MC SS05
4.60
TETRA – Netzstruktur
TETRA-Infrastruktur
Switch
PSTN, ISDN,
Internet, PDN
NMS
Switch
Switch
IS
I
BS
Weitere
TETRANetze
BS
AI
BS
AI: Air Interface
BS: Base Station
DMO: Direct Mode Operation
ISI: Inter-System Interface
NMS: Network Management
System
PEI: Peripheral Equipment
Interface
O
M
D
PEI
MC SS05
4.61
TETRA – Direct Mode I
Direct Mode ermöglicht den Ad-hoc-Betrieb und stellt einen der
wichtigsten Unterschiede zu rein Infrastruktur-basierten Netzen
wie GSM, cdma2000 oder UMTS dar.
Festnetz
Individueller Ruf
“Dual Watch” – abwechselndes Teilnehmen
an Infrastruktur und ad-hoc
Festnetz
Autorisierendes
Endgerät
Gruppenruf
Managed Direct Mode
MC SS05
4.62
TETRA – Direct Mode II
Durch einen zusätzlichen Repeater kann die Reichweite erhöht
werden (z.B. Einsatzfahrzeug)
Festnetz
Direct Mode mit Repeater
Direct Mode mit Gateway
Festnetz
Festnetz
Autorisierender
Repeater
Direct Mode mit Repeater/Gateway
Managed Repeater/Gateway
MC SS05
4.63
TETRA – Technik
Dienste
Voice+Data (V+D) und Packet Data Optimized (PDO)
Kurznachrichtendienst (SDS)
Frequenzen
Richtungstrennung: FDD, Modulation: DQPSK
Europa (in MHz, noch nicht alle verfügbar)
380-390 UL / 390-400 DL; 410-420 UL / 420-430 DL, 450-460 UL /
460-470 DL; 870-876 UL / 915-921 DL
Weitere Länder
380-390 UL / 390-400 DL; 410-420 UL / 420-430 DL, 806-821 UL /
851-866 DL
MC SS05
4.64
TDMA-Rahmenstruktur des voice+data Dienstes
hyperframe
0
1
2
...
57
58
59
61,2 s
15
16
17
1,02 s
multiframe
0
1
2
...
CF
frame
0
0
1
slot
2
3
509
Control Frame
56,67 ms
14,17 ms
MC SS05
4.65
TETRA - Datenraten
Infrastrukturmodus, V+D in kbit/s
Zeitschlitze
1
2
Ohne Schutz
7,2
14,4
Niedriger Schutz
4,8
9,6
Hoher Schutz
2,4
4,8
3
21,6
14,4
7,2
4
28,8
19,2
9,6
TETRA Release 2 - Unterstützung höherer Datenraten
TEDS (TETRA Enhanced Data Service)
Bis zu 100 kbit/s angestrebt
Rückwärtskompatibilität
MC SS05
4.66
UMTS und IMT-2000
Vorschläge für IMT-2000 (International Mobile Telecommunications)
UWC-136, cdma2000, WP-CDMA
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) von ETSI
UMTS
UTRA (früher: UMTS, jetzt: Universal Terrestrial Radio Access)
Erweiterungen von GSM
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution): GSM bis zu 384 kbit/s
CAMEL (Customized Application for Mobile Enhanced Logic)
VHE (virtual Home Environment)
passt zur GMM (Global Multimedia Mobility) Initiative von ETSI
Anforderungen
min. 144 kbit/s auf dem Land (Ziel: 384 kbit/s)
min. 384 kbit/s in den Vorstädten (Ziel: 512 kbit/s)
bis zu 2 Mbit/s innerstädtisch
MC SS05
4.67
Frequenzen für IMT-2000
1850
1900
ITU-Zuweisung
(WRC 1992)
Europa
China
1950
IMT-2000
GSM DE
1800 CT
GSM
1800
Japan
T
D
D
Nord
America
1900
T
D
D
MSS
↑
2000
2200
MHz
MSS
↓
UTRA MSS
FDD ↓ ↓
IMT-2000
MSS
↓
cdma2000 MSS
W-CDMA ↓
MSS
↑
1950
2100 2150
IMT-2000
cdma2000 MSS
W-CDMA ↑
PCS
1850
2050
MSS
↑
UTRA MSS
FDD ↑ ↑
IMT-2000
PHS
2000
rsv.
2050
2100 2150
MC SS05
MSS
↓
2200
4.68
MHz
IMT-2000-Familie
Schnittstellen zum Netzübergang
IMT-2000
Kernnetz
ITU-T
GSM
(MAP)
IP-Network
Flexible Zuweisung von
Kernnetz und Funkzugang
Initiales UMTS
(R99 mit FDD)
IMT-2000
Funkzugang
ITU-R
ANSI-41
(IS-634)
IMT-DS
IMT-TC
IMT-MC
IMT-SC
IMT-FT
(Direct Spread)
(Time Code)
(Multi Carrier)
(Single Carrier)
(Freq. Time)
UTRA FDD
(W-CDMA)
3GPP
UTRA TDD
(TD-CDMA);
TD-SCDMA
3GPP
cdma2000
UWC-136
(EDGE)
UWCC/3GPP
DECT
3GPP2
MC SS05
4.69
ETSI
GSM- und UMTS-Versionen
GSM/EDGE-Version
3G-Version
Abkürzung
Versionsnummer
Finalisierung
(ca. Angaben)
Phase 2+ Release 6
Release 6
Rel-6
6.x.y
Dezember 2004 März 2005
Phase 2+ Release 5
Release 5
Rel-5
5.x.y
März - Juni 2002
Phase 2+ Release 4
Release 4
Rel-4
4.x.y
März 2001
-
Release 2000
4.x.y
R00
9.x.y
Umbenennung…
Phase 2+ Release 2000
-
-
Release 1999
-
-
R98
7.x.y
Anfang 1999
-
R97
6.x.y
Anfang 1998
-
R96
5.x.y
Anfang 1997
Phase 2
-
Ph2
4.x.y
1995
Phase 1
-
Ph1
3.x.y
1992
3.x.y
R99
März 2000
8.x.y
MC SS05
4.70
Ergebnis Frequenzvergabe für UMTS am 18.8.2000
UTRA-FDD:
Uplink 1920-1980 MHz
Downlink 2110-2170 MHz
Duplexabstand 190 MHz
12 Kanäle zu je 5 MHz
UTRA-TDD:
1900-1920 MHz,
2010-2025 MHz;
je 5 MHz Kanäle
Abdeckung: 25% der
Bevölkerung bis 12/2003,
50% bis 12/2005
Summe: 50,81 Mrd. €
MC SS05
4.71
UMTS Architektur (hier zunächst Release 99)
UTRAN (UTRA Network)
Mobilität auf Zellenebene
Radio Network Subsystem (RNS)
Kapselung der funkspezifischen Abläufe
UE (User Equipment)
CN (Core Network)
Handover zwischen Systemen
Location Management falls keine dedizierte Verbindung zwischen
UE und UTRAN besteht
Uu
UE
Iu
UTRAN
CN
MC SS05
4.72
UMTS Bereiche und Schnittstellen I
Home
Network
Domain
Zu
Cu
USIM
Domain
Mobile
Equipment
Domain
Uu
Access
Network
Domain
Iu
Yu
Serving
Network
Domain
Transit
Network
Domain
Core Network Domain
User Equipment Domain
Infrastructure Domain
User Equipment Domain
Einem Benutzer zugeordnet, um auf UMTS Dienste zuzugreifen
Infrastructure Domain
Geteilt für alle Benutzer
Bietet den zugelassenen Benutzern UMTS Dienste an
MC SS05
4.73
UMTS Bereiche und Schnittstellen II
Universal Subscriber Identity Module (USIM)
Funktionen zur Verschlüsselung und eindeutigen Authentisierung
des Benutzers
Auf der SIM untergebracht
Mobile Equipment Domain
Funktionen zur Funkübertragung
Teilnehmerschnittstelle zur Realisierung von Ende-zu-EndeVerbindungen
Access Network Domain
Zugangsnetzabhängige Funktionen
Core Network Domain
Funktionen, die unabhängig vom Zugangsnetz sind
Serving Network Domain
Netz, das den gegenwärtig den Zugang realisiert
Home Network Domain
Funktionen, die unabhängig vom aktuellen Aufenthaltsort des
Benutzers dort zur Verfügung stehen
MC SS05
4.74
Spreizen und Verwürfeln von Nutzdaten
Konstate chipping-Rate von 3,84 Mchip/s
Unterschiedliche Nutzerraten durch unterschiedliche Spreizfaktoren unterstüzt
höhere Datenrate: weniger Chips pro Bit (und umgekehrt)
Nutzertrennung durch eindeutige, quasi-orthogonale Verwürfelungscodes
Nutzer nicht durch orthogonale Spreizcodes getrennt
viel einfachere Verwaltung der Codes: jede Station kann die gleichen orthogonalen
Spreizcodes nutzen
präzise Synchronisation nicht notwendig, da die Verwürfelungscodes quasiorthogonal bleiben
Daten1
Daten2
Daten3
Daten4
Daten5
Spr.code1
Spr.code2
Spr.code3
Spr.code1
Spr.code4
Verwürflungscode1
Verwürflungscode2
Sender1
Sender2
MC SS05
4.75
OSVF-Codierung
1,1,1,1,1,1,1,1
...
1,1,1,1
1,1,1,1,-1,-1,-1,-1
1,1
1,1,-1,-1,1,1,-1,-1
X,X
1,1,-1,-1,-1,-1,1,1
1
X
...
1,1,-1,-1
1,-1,1,-1,1,-1,1,-1
X,-X
...
1,-1,1,-1
1,-1,1,-1,-1,1,-1,1
SF=n
SF=2n
1,-1
1,-1,-1,1,1,-1,-1,1
...
1,-1,-1,1
1,-1,-1,1,-1,1,1,-1
SF=1 SF=2
SF=4
MC SS05
SF=8
4.76
UMTS-FDD-Rahmenstruktur
W-CDMA
• 1920-1980 MHz uplink
• 2110-2170 MHz downlink
• Chipping-Rate:
3,840 Mchip/s
• Soft handover
• QPSK
• Komplexe Leistungssteuerung (1500 power
control cycles/s)
• Spreizfaktor: UL: 4-256;
DL: 4-512
Rahmen
10 ms
0
1
2
...
12
13
14
Zeitschlitz
666,7 µs
Pilot
TFCI
FBI
TPC
uplink DPCCH
2560 chips, 10 bits
666,7 µs
uplink DPDCH
Data
2560 chips, 10*2k bits (k = 0...6)
666,7 µs
Data1 TPC TFCI Data2
Pilot
downlink DPCH
DPDCH DPCCH DPDCH DPCCH
2560 chips, 10*2k bits (k = 0...7)
FBI: Feedback Information
TPC: Transmit Power Control
TFCI: Transport Format Combination Indicator
DPCCH: Dedicated Physical Control Channel
DPDCH: Dedicated Physical Data Channel
DPCH: Dedicated Physical Channel
Rahmenstrukturen werden nicht zur Trennung der
Nutzer sondern zur Synchronisation periodischer Funktionen genutzt!
MC SS05
4.77
Typische UTRA-FDD-Datenraten (uplink)
64
144
384
Nutzdatenrate [kbit/s]
12,2
(Sprache)
DPDCH [kbit/s]
60
240
480
960
DPCCH [kbit/s]
15
15
15
15
Spreizfaktor
64
16
8
4
MC SS05
4.78
UMTS-TDD-Rahmenstruktur (burst type 2)
Rahmen
10 ms
0
1
2
...
12
13
14
Time slot
666,7 µs
Data
1104 chips
Midample
256 chips
Data
GP
1104 chips
2560 chips
Traffic burst
GP: Schutzzeit (guard period)
96 chips
TD-CDMA
• 2560 chips pro Zeitschlitz
• Spreizfaktor: 1-16
• symmetrische oder asymmetrische Zuweisung von Zeitschlitzen zu UL/DL
(min. 1 pro Richtung)
• enge Synchronisation benötigt
• einfachere Leistungssteuerung (100-800 power control cycles/s)
MC SS05
4.79
UTRAN-Architektur
RNS
UE1
Node B
Iub
RNC: Radio Network Controller
RNS: Radio Network Subsystem
Iu
RNC
CN
UE2
Node B
UE3
Iur
Node B
Iub
Node B
RNC
UTRAN besteht aus mehreren
RNS
Node B kann FDD, TDD oder
beides unterstützen
RNC ist verantwortlich für
Handover-Entscheidungen,
die der Signalisierung zum
UE bedürfen
Zelle bietet FDD oder TDD
Node B
RNS
MC SS05
4.80
UTRAN-Architektur
RNS
UE
Node B
RNC: Radio Network Controller
RNS: Radio Network Subsystem
Iub
RNC
Iu
UTRAN umfasst mehrere RNS
Node B kann FDD oder TDD oder
beides unterstützen
Node B
CN
Iur
Node B
Iub
Node B
RNC
Node B
RNC ist für handoverEntscheidungen zuständig,
die eine Signalisierung zum
UE erfordern
Zellen bieten FDD oder TDD an
RNS
MC SS05
4.81
UTRAN-Funktionen
Zugangssteuerung (Admission Control)
Congestion Control
System Information Broadcasting
Verschlüsselung auf dem Funkkanal
Handover
SRNS-Verlagerung
Konfiguration des Funknetzes
Funkkanalmessungen
Makrodiversität (Macro Diversity)
Funkträgersteuerung
Funkbetriebsmittelverwaltung
Datenübertragung auf der Funkschnittstelle
Leistungssteuerung (FDD- und TDD-Modus)
Kanalkodierung
Zugriffssteuerung
MC SS05
4.82
Kernnetz: Protokolle
VLR
MSC
GSM-CS
backbone
RNS
GMSC
PSTN/
ISDN
GGSN
PDN (X.25),
Internet (IP)
HLR
RNS
Layer 3: IP
Layer 2: ATM
Layer 1: PDH,
SDH, SONET
UTRAN
SGSN
GPRS backbone (IP)
SS 7
CN
MC SS05
4.83
Kernnetz: Architektur
VLR
BTS
Abis
BSS
BSC
Iu
MSC
GMSC
PSTN
Node
BTSB
IuCS
AuC
EIR
HLR
GR
Node B
Iub
Node B
RNC
SGSN
GGSN
Gn
Node B
RNS
Gi
IuPS
CN
MC SS05
4.84
Kernnetz
Das Kernnetz (Core Network, CN) und damit auch die IuSchnittstelle sind logisch in zwei Bereiche geteilt:
Circuit Switched Domain (CSD)
Leitungsvermittelter Dienst inkl. Signalisierung
Ressourcenreservierung beim Verbindungsaufbau
GSM-Komponenten (MSC, GMSC, VLR)
IuCS
Packet Switched Domain (PSD)
GPRS-Komponenten (SGSN, GGSN)
IuPS
Release 99 nutzt damit das bisherige GSM/GPRS Kernnetz und
fügt einen neuen Funkzugang hinzu
Kosteneinsparung uns deutlich schnellere Installation
Geringere Flexibilität als die neueren Versionen 4, 5, 6
MC SS05
4.85
UMTS-Protokollstapel (Nutzerebene)
UE
Leitungsvermittelt
(circuit
switched)
UTRAN
IuCS
3G
MSC
apps. &
protocols
RLC
MAC
RLC
MAC
radio
radio
UE
Paketvermittelt
(packet
switched)
Uu
apps. &
protocols
IP, PPP,
…
PDCP
Uu
SAR
SAR
AAL2
AAL2
ATM
ATM
UTRAN
IuPS
3G
SGSN
IP tunnel
Gn
3G
GGSN
IP, PPP,
…
GTP
RLC
RLC
GTP
UDP/IP
MAC
MAC
AAL5
AAL5
L2
L2
radio
radio
ATM
ATM
L1
L1
PDCP
GTP
UDP/IP UDP/IP
GTP
MC SS05
UDP/IP
4.86
Mobilitätsunterstützung durch Makrodiversität
Multicast von Daten über
mehrere physikalische Kanäle
ermöglicht weichen handover
nur FDD-Modus
Aufwärtsrichtung (uplink)
UE
Node B
Node B
RNC
simultaner Empfang von UEDaten über mehrere Node Bs
Rekonstruktion der Daten am
Node B, SRNC oder DRNC
CN
Abwärtsrichtung (downlink)
simultane Übertragung von
Daten über unterschiedliche
Zellen
unterschiedliche Spreizcodes
in unterschiedlichen Zellen
MC SS05
4.87
Mobilitätsunterstützung: Handover
Von/zu anderen Systemen (z.B. UMTS nach GSM)
sehr wichtig, da die Abdeckung von UMTS sehr begrenzt am Anfang ist
RNS zu dem Verbindung besteht wird als SRNS (Serving RNS)
bezeichnet.
RNS das zusätzliche Ressourcen bereitstellt (z.B. für Soft-Handover) wird
als DRNS (Drift RNS) bezeichnet
Ende-zu-Ende Verbindungen zwischen UE und CN nur über Iu am SRNS
Wechsel des SRNS führt zum Wechsel der Iu
Initiiert durch SRNS
gesteuert durch RNC und CN
Node B
Iub
UE
CN
SRNC
Node B
Iur
Iu
DRNC
Iub
MC SS05
4.88
Beispielhafte handover-Typen in UMTS/GSM
UE1
Node B1
UE2
UE3
UE4
RNC1
3G MSC1
Iu
Node B2
Iur
Iub
Node B3
RNC2
3G MSC2
BTS
BSC
2G MSC3
Abis
A
MC SS05
4.89
Zellatmung
GSM
Endgerät erhält volle Leistung der Basisstation
Anzahl eingebuchter Endgeräte hat keinen Einfluss auf die
Zellgröße
UMTS
Zellgröße ist eng korreliert mit der Kapazität der Zelle
Kapazität ist bestimmt durch den Signal-Rausch-Abstand
Rauschen entsteht durch vorhandene Interferenz
anderer Zellen
anderer Teilnehmer
Interferenz erhöht das Rauschen
Endgeräte an der Zellgrenze können das Signal (aufgrund der
Sendeleistungsbeschränkung) nicht weiter verstärken
keine Kommunikation möglich
Beschränkung der Teilnehmeranzahl notwendig
Zellatmung erschwert die Netzwerkplanung erheblich
MC SS05
4.90
Zellatmung: Beispiel
MC SS05
4.91
Dienste (ursprünglich)
Datenübertragung, Service Profile
Service-Profile
High Interactive MM
High MM
Bandbreite
Transportmodus
128 kBit/s leitungsv.
2 Mbit/s paketv.
Medium MM
Switched Data
14,4 kBit/s leitungsv.
Simple Messaging
14,4 kBit/s paketv.
Sprache
bidirektional, Bildtelefon
nicht flächendeckend, max. 6 km/h
asymmetrisch, MM, downloads
SMS-Nachfolger, E-Mail
Virtual Home Environment (VHE)
ermöglicht dem Benutzer den Zugriff auf personalisierte Dienste
unabhängig vom Standort, dem Zugangsnetzwerk und dem Endgerät
Netzwerkbetreiber kann Dienste anbieten, die keine Änderungen an den
Netzwerken erfordern
Dienstanbieter erhält Komponenten, die die Erstellung von Anwendungen
erlaubt, die sich an das Netzwerk und das Endgerät anpassen
Integration bestehender IN-Dienste
MC SS05
4.92
3G-Netze in Aktion: Beispiel Japan
FOMA (Freedom Of Mobile multimedia
Access) in Japan
Diverse FOMA-Telefone
MC SS05
4.93
3G-Netze in Aktion: Beispiel Australien
cdma2000 1xEV-DO um Melbourne/Australien
Beispiele für 1xEV-DO-Geräte
MC SS05
4.94
Isle of Man – Der Start von UMTS in Europa als Test
MC SS05
4.95
UMTS in Monaco
MC SS05
4.96
UMTS in Europa
Orange/UK
Vodafone/Deutschland
MC SS05
4.97
Einige Weiterentwicklungen
GSM
EMS/MMS
EMS: 760 Zeichen durch aneinander gehängte SMS, animierte Bilder,
Klingeltöne, schnell abgelöst durch MMS (bzw. übersprungen)
MMS: Übertragung auch von Bildern, Video-Clips, Audio
– siehe auch WAP 2.0 / Kapitel 10
EDGE (Enhanced Data Rates for Global [früher: GSM] Evolution)
8-PSK an Stelle von GMSK, bis zu 384 kbit/s
neue Modulations-/Codierschemata für GPRS
EGPRS
– MCS-1 bis MCS-4 nutzen GMSK mit Raten 8,8/11,2/14,8/17,6 kbit/s
– MCS-5 bis MCS-9 nutzen 8-PSK mit Raten 22,4/29,6/44,8/54,4/59,2 kbit/s
UMTS
HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access)
zunächst bis 10 Mbit/s in Abwärtsrichtung, später auch 20 Mbit/s mit
MIMO- (Multiple Input Multiple Output-) Antennen
nutzt 16-QAM statt QPSK
MC SS05
4.98

Mobilkommunikation Kapitel 4: Drahtlose

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