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Lehrstuhl für Informatik 4
Kommunikation und verteilte Systeme
1Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Kapitel 2• Technische Grundlagen: Schicht 1• Verfahren zum Medienzugriff: Schicht 2
Kapitel 3• Drahtlose Netze: WLAN, Bluetooth,
WirelessMAN, WirelessWAN
• Mobilfunknetze: GSM, GPRS, UMTS• Satellitensysteme und Broadcastnetze
Kapitel 4• Mobilität in der Netzwerkschicht: Mobile IP• Mobilität in der Transportschicht
• Mobilitätsunterstützung
Drahtlose Telekommunikationssysteme
• GSM als Basis heutiger Systeme• Erweiterungen zur Datenübertragung:
HSCSD, GPRS, EDGE
• UMTS: Zukunft oder Wunschdenken?
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Kommunikation und verteilte Systeme
2Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Mobile Telefonie
A-Netz• 1958 von der Bundespost eingeführt• Analog und handvermittelt• Kein Handover zwischen Funkbereichen
• 1977 eingestellt
B-Netz• 1972 eingeführt• Anrufer musste wissen, in welchem Funkbereich sich der Mobilteilnehmer befand
(mit Vorwahl!)
• In begrenztem Rahmen Roaming mit Österreich, Niederlanden, Luxemburg• 1994 eingestellt
C-Netz• Keine Region-Vorwahl mehr notwendig
• Zellulares System mit Vielzahl an Basisstationen• Auch Daten- und Faxverbindungen
• 2000 eingestellt
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3Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Vereinheitlichung der Netze
• 70er und 80er Jahre: analoge, zellulare Mobilfunksysteme in den meisten europäischen Ländern (1. Generation der Mobilfunknetze)
• Inkompatibilität der Mobilfunksysteme• 1982: Gründung der Groupe Special Mobile (GSM) zur Lösung der Probleme
• Ziel: digitales Netz (D-Netz, aufgrund des Übergangs zur digitalen Technologie „2. Generation, 2G“ genannt)
• 1990: erste Spezifikation von GSM abgeschlossen: GSM900 (900 MHz)
• 1991: Spezifikation von GSM1800 als E-Netz• 1992: 13 Netze in 7 Ländern, D1 und D2 in Deutschland
• 1994: E-Plus• 1995: GSM1900 in den USA
• 1998: E2-Netz, VIAG Interkom• 2000: Versteigerung von UMTS-Lizenzen
(Integration von Sprache und Daten: 3. Generation, 3G)
• 2001 Start von GPRS als Erweiterung zur paket-orientierten Datenübertragung (auch als „2.5G“ bezeichnet)
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4Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
GSM - Basis moderner Mobilfunksysteme
• GSM steht mittlerweile für Global System for Mobile Communications• Einführung eines Mindeststandards in drei Phasen (1991, 1994, 1996) durch die
europäischen Fernmeldeorganisationen (Deutschland: D1 und D2)
→ europaweites Roaming mobiler Endgeräte möglich• mittlerweile Übernahme durch über 184 Drittländer (z.B. in Asien, Afrika, Amerika)
• über 747 Millionen Teilnehmer in über 400 Netzen• über 10 Milliarden SMS/Monat in Deutschland, > 360 Milliarden weltweit (über 10%
der Umsätze von Netzbetreibern)
• 74% aller digitalen Mobiltelefone• nutzt Funkübertragung mit Frequenzen um 900, 1800 und 1900 MHz• Sprach- und Datenverbindungen bis 9.6 KBit/s (Erweiterung: 14.4 KBit/s)
• Zugangskontrolle durch Chipkarten• verschiedene Verschlüsselungsverfahren
• Nutzung einer Zellstruktur, um das Einzugsgebiet eines Anbieters einzuteilen (zwischen 100-500m Ø je Zelle innerhalb von Städten und 35 km außerhalb der Städte)
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5Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Leistungsmerkmale des GSM-Systems
Auswahl der wichtigsten technischen Aspekte:
• 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.
Das GSM-Netz bietet drei Arten von Diensten:• Trägerdienste (Bearer Services)• Teledienste (Telematic Services)
• Zusatzdienste (Supplementary Services)
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6Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Trägerdienste (Bearer Services)
• Telekommunikationsdienste, die Daten zwischen Benutzer und Netz 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
• asynchron: zwischen 300 und 9600 Bit/s• Zusätzlich: Signalisierungskanäle zur Steuerung der Verbindungen (verwendet
durch Teledienste)
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7Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Teledienste (Telematic Services)
• Telekommunikationsdienste, die den Benutzern im Mobilfunk 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
� NotrufEuropaweite Notfallnummer (112); Service für alle Mobilfunknetzbetreiber obligatorisch; kostenlos bereitgestellt; Verbindung mit höchster Priorität (Verdrängung niederpriorerVerbindungenmöglich)
� Multinumberingmehrere ISDN-Telefonnummern pro Teilnehmer
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8Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Teledienste (Telematic Services)
Non-Voice-Teledienste• Facsimile: Fernkopieren
• 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.Für die Übertragung werden nur die Signalisierungskanäle benutzt.Dies erlaubt die simultane Nutzung der Basisdienste und des SMS.
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9Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
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
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10Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Netzaufbau: Prinzip zellularer Netze
• Entfernungsabhängige Dämpfung begrenzt die Signalausbreitung zwischen Sender und Empfänger (~ d² auf freiem Raum, d5.5 auf dicht bebautem Gelände)
• Frequenzspektrum sehr begrenzt und für hohe Teilnehmerzahlen zu gering� Wiederverwendung von Frequenzbereichen durch Aufteilung des
Abdeckungsgebietes in Funkzellen
� absichtliche Begrenzung der Funkzelle durch geringere Sendeleistung� knappe Sendefrequenzen können in einer ausreichend großen Entfernung
wiederverwendet werden, ohne dass sich die Kanäle gegenseitig störend beeinflussen
� zwei weit genug voneinander entfernte Mobilfunkteilnehmer können beide gleichzeitig den gleichen Kanal belegen
technisch möglicher Funkversorgungsbereich
Zelle1
Zelle1
systemtechnische Einschränkung der Zellengröße
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11Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Zellularer Netzaufbau
• Größe einer Funkzelle ist bestimmt durch eine maximal vorgegebene Sendeleistung und eine bestimmte Empfangsleistung für einen ausreichend guten Empfang
• hexagonale Zellform ist idealisiert (Zellen überlappen unregelmäßig)
• keine einheitlichen Zellengrößen, Größe hängt von Verkehrsaufkommen und Senderreichweite ab (Stadtzentrum vs. Schwarzwald)
• Zellwechsel des mobilen Teilnehmers während eines Gesprächs
→ Übergabe der Verbindung in Nachbarzelle: Handover
16
7
45
2
16
73
45
2
16
73
45
2
16
73
Wahl des Abstands auf Basis der verbleibenden Signalstärke
Cluster
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12Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Zellulares Konzept
Cluster: Bereich, in dem alle Frequenzen verwendet werden. Jeder Zelle innerhalb eines Clusters können mehrere Frequenzen zugeordnet werden
• Mehr Zellen pro Cluster:� weniger Kanäle pro Zelle
� weniger Systemkapazität� weniger co-channel interference (co-channel Zellen weiter voneinander
entfernt)
• Weniger Zellen pro Cluster:� mehr Kanäle pro Zelle
� mehr Systemkapazität� mehr co-channel interference (co-channel Zellen näher zusammen)
Zellplanung:• Bestimmung einer möglichst optimalen Clustergröße N, so dass Kapazität
maximiert und Interferenzen minimiert werden
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13Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
e-plus (GSM-1800)
T-Mobile (GSM-900/1800)
O2 (GSM-1800)
Vodafone (GSM-900/1800)
Flächendeckung von GSM-Funknetzen (www.gsmworld.com)
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14Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
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)
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15Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
GSM - Architektur
Base Station Subsystem
Zelle Zelle Base Station Subsystem
Lokalisierungs-gebiet
Base Station Subsystem
Lokalisierungs-gebiet
Region mit Mobile Switching Center (MSC)
GSM-Netzwerk
Lokalisierungsgebiet
MSC Region
MSC Region
GSM-Netze sind hierarchisch strukturiert:
• mindestens eine administrative Region mit Mobile Switching Center (MSC)
• eine administrative Region besteht aus mindestens einem Lokalisierungsgebiet
• ein Lokalisierungsgebiet besteht aus mehreren Base Station Subsystems
• ein Base Station Subsystem enthält einen Base Station Controller (BSC) und mehrere Basisstationen (BTS, Zellen)
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16Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
GSM – System-Architektur
EIRAUC
HLR VLR
PLMN, international
PSTNISDN
OMC
MSC
ISC
GMSC
BSC
BSC4
4
4
ISC: International Switching CenterMSC: Mobile Switching CenterOMC: Operation and Maintenance CenterPLMN: Public Land Mobile NetworkVLR: Visitor Location Register
AUC: Authentication CenterBSC: Base Station ControllerEIR: Equipment Identity RegisterGMSC: Gateway Mobile Switching CenterHLR: Home Location Register
OSS
NSS
RSS
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17Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Funk-Subsystem
• Das Funk-Subsystem (Radio Subsystem, RSS) ist das flächendeckende zellulare Netz bis zu den Vermittlungsstellen.
• Das Funk-Subsystem 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): Der BSC führt die Vermittlung und steuert den Ablauf der Übertragungsprozesse der BTSe. Er ist für die Verwaltung der Netzressourcen zuständig. Hier erfolgt die Abbildung der Funkkanäle auf die terrestrischen Kanäle. Durch diese Trennung kann die Komplexität der BTSe gering gehalten werden.
• BSS = BSC + Summe(BTS) + Übertragungssysteme
� Die Mobilfunkstationen (MS) werden als bewegliche Netzkomponenten gezählt.
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18Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Base Transceiver Station und Base Station Controller
Funktionen BTS BSCManagement der Funkkanäle XFrequenzspringen (FH) X XManagement der terrestrischen Kanäle XAbbildung der Funk- und terrestrischenKanäle aufeinander
X
Kanalcodierung / -decodierung XRatenanpassung XChiffrierung / Dechiffrierung X XPaging X XMessungen
UplinkTraffic
XX
Mobility ManagementAuthentifizierungLocation Registration, Location UPdate
XX
Handover-Verwaltung / Ausführung X
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19Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Basisstation (Base Transceiver Station, BTS)
Fx - Frequenzbereich der ZelleF1 F2 F3 F5 F7
F7,F6
F8 F4 F6 F1
F9 F3
BSC BSC
BSC
Base Station ControllerBSC
Base Station Subsystem
Jede Zelle wird mit einer Basisstation versehen, die alle Kommunikation in dieser Zelle regelt. Alle Geräte kommunizieren ausschließlich über die Basisstation.
Probleme: • Regelung des Zellübergangs und damit eines Frequenzwechsels (Handover)
• Lokalisierung eines mobilen Geräts (HLR/VLR)
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20Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Netzwerk-Subsystem
• Das Netzwerk-Subsystem (Network Subsystem, 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 Aufenthaltsorte der Teilnehmer.
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21Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Mobile Switching Center
• Vermittlungsstelle eines GSM-Netzes ist das Mobile Switching Center: Pfadsuche, Signalisierung und die Verarbeitung von Dienstmerkmalen
• Administration und Zugriff auf Funk-Ressourcen
• Zusätzliche Funktion für Location Registration und Handover im Falle einesZellwechsels (Zusatzfunktionen zur Unterstützung der Teilnehmermobilität)
• Bestimmte Gateways zur Übertragung von Sprachdaten zwischen Festnetzenund mobilen Netzen (Gateway-MSC; GMSC)
• Die wichtigsten Funktionen des MSC sind:– Ruf-spezifische Funktionen in Zusammenhang mit der Mobilität– 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 Gebührendaten
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22Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Home and Visitor Location RegisterZwei verschiedene Typen von Datenbanken für die Registrierung von Teilnehmern
und ihrer aktuellen Position:
Home Location Register (HLR)• zentrale Aufenthaltsverwaltung, wodurch Suche nach den Teilnehmern in allen
Vermittlungsstellen entfällt• enthält unabhängig vom jeweiligen Aufenthaltsort sämtliche Teilnehmerdaten:
Rufnummer, Zugriffsberechtigung, Dienste, Dienstmerkmale• MSCs erhalten vom HLR Informationen über Berechtigungen, Dienste und den
momentanen Aufenthaltsbereich der Teilnehmer
Visitor Location Register (VLR)• Lokale Datenbank für eine Teilmenge der Benutzerdaten, einschließlich der
Aufenthaltsorte der Teilnehmer• speichert Informationen über Mobilteilnehmer, die sich z.Zt. im zugeordneten
MSC-Bereich befinden• enthält Datenbestände, die sich sehr häufig ändern und die durch einen
Informationsaustausch mit dem HLR und den Mobilstationen aktualisiert werden• Daten aus dem VLR “folgen” dem Teilnehmer, wenn dieser in den Bereich einer
anderen VLR gelangt
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23Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Verbindungsaufbau
Telefon-netz
Gateway-MSC BSS
Ziel-MSC
VLRHLR
934 71 9
1 - Anruf einer mobilen Station2 - Weiterleitung des Anrufs zu einem Zugangspunkt des mobilen Netzes3 - Anfrage an das HLR zur Lokalisierung des Nutzers4 - Rückgabe der Routinginformation5 - Weiterleitung des Rufs zum Ziel-MSC6 - MSC erfragt exakte Position des Teilnehmers im VLR7 - VLR überprüft Dienstprofil und Erreichbarkeit und liefert zuständiges BSS zurück8 - Paging des mobilen Teilnehmers (Broadcast im gesamten BSS)9 - Antwort des mobilen Teilnehmers
4
6 8
2 5 8
9 9 9
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24Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Handover
• Automatischer Wechsel der Funkzone, ohne dass die Qualität der laufenden Verbindung davon wesentlich beeinflusst wird. Für die Teilnehmer der Verbindung ist keine Unterbrechung erkennbar
Ablauf:
1. Messung• Während der Übertragung erfolgen permanente Messungen im
Signalisierungskanal, um die Notwendigkeit eines Handovers zu erkennen (Empfangsleistung, Bitfehlerraten, Abstand zur Basisstation, Verkehrsbelastung in einer Zelle, Störungen in einem Frequenzbereich)
2. Handover-Einleitung• Durchschalten von Verbindungen von der Mobilvermittlungsstelle zur neuen
Basisstation• Auswahl eines neuen, geeigneten Übertragungskanals
3. Umschaltung zur Zielbasisstation• Netzgesteuerter Handover (z.B. C-Netz), mobilstationsunterstützter Handover
(z.B. GSM) oder mobilstationsgesteuerter Handover (z.B. DECT)
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25Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Handover-Entscheidung
BTSA
MS MS
BTSB
Empfangssignalstärke
Bewegung
Letzter Umschaltpunkt
Pegel vonSignal A
Pegel vonSignal B
Handover-Bereich
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26Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Handover-Prozedur
HO access
BTSalt BSCneu
Messbericht
BSCalt
Link establishment
MSCMS
Messbericht
HO-Entscheidung
HO required
BTSneu
HO request
Ressourcenreservierung
ch. activation
ch. activation ackHO request ackHO commandHO commandHO command
HO completeHO completeclear commandclear command
clear complete clear complete
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27Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Handover-Strategien
Handover mit festem Umschaltpunkt• gleichzeitiges Durchschalten der neuen Leitung und Umleiten der Teilnehmerdaten,
dadurch kurze Verbindungsunterbrechung (kann sich als „Knacken“ bemerkbar machen)
• zu jeder Zeit wird nur ein Kanal auf der Luftschnittstelle belegt
Handover mit variablem Umschaltpunkt• Mobilfunkverbindung wird für kurze Zeit zu zwei Basisstationen geführt. Erst wenn
alle nötigen Vorbereitungen beendet sind, wird die bereits funktionierende neue Übertragungsstrecke aktiviert
• Mobilstation muss während des Handovers auf zwei Kanälen senden und empfangen
Soft Handover• Gleichzeitige Verbindung zu zwei Basisstationen, beide Verbindungen werden
benutzt, um einen gemeinsamen Datenstrom am MSC zu erzeugen
• über einen längeren Zeitraum wird immer das Signal ausgewählt, welches gerade am stärksten bzw. am wenigsten gestört ist (Steigerung der Übertragungsqualität)
• hohe Übertragungskapazität erforderlich
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28Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Handover-Typen
Handover innerhalb einer Zelle (intracell)
Handover zwischen zwei Zellen des gleichen BSC-Bereichs (intercell)
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
BSC
MSC
MSC
BTS4
4
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
BSC
MSC
MSC
4
4
• wird nötig, wenn ein Funkkanal innerhalb einer Zelle gestört wird, die Mobilstation aber für die weitere Kommunikation einen Kanal innerhalb der Zelle benötigt
• kann notwendig werden, weil sich beispielsweise der Teilnehmer über die Grenze zweier Nachbarzellen hinweg bewegt
• Gesprächsübergabe wird durch BSC gesteuert, MSC wird über erfolgten Handover informiert
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Kommunikation und verteilte Systeme
29Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Handover-Typen
Handover zwischen zwei Zellen verschiedener BSC-Bereiche (intercell)
Handover zwischen verschiedenen MSCs
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
BSC
MSC
MSC
4
4
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
BSCMSC
Anchor-MSC
4
4
• wird nötig, wenn durch Bewegung des Teilnehmers die Grenzen zwischen zwei BSC-Bereichen überschritten werden
• Gespräch wird in neuen BSC-Bereich geschaltet, verbleibt aber im Anschlussbereich desselben MSC
• Gesprächsübergabe wird durch MSC gesteuert
• wird nötig bei Wechsel zwischen Zellen, die unterschiedlichen MSCszugeordnet sind
• komplex, da komplette Verbindung zu einer anderen Vermittlungsstelle geschaltet werden muss
• Kontrolle liegt bei der entsprechenden Anchor-MSC
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Kommunikation und verteilte Systeme
30Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Betriebs- und Wartungs-Subsystem
• Dieses Subsystem (Operation Subsystem, OSS) 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
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Kommunikation und verteilte Systeme
31Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
GSM900 vs. GSM1800
GSM900 GSM1800
Frequenz (Uplink) 890 MHz - 915 MHz 1710 MHz - 1785 MHz
Frequenz (Downlink) 935 MHz - 960 MHz 1805 MHz - 1880 MHz
Duplexabstand 45 MHz 95 MHz
Bandbreite Up- und Downlink 2 x 25 MHz 2 x 75 MHz
Bandbreite eines Frequenzkanals 200 kHz 200 kHz
Zugriffsverfahren FDMA & TDMAFDMA & TDMA
Trägerfrequenzen 124 372
Zeitslots je Trägerfrequenz 8 8
Verkehrskanäle 992 2976
Bitrate 270,833 KBit/s 270,833 KBit/s
Modulationsverfahren GMSK GMSK
Zellradius 2 - 35 km 0,2 - 8 km
Leistung einer mobilen Station max. 20 Watt max. 1 Watt
Kriterium
Nettobitrate für Sprache 13 KBit/s 13 KBit/s
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32Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Das GSM-Protokoll
• Zugriffsverfahren: Kombination aus
� Frequenzmultiplexverfahren (FDMA/FDD)• Senden auf 124 Kanälen zu je 200 KHz zwischen 890 und 915 MHz• Empfangen auf 124 Kanälen zu je 200 KHz zwischen 935 und 960 MHz
� Zeitmultiplexverfahren (TDMA) mit Versetzung von Senden/Empfangen für eine Mobilstation um 3 Zeitslots, um keine vollduplex-fähige Sende-/ Empfangseinheit einsetzen zu müssen
f
t
124123122
1
124123122
1
20 MHz
200 kHz
890.2 MHz
935.2 MHz
915 MHz
960 MHz
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33Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
TDMA-RahmenFr
eque
nzbe
reich
Zeitbereich
GSM-TDMA-Rahmen
GSM-Zeitslot
4,615 ms
546,5 µs577 µs
3
935-960 MHz 124 Kanäle mit je 200 kHzAbwärtsrichtung
890-915 MHz
Höhere GSM-Rahmenstrukturen
124 Kanäle mit je 200 kHzAufwärtsrichtung
1 2 3 4 5 6 7 8
Schutz-zeit
Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten TailSchutz-
zeit3 bit57 1 26 1 57
GSM-Zeitslot: Burst und Schutzzeiten• Tail (000): definierter Start und
Schluss des Bursts• Training: bitgenaue
Synchronisation des Burstsdurch vorher bekannte Bitfolge zur Anpassung des Empfängers an die derzeitigen Signalausbreitungsverhältnisse und zum Ermitteln des stärksten Signals bei Mehrwegausbreitung
• S (Signalisierung): Anzeige des Inhalts der Nutzdatenfelder: Nutzdaten/Steuerdaten
(optional: slow frequency hoppingnach jedem TDMA-Rahmen zurVermeidung eines frequenz-abhängigen Signalschwunds)
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34Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Rahmenhierarchie
0 1 2 2045 2046 2047...
Hyperframe
0 1 2 48 49 50...
0 1 24 25...
Superframe
0 1 24 25...
0 1 2 48 49 50...
0 1 6 7...
Multiframe
Frame
burst
slot
577 µs
4,615 ms
120 ms
235,4 ms
6,12 s
3 h 28 min 53,76 s
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35Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Sicherheit in GSM
• Sicherheitsdienste
� Zugangskontrolle / Authentifikation
• Teilnehmer ⇔ SIM (Subscriber Identity Module): Geheimnummer (PIN)
• SIM ⇔ Netzwerk: Challenge-Response-Verfahren� Vertraulichkeit
� Anonymität• Sprache und Signalisierungsdaten werden nach
erfolgreicher Authentifikation verschlüsselt übertragen
• Temporäre Teilnehmerkennung TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity)
• Bei jedem Location Update neu vergeben
• Verschlüsselt übertragen• 3 Algorithmen in GSM spezifiziert:
� A3 zur Authentisierung („geheim“, Schnittstelle offengelegt)� A5 zur Verschlüsselung (standardisiert)
� A8 zur Schlüsselberechnung („geheim“, Schnittstelle offengelegt)
„geheim“:• A3 und A8 inzwischen im Internet verfügbar• Betreiber können auch stärkere Verfahren einsetzen
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36Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Datendienste in GSM
Ursprünglich Übertragung mit lediglich 9.6 KBit/s möglich•Fortgeschrittene Kanalcodierung erlaubt 14.4 KBit/s
•Immer noch zu wenig für Internet- und Multimedia-Anwendungen
Daher: UMTS als „3G-Netz“: Vereinigung von Daten uns Sprache in einem Netz•Aber: neue Software, neue Hardware, neue Endgeräte, …
•Notbehelfe für GSM wurden konzipiert
„2.5G-Netze“ als Übergangslösung hin zu UMTS•HSCSD als Software-Lösung
•GPRS als Hardware-Lösung•EDGE als 3G-Lösung in einem 2G-Netz
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37Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
HSCSD
HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data)• Zusammenfassung mehrerer Zeitkanäle für höhere AIUR (Air Interface User Rate,
bis zu 57.6 KBit/s bei 4 Slots zu 14.4 KBit/s)• Symmetrische (je 2 Zeitkanäle für Up- und Downlink) und asymmetrische (3 + 1
Kanäle) Kommunikation werden unterstützt
• Hauptsächlich Software-Aktualisierung zur Realisierung dieser Zusammenfassung• Vorteil: schneller verfügbar, kontinuierliche Qualität, einfach
• Nachteil: verbindungsorientiert, Kanäle sind für Sprache blockiert, Signalisierung für mehrere Kanäle nötig
AIUR [kbit/s] TCH/F4.8 TCH/F9.6 TCH/F14.44.8 19.6 2 1
14.4 3 119.2 4 228.8 3 238.4 443.2 357.6 4
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38Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
GPRS
GPRS (General Packet Radio Service)• Paketorientierte Datenübertragung, auch nutzbar für Multicast• Anforderungsgesteuerte Bündelung von bis zu 8 Zeitslots eines TDMA-
Rahmens• Belegung der Zeitslots nur, wenn Daten vorhanden (z.B. 50 KBit/s bei
kurzfristiger Belegung von 4 Slots)• Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexibler• Nachteil: mehr Investitionen (neue Hardware), Engpass auf der
Luftschnittstelle bei starker Nachfrage
�GSN (GPRS Support Nodes): GGSN and SGSN
� GGSN (Gateway GSN): Umsetzung zwischen GPRS und PDN (Packet Data Network)
� SGSN (Serving GSN): Unterstützung der Mobilstation(Lokalisierung, Abrechnung, Sicherheit)
� GR (GPRS Register): Verwaltung von Benutzeradressen
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Kommunikation und verteilte Systeme
39Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
GPRS – Architektur-Erweiterungen
HLRGR VLR
PSTNISDNMSC GMSC
4
4
4 NSS
RSS
GPRS
EIRAUC
OSS
BSC
PCU
SGSNPDNGGSN
AUC: Authentication CenterBSC: Base Station ControllerEIR: Equipment Identity RegisterGMSC: Gateway Mobile Switching CenterHLR: Home Location RegisterMSC: Mobile Switching CenterVLR: Visitor Location Register
GGSN: Gateway GPRS Support NodeGR: GPRS RegisterPCU:SGSN: Serving GPRS Support Node
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40Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
GPRS-Nutzerdatenraten [KBit/s]
171,2149,8128,410785,664,242,821,4CS-4
124,8109,293,67862,446,831,215,6CS-3
107,293,880,46753,640,226,813,4CS-2
72,463,3554,345,2536,227,1518,29,05CS-1
8 Zeit-schlitze
7 Zeit-schlitze
6 Zeit-schlitze
5 Zeit-schlitze
4 Zeit-schlitze
3 Zeit-schlitze
2 Zeit-schlitze
1 Zeit-schlitz
(Fehler-)Kodierung
CS-1 bis CS-4: Abnehmende Fehlersicherung
• Dynamische Wahl der Kodierung
• Basierend auf Messungen der Signal-qualität (und der angestrebten QoS)
• Der Nutzer erhält so die höchstmögliche Datenrate
Position
Datenrate
CS-1CS-2
CS-3 CS-4
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41Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
Vorteile von GPRS
„Always connected“• Lange Dauern für den Verbindungsaufbau werden eliminiert
• Übertragung der Daten in Echtzeit• Abrechnung nach Datenvolumen, nicht nach Dauer der Verbindung• Robuste Verbindung
� Die Codierung basiert auf der Signalqualität
� Bereits der BSS prüft die Korrektheit der Daten und initiiert ggfs. eine Neuübertragung
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42Kapitel 3.4: Drahtlose Telekommunikationssysteme
EDGE
EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution)
•Bis zu 384 KBit/s durch fortgeschrittene Modulationstechniken (8PSK statt GMSK)•Übertragungswiederholung: Kodierungswechsel zur Anpassung an Kanalqualität•Baut auf bestehendem GSM/GPRS-System auf:
� Neue Transceiver werden benötigt (Hardware-Upgrade im BSS)
� Software-Upgrade BSS und BSC� Neue Endgeräte (8PSK)
� Keine Änderungen im Kernnetz!� Billige Alternative zu UMTS?