11
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? 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 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) 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)

07 - GSM - Lehrstuhl fuer Informatik * RWTH Aachen · GSM - Basis moderner Mobilfunksysteme • GSM steht mittlerweile für Global System for Mobile Communications • Einführung

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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?

Lehrstuhl für Informatik 4

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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)

Lehrstuhl für Informatik 4

Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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

Lehrstuhl für Informatik 4

Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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

Lehrstuhl für Informatik 4

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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Kommunikation und verteilte Systeme

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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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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Kommunikation und verteilte Systeme

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?