Mobilkommunikationsnetze - GSM/UMTS · GSM – Architektur • RSS (Radio Subsystem) – „Mobilfunk“ – Mobile Station (MS) – Base Station Subsystem (BSS) oder Radio Access

MobilkommunikationsnetzeVorlesung

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Prof. Dr.-Ing. habil. Andreas Mitschele-ThielFachgebiet Integrierte Kommunikationssystemewww.tu-ilmenau.de/iks

Mobilkommunikationsnetze- GSM/UMTS -

Vorlesung

Andreas Mitschele-Thiel


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GSM• Global System for Mobile Communications• Dienste:

– Sprache• leitungsvermittelt• Versch. Sprachcodecs (FR, HR, EFR, AMR, AMR-WB)• Bandbreite Sprachsignal: 3,4 - 7 kHz (abh. von Codec)

– Daten• ursprünglich: 1,2 kBit/s leitungs-/9,6 kBit/s paketvermittelt• heute: GPRS bis 171,2 kBit/s (theoretisch, praktisch meist

weit darunter)– Zusatzdienste

• SMS• Fax• …


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GSM – Architektur

GSM Radio Access Network

BSCBTS

GSM Core Network(leitungs-

vermittelt)

MSC

GMSC

ISDN

HLR, AuC, EIR


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GSM – Architektur• RSS (Radio Subsystem)

– „Mobilfunk“– Mobile Station (MS)– Base Station Subsystem (BSS) oder Radio Access

Network (RAN)• Base Transceiver Station (BTS)• Base Station Controller (BSC)

• NSS (Network and Switching Subsystem)– Anbindung/Switching von Verbindungen, Handover– Mobile Services Switching Center (MSC)– Location Registers (LR): HLR, VLR


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GSM – Architektur• OSS (Operation Subsystem)

– Netzbetrieb & -überwachung– Operation and Maintenance Center (OMC)– AuC (Authentication Center)– Equipment Identity Register (EIR)


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GSM – Funknetz• 14 Frequenzbänder (380-1900 Mhz) in Deutschland gebräuchlich: 900 & 1800 MHz

• Zellenbasiertes Netz– Effizienzsteigerung– Wiederverwendung von Frequenzen– Zellgröße max. 35 km (technische Begrenzung durch

Laufzeitgrenzen, mit Erweiterungen ~120 km)– Handover an der Zellgrenze Überlappung notwendig

• Medienzugriff kombiniert SDMA, FDMA & TDMA


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GSM – Medienzugriff – SDMA• Netzaufteilung in Zellen• Wiederverwendung von Ressourcen (Frequenzen,

Zeitslots)


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GSM – Medienzugriff – FDMA• FDD für Duplexzugriff (Beispiel GSM-900: 890,2-915

MHz Uplink, 935,2-960 MHz Downlink)• Aufteilung von Up- & Downlinkband in je 124 Kanäle

à 200 kHz

124

1

124

1

200 kHz

⁞

⁞

f

t

935,2 MHz - 960 MHz

890,2 MHz - 915 MHz

Downlink

Uplink


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GSM – Medienzugriff – TDMA• Aufteilung Kanäle in TDMA-Frames à 4,615 ms• Aufteilung TDMA-Frames in 8 Bursts pro Frame TDM-Kanal = 1 Burst pro Frame auf einem Kanal

• Verschiebung von Up- & Downlink um 3 Zeitschlitze keine duplexfähigen Transceiver notwendig

6 7 8 1 2 3 4 5

1 2 3 4 5 6 7 8

Downlink

Uplink


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GSM – Modulation/Codierung• Sprache mit 8 kHz, 8 Bit (ISDN) abgetastet 64 kBit/s• Kompression auf max. 13 kBit/s in Paketen von

260 Bit/20 ms (abhängig vom Sprachcodec)• Redundanzkodierung (22,8 kBit/s, 456 Bit/20 ms)• Bits in 3 Klassen nach Wichtigkeit unterteilt Ia (50 Bit),

Ib (132 Bit) & II (78 Bit)• Unterschiedliche Redundanzkodierung abhängig von

Bitklasse (Ia wichtigste, II ohne Redundanz)• Interleaving: Aufteilung kodierter 456-Bit-Blöcke auf

mehrere Bursts Schutz gegen kurzzeitige Störungen• Modulation mittels GMSK bzw. 8-PSK (EDGE)


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GSM – Details der Sprachcodierung (Full Rate)


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GSM – Modulation/Coding• GSM-Burst

• Training: definierte Sequenz zur Kanalabschätzung/ Anpassung des Dekoders

• Guard: insgesamt 8,25 Bit/30,5 µs Abstand zum Nachbar-Frame

• S: Anzeige, ob Nutz- oder Steuerdaten (getrennt für beide Burst-Hälften)

1 2 3 4 5 6 7 8

guard tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten tail guard

GSM-TDMA-Frame

3 Bit 57 Bit 26 Bit 57 Bit 3 Bit1 1


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GSM – Mobility Management• Lokalisierung

– Verfolgen/Auffinden von Endgeräten zum Verbindungsaufbau

• Rufaufbau– Aufbau einer Verbindung zum/vom mobilen Teilnehmer

• Handover– Wechsel der Funkzelle– Wechsel des MSC


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GSM – Mobility Management - Lokalisierung

HLRVLR 1VLR 2

MSC 1

MSC 2

Location Area 1 Location Area 2


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GSM – Mobility Management - Lokalisierung• Home Location Register (HLR)

– „Heimatdatenbank“ eines Endgerätes• Telefonnummer (Mobile Subscriber ISDN Number, MSISDN)• International Mobile Subscriber Identity (IMSI)• Verwaltungsinformationen (Tarifdetails, Berechtigungen,

Abrechnungsdaten etc.)• aktuellen Aufenthaltsort (zuständiges MSC & VLR Location

Area)• Visitor Location Register (VLR):

– aktuell notwendige Verwaltungsdaten• permanente IDs: IMSI, MSISDN, zuständiges HLR• temporäre IDs: Temporary MSI, Mobile Station Roaming

Number (MSRN)• Ggf. weitere Informationen zur Abwicklung des Dienstes

(Abrechnungsdaten, Berechtigungen etc.)


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GSM – MM – Rufaufbau vom Endgerät1. Verbindungs-

anforderung2. Sicherheitsprüfung3. Ressourcen-

prüfung Verfügbarkeit eines leitungs-vermittelten Kanals

4. Rufaufbau

VLR

GMSC MSCZiel

MS

Telefon-netz

BSS

3 3 3

2

4 1

4 1


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GSM – MM – Rufaufbau zum Endgerät1. Anrufer wählt Nummer des

GSM-Kunden2. Transport via Telefonnetz zu

Gateway MSC3. Identifikation HLR,

Signalisierung Verbindungsaufbau

4. Identifikation VLR, Abfrage MSRN

5. Identifikation zuständiges MSC, Rückmeldung an GMSC

6. Anruf an aktuelles MSC weiterleiten

7. Abfrage aktueller Status der MS

8. Paging der MS9. Antwort MS auf Rundruf

Identifikation passendes BSS10. Verbindungsaufbau

HLR VLR

GMSC MSCAnrufer

MS

Telefon-netz

BSS BSS BSS

1 2

3

4

5

6

7

8 8 8

910


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GSM – Mobility Management - Handover• HO-Entscheidung durch Netz basiert auf Messungen

der MS– Hysterese (Handover Margin) zur Vermeidung von Ping-

Pong-Effekten

Bisheriger Link

Neuer Link

HandoverMargin


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GSM – Mobility Management - Handover• Strategie „Make before break“

1. Verbindungsaufbau einschließlich Ressourcenreservierung an neuer Zelle

2. Verbindungsabbau in alter Zelle• Übergabe auf verschiedenen Ebenen möglich

– Intrazelle: Wechsel Funkfreqenz, BTS gleich– Intra-BSC: Wechsel BTS, BSC gleich– Intra-MSC: Wechsel BSC, MSC gleich– Inter-MSC: Wechsel zwischen zwei MSC Terminierung des Handovers „möglichst weit

draußen“ vermeidet Belastung des Core-Netzes


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clear cmd.clear cmd. HO completeHO complete

HO command HO command

GSM – MM - Handover• Beispiel: Wechsel des BSC

MS BTSold BSCold MSC BSCnew BTSnew

MessungMessung

HO-Entscheidung

HO required HO requestRessourcen-reservierung

ChannelactivationCA ACK

HO requestACK

HO command

HO accessEtablierung des neuen Funklinks

clear complete clear complete

Make

Break


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GSM – Security• Authentifizierung

– Nutzer ggü. SIM: PIN– SIM ggü. Netz: Challenge Response (A3)

• Verschlüsselung– Ableitung eines (identischen) Kodes für Verschlüsselung

(für Stromchiffre oder Blockchiffre) aus Zufallszahl und gemeinsamem Schlüssel (A5, versch. Versionen)

• Anonymität– IMSI wird nur bei Erstkontakt über Funk übertragen – ansonsten Verwendung der TMSI, die häufiger gewechselt

wird


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GSM – GPRS• General Packet Radio Service• Datendienst auf GSM-Basis

– Verwendung mehrerer Zeitschlitze pro Frame höhere Datenraten möglich

– Im Downlink keine explizite Reservierung von Ressourcen Funkressourcen werden belegt, wenn nötig

– Im Uplink Anforderung von Ressourcen durch Mobile und temporäre Zuweisung (Reservierung) durch Infrastruktur

– Zusätzliches, paketvermitteltes Kernnetz Evolutionspfad hin zu UMTS


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GSM – GPRS


BSCBTS


vermittelt)

MSC

GMSC

ISDN

GPRS Core Network(paket-

vermittelt)

SGSN

GGSN

Internet

HLR, AuC, EIR


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GSM-EDGE• Erhöhung der Datenrate auf bis zu 473,6 kBit/s (bei

Verwendung aller 8 Bursts)• Adaption der Modulation

– GMSK (GSM – 1 Bit/Symbol)– 8-PSK (3 Bit/Symbol)

• Adaption der Codierung (9 Codierschemata)• Verbesserung des Durchsatzes insb. bei sehr guten

Empfangsbedingungen• Komplexe Erweiterung von GSM


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UMTS• 3G-Netze als Nachfolger von GSM• 14 Frequenzbänder von 700-2600 Mhz• CDMA mit FDD oder TDD, 5 MHz Kanalbandbreite• paket- und leitungsvermittelte Dienste• Datenraten

– UMTS R99: bis 384 kBit/s im Downlink (je Nutzer)– High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA):

• 0,9 MBit/s (QPSK) • 21,1 MBit/s (64-QAM) • 42,2 MBit/s (64-QAM + MIMO)• bis zu 337,5 MBit/s durch Kanalbündelung (bei 8 x 5 MHz)


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UMTS R99 – Evolution von GSM


BSCBTS


vermittelt)

MSC

GMSC

ISDN

GPRS Core Network(paket-

vermittelt)

SGSN

GGSN

Internet

HLR, AuC, EIR

UTRAN

RNCNode B/Base Station


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UMTS R5 – IMS

GSM Edge Radio Access Network

BSCBTS

3G Core Network(paket-

vermittelt, IP-basiert)

SGSN

GGSN

Internet

HLR, AuC, EIR

UTRAN

RNCNode B/Base Station


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UMTS – Soft Handover

Node B 1 Node B 2

RNC


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UMTS – Soft Handover• Gleichzeitige Verbindung zu Funkzellen verschiedener

Node Bs (selber oder anderer RNC)• Vorteile

– Störungen durch Abschattung/Fading zwischen einzelnen Basistationen kaum korreliert geringe Wahrscheinlichkeit eines totalen Verbindungsverlustes

– nur eine erfolgreich empfangende Basisstation notwendig - Abregeln der Sendeleistung auf „beste“ Verbindung möglich

• Nachteile– Kombination im RNC (Schicht 1 und 2)

• Sonderfall Softer Handover: Soft Handover zwischen zwei Sektoren einer Basisstation effizientere Signalkombination möglich


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UMTS – Power Control• Problem: CDMA setzt ähnliche Empfangsstärke aller

Endgeräte an der Basisstation voraus unterschiedliche Pfadbedingungen machen Anpassung der Sendeleistung notwendig

• Beispiel: Inner Loop Power Control (ILPC) im Uplink– Rate 1500 Hz– Schätzung Signal-Rausch-Verhältnis durch Node B– Node B sendet Transmit Power Control Commands („up“

oder „down“ an Endgerät)– Endgerät passt Sendeleistung in voreingestellter

Schrittweite an– Ähnliches Verfahren im Downlink– Ziel: schneller Ausgleich wechselnder Kanalbedingungen

(Fast Fading)


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UMTS – Medienzugriff• CDMA-basierter Medienzugriff• Auf- und Abbau (Reservierung) von Kanälen nach

Bedarf durch Radio Resource Control (RRC) Protokoll• Kanalarten auf versch. Protokollschichten

– Radio Bearer: L2-Dienstzugangspunkt (L2-SAP)• Separate Kanäle für Nutz- und Steuerinformationen

(Signaling Radio Bearer)– Logische Kanäle: MAC-Dienstzugangspunkt

• Separate Kanäle für Nutz- und Steuerinformationen• Beispiel: Common Control Channel (CCCH) gemeinsamer

Kanal für Steuerdaten aller MS einer Zelle (bspw. Aushandeln von Funkressourcen)


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UMTS – Medienzugriff• Kanalarten (Fortsetzung)

– Transportkanäle: PHY-Dienstzugangspunkt• Broadcast Channel (BCH, Downlink)• Paging Channel (PCH, Downlink)• Forward Access Channel (FACH, Downlink)• Random Access Channel (RACH, Uplink)• Dedicated Channel (DCH) einem Teilnehmer zugeordneter

Kanal (bspw. für Sprachdaten)– Physikalische Kanäle: PHY-intern

• definiert durch– Trägerfrequenz– Scrambling und Channelization Code– ...


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UMTS – Cell Breathing• Zellgröße bei UMTS abhängig von Last

– Bestimmter Durchsatz bzw. Fehlerrate bei gegebenem Spreizfaktor nur bei bestimmtem Störspannungsabstand erreichbar

– Durch höhere Last in der Zelle (und ggf. Nachbarzellen) höhere Interferenz bei gleichbleibender Signalstärke geringerer Störspannungsabstand (SIR) SIR unterschreitet im Randbereich der Zelle kritischen Wert Pilotkanal der Zelle am Zellrand nicht mehr detektierbar Zellgrenze nach innen verschoben (Cell Breathing)


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L1

RLC

PDCP

MAC

E.g. , IP , PPP

Application

L1

RLC

PDCP

MAC L1

UDP/IP

GTP - U

L2

Relay

L1

UDP/IP L2

GTP - U

E .g. , IP , PPP

3G - SGSN UTRAN MS Iu-PS Uu Gn Gi

3G - GGSN

L1

UDP/IP

GTP -U

L2 L1

UDP/IP

GTP - U

L2

Relay

UMTS – Mobility Management• Tunneling von IP mittels GPRS Tunneling

ProtocolEnde-zu-Ende IP-Transport

IP-Tunnel zwischen SGSN und GGSN

IP-Tunnel zwischen RNC und SGSN

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