Funknetze Matthias Haupt

Transkript

1 Funknetze Matthias Haupt Wiss. Mitarbeiter im KAT Hochschule Harz, Wernigerode Folie 1

2 Inhalt 1. Einführung 2. Drahtlose Übertragung 1. Frequenzbereiche für Funkkommunikation 2. Frequenzregulierungen 3. Multiplextechniken 4. Modulationsverfahren 5. Zellenbasierte Systeme 3. Medienzugriffsverfahren 4. Telekommunikationssysteme 1. GSM 2. DECT 3. UMTS 5. Satellitensysteme 6. Drahtlose lokale Netze/WLAN/Bluetooth 7. RFID Folie 2

3 Literatur 1. J. Schiller: Mobilkommunikation, Addison-Wesley, München, Jung/Warnecke: Handbuch für die Telekommunikation, Springer Verlag, Berlin Preibisch: GSM-Mobilfunk-Übertragungstechnik, Schiele & Schön, Berlin, Fischer, Harald: RFID & Co. RFID / GSM / UMTS / WLAN Systeme 5. Schoblick, Robert: RFID Radio Frequency Identification 6. Herter, Nachrichtentechnik, Hanser Verlag, München, Bergmann/Gerhardt: Handbuch der Telekommunikation, Hanser Verlag, München 2000 Folie 3

4 Funknetze Kapitel 1: Einführung Mobilität und ihre Auswirkungen Geschichte der Mobilkommunikation Teilnehmerzahlen Forschungsbedarf Folie 4

5 Computer für das nächste Jahrhundert? Computer sind integriert klein, billig, beweglich, austauschbar - nicht mehr als eigenständige Einheit erkennbar Technik tritt in den Hintergrund Computer erkennen selbst wo sie sind und passen sich an Computer erkennen wo welcher Benutzer ist und verhalten sich entsprechend (z.b. Weiterleiten von Gesprächen, Fax) Fortschritte in der Technik höhere Rechenleistung auf kleinerem Raum flache, leichte Anzeigen mit niedriger Leistungsaufnahme neue Schnittstellen zum Benutzer wg. kleiner Abmessungen mehr Bandbreite pro Kubikmeter vielfältige drahtlose Netzschnittstellen: lokale drahtlose Netze, globale Netze, regionale Telekommunikationsnetze etc. ( Overlaynetzwerke ) Folie 5

6 Zwei Aspekte der Mobilität: Mobilkommunikation Benutzermobilität: Der Benutzer kommuniziert (drahtlos) zu jeder Zeit, an jedem Ort, mit jedermann. Gerätemobilität: Ein Endgerät kann zu einer beliebigen Zeit, an einem beliebigen Ort im Netz angeschlossen werden. Wireless vs. Mobile Beispiele stationäre Arbeitsplatzrechner Notebook im Hotel Funk LANs in nicht verkabelten Gebäuden Personal Digital Assistants (PDA) Der Wunsch nach mobiler Datenkommunikation schafft den Bedarf zur Integration von drahtlosen Netzen in bestehende Festnetze: im lokalen Bereich: Standardisierung von IEEE , ETSI (HIPERLAN) im Internet: Die Mobile IP-Erweiterung im Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM Folie 6

7 Fahrzeuge Anwendungen I Empfang von Nachrichten, Straßenzustand, Wetter, Musik via DAB persönliche Kommunikation über GSM Positionsbestimmung über GPS lokales Netz mit Fahrzeugen in der Umgebung zur Vermeidung von Unfällen, Leitsystem, Redundanz Fahrzeugdaten (z.b. bei Linienbussen, ICE) können vorab in eine Werkstatt übermittelt werden, dann schnellere Reparatur Notfälle Übermittlung von Patientendaten ins Krankenhaus vor der Einlieferung, aktueller Stand der Behandlung, Diagnose Ersatz der festen Infrastruktur bei Erdbeben, Orkanen, Feuer etc. Einsatz in Krisengebieten Folie 7

8 Typische Anwendung: Straßenverkehr UMTS, WLAN, DAB, GSM, TETRA,... Personal Travel Assistant, DAB, PDA, laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth, Folie 8

9 Anwendungen II Handelsvertreter direkter Zugriff auf Kundendaten in der Zentrale konsistente Datenhaltung über alle Mitarbeiter mobiles Büro Ersatz eines Festnetzes abgeschiedene Messstationen, z.b. Wetter, Flusspegel Flexibilität bei Messeständen Vernetzung historischer Gebäude Freizeit, Unterhaltung, Information Internet-Anschluss im Grünen tragbarer Reiseführer mit aktuellen Informationen vor Ort Ad-hoc Netzwerke für Mehrbenutzerspiele Folie 9

10 Umgebungsbewusstsein Ortsabhängige Dienste welche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der lokalen Umgebung Nachfolgedienste automatische Anrufweiterleitung, Übertragung der gewohnten Arbeitsoberfläche an den aktuellen Aufenthaltsort Informationsdienste push : z.b. aktuelle Sonderangebote im Supermarkt pull : z.b. wo finde ich Pizza mit Thunfisch Nachfolgen der Unterstützungsdienste Caches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. folgt dem mobilen Endgerät durch das Festnetz Privatheit wer soll Kenntnis über den Aufenthaltsort erlangen Folie 10

11 Mobile Endgeräte Pager nur Empfang sehr kleine Anzeigen einfache Textnachrichten PDA einfache Grafikanzeigen Handschrifterkennung vereinfachtes WWW Laptop voll funktionsfähig Standardanwendungen Sensoren, embedded systems Mobiltelefone Sprache, Daten einfache Textanzeigen Palmtops kleine Tastatur einfache Versionen der Standardprogramme L e i s t u n g Folie 11

12 Auswirkungen der Endgeräteportabilität Leistungsaufnahme begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ CV 2 f Datenverlust C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringert V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt f: Taktfrequenz, kann z.b. zeitweise gesenkt werden muss von vornherein mit eingeplant werden (z.b. Defekte) Stark eingeschränkte Benutzungsschnittstelle Kompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeit evtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen Eingeschränkter Speicher Massenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbar Flash-Speicher als Alternative Folie 12

13 Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen Höhere Fehlerraten durch Interferenzen Einstrahlung von z.b. Elektromotoren, Blitzschlag Restriktivere Regulierungen der Frequenzbereiche Frequenzen müssen koordiniert werden, die sinnvoll nutzbaren Frequenzen sind schon fast alle vergeben Niedrigere Übertragungsraten lokal einige Mbit/s, regional derzeit z.b. 2Mbit/s mit UMTS Höhere Verzögerungen, größere Schwankungen Verbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden Geringere Sicherheit gegenüber Abhören, aktive Attacken Luftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können vorgetäuscht werden Stets geteiltes Medium sichere Zugriffsverfahren wichtig Folie 13

14 Erfindungen und Entdeckungen Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetzt Heliographen, Flaggen ( Semaphore ), Zeiger 150 v.chr. Rauchsignale zur Kommunikation; von Polybius, Griechenland, berichtet 1794, Optischer Telegraph, Claude Chappe Hier ist vor allem der Einsatz von Funk von Interesse: 1831 Faraday demonstriert elektromagnetische Induktion J. Maxwell ( ): Theorie der elektromagnetischen Felder, Wellengleichungen (1864) H. Hertz ( ): Demonstriert experimentell den Wellencharakter der elektrischen Übertragung durch den Raum (1886 in Karlsruhe) Folie 14

15 Geschichte der drahtlosen Kommunikation I 1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) 1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten) 1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco 1920 Entdeckung der Kurzwelle durch Marconi Reflexion an der Ionosphäre kleinere Sender und Empfänger, ermöglicht durch die Erfindung der Vakuumröhre (1906, Lee DeForest und Robert von Lieben) 1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse Folie 15

16 Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) 1933 Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) 1958 A-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, Teilnehmer 1972 B-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz heraus (aber Aufenthaltsort der Mobilstation muß bekannt sein) ebenso in A, NL und LUX, Teilnehmer in D 1979 NMT, 450 MHz (Skandinavien) 1982 Start der GSM-Spezifikation Ziel: paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit Roaming 1983 Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone System, analog) 1984 CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone Folie 16

17 Geschichte der drahtlosen Kommunikation III 1986 C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation bis 2000 im Einsatz, Dienste: FAX, Modem, Datex-P, , 98% Flächendeckung 1991 Spezifikation des DECT-Standards Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) MHz, ~ m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1,2Mbit/s Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere Nutzer/km 2, Nutzung in 40 Ländern 1992 Start von GSM in D als D1 und D2, voll digital, 900MHz, 124 Trägerfrequenzen automatische Lokalisierung, Handover, zellular, Roaming in Europa - nun auch weltweit in über 150 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, Folie 17

18 Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1994 E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen, derzeit 11 Länder als Eplus in D (Ende % der Bevölkerung erreichbar) 1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network) ETSI, Standardisierung von Typ 1: 5,15-5,30GHz, 23,5Mbit/s Vorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5GHz) und 4 (17GHz) als drahtlose ATM-Erweiterungen (bis 155Mbit/s) 1997 Wireless LAN - IEEE IEEE-Standard, 2,4-2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s viele proprietäre Produkte schon früher 1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon Folie 18

19 Geschichte der drahtlosen Kommunikation V 1999 Weitere drahtlose LANs IEEE-Standard b, 2,4-2,5GHz, 11Mbit/s Bluetooth für Pikonetze, 2,4GHz, < 1Mbit/s Entscheidung über IMT-2000 Mehrere Familienmitglieder : UMTS, cdma2000, DECT,... Start von WAP (Wireless Application Protocol) Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy 2000 GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s Erste GPRS-Installationen mit bis zu 115,2kbit/s UMTS-Versteigerungen/-Schönheitswettbewerbe Höhenflug und erste Ernüchterung 2005 Start von UMTS Folie 19

20 1981: NMT : NMT : GSM Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick Mobiltelefone 1994: DCS 1800 analog digital 1991: CDMA 1983: AMPS 1991: D-AMPS 1993: PDC 2005?: UMTS/IMT-2000 Satelliten 1982: Inmarsat-A 1988: Inmarsat-C 1992: Inmarsat-B Inmarsat-M 1998: Iridium schnurlose Telefone 1980: CT0 1984: CT1 1987: CT : CT : DECT drahtloses LAN 199x: proprietär 1995/96/97: IEEE , HIPERLAN 2005?: MBS, WATM Folie 20

21 Zukunft: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000 M IMT-2000 Konzepte und Ziele M Rahmenwerk für Dienste M.817 IMT-2000 Netzwerkarchitektur M Satelliten in IMT-2000 M IMT-2000 für Entwicklungsländer M Anforderungen an die Luftschnittstellen M.1035 Rahmenwerk für Luftschnittstellen und Funktionen M.1036 Frequenzspektrum M.1078 M.1079 M.1167 M.1168 M.1223 M.1224 M.1225 Sicherheit in IMT-2000 Sprache/Daten im Sprachband Rahmenwerk für Satelliten Rahmenwerk für das Management Evaluation von Sicherheitsmechanismen Vokabular für IMT-2000 Evaluation der Übertragungstechniken Folie 21

22 Weltweite Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie Amerika Europa Japan andere total Folie 22

23 Mobiltelefone je 100 Einwohner 1999 Deutschland Griechenland Spanien Belgien Frankreich Niederlande Großbritannien Schweiz Irland Österreich Portugal Luxemburg Italien Dänemark Norwegen Schweden Finnland Folie 23

24 Mobilfunkmarkt in Deutschland Mobilfunkteilnehmer Endgeräteabsatz (Angaben in Millionen) Folie 24

25 Vereinfachtes Referenzmodell Anwendung Anwendung Transport Transport Netzwerk Netzwerk Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Funk Medium Folie 25

26 Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Dienstelokation neue Anwendungen, Multimedia adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl, Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Medienzugriff Multiplexing Medienzugangskontrolle Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen Folie 26

27 Kapitelübersicht Kapitel 11: Mobilitätsunterstützung Kapitel 10: Transportprotokolle Kapitel 9: Netzwerkprotokolle Kapitel 4: Telekommunikationssysteme Kapitel 5: Satelliten Systeme Kapitel 6: Broadcast Systeme Kapitel 7: Drahtlose LANs Kapitel 8: Drahtloses ATM Kapitel 3: Medienzugriff Kapitel 2: Technische Grundlagen Folie 27

28 Overlay-Netzwerke Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika Regionalnetze Vertikaler Handover Stadtnetze Campusnetze Horizontaler Handover Gebäudenetze Folie 28

29 Funknetze Kapitel 2: Technische Grundlagen Frequenzen Signale Antennen Signalausbreitung Multiplextechniken Spreizspektrumtechnik Modulationstechniken Zellenstrukturen Folie 29

30 Frequenzbereiche für die Kommunikation verdrillte Drähte Koaxialkabel Hohlleiter optische Übertragung 1 Mm 300 Hz 10 km 30 khz 100 m 3 MHz 1 m 300 MHz 10 mm 30 GHz 100 m 3 THz 1 m 300 THz VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF Infrarot Sichtbares UV Licht VLF = Very Low Frequency UHF = Ultra High Frequency LF = Low Frequency (Langwellen-Radio) SHF = Super High Frequency MF = Medium Frequency (Mittelwellen-Radio) EHF = Extra High Frequency HF = High Frequency (Kurzwellen-Radio) UV = Ultraviolettes Licht VHF = Very High Frequency (UKW-Radio) Zusammenhang zwischen Frequenz und Wellenlänge: = c/f mit Wellenlänge, Lichtgeschwindigkeit c 3x10 8 m/s, Frequenz f Folie

31 Frequenzbereiche für die Mobilkommunikation VHF-/UHF-Bereich für Mobilfunk handhabbare, einfache Fahrzeugantennen Ausbreitungsbedingungen vorhersehbar für zeitlich zuverlässige Verbindungen (wenig Überreichweiten, nicht zu stark reflektierte Wellen) Frequenzen ab SHF-Bereich für Richtfunkstrecken, Satellitenkommunikation überschaubare Antennenabmessungen mit starker Bündelwirkung größere Bandbreiten verfügbar Für drahtlose LANs Frequenzen ab UHF-Bereich bis SHF-Bereich geplant auch bis in EHF-Bereich Begrenzung durch Resonanz von Molekülen (Wasser, Sauerstoff etc.) damit starke witterungsbedingte Dämpfungen Folie 31

32 Frequenzen und Regulierungen Die ITU-R veranstaltet regelmäßig Konferenzen zur Aushandlung und Verwaltung der Frequenzbereiche (WRC, World Radio Conferences) Beispiele für Betriebsfrequenzen im Mobilkommunikationsbereich: Europe USA Japan Mobiltelefone Schnurlose Telefone Drahtlose LANs NMT MHz, MHz; GSM MHz, MHz; MHz, MHz CT MHz, MHz; CT MHz DECT MHz IEEE MHz HIPERLAN MHz AMPS, TDMA, CDMA MHz, MHz; TDMA, CDMA, GSM MHz, MHz; PACS MHz, MHz PACS-UB MHz IEEE MHz PDC MHz, MHz; MHz, MHz PHS MHz JCT MHz IEEE MHz Folie 32

33 Signale I Physikalische Darstellung von Daten Zeitabhängig oder ortsabhängig Signalparameter: Kenngrößen, deren Wert oder Werteverlauf die Daten repräsentieren Einteilung in Klassen nach Eigenschaften: zeitkontinuierlich oder zeitdiskret wertkontinuierlich oder wertdiskret Analogsignal = zeit- und wertkontinuierlich Digitalsignal = zeit- und wertdiskret Signalparameter periodischer Signale: Periode T, Frequenz f=1/t, Amplitude A, Phasenverschiebung Sinusförmige Trägerschwingung als spezielles periodisches Signal: s(t) = A t sin(2 f t t + t ) Folie 33

34 Fourier-Repräsentation periodischer Signale g( t) 1 2 c n1 a n sin(2nft ) n1 b n cos(2nft ) ideales periodisches Signal t 0 reale Komposition (basierend auf Harmonischen) t Folie 34

35 Signale II A [V] Verschiedene Darstellungen eines Signals: Amplitudenspektrum (Amplitude über Zeit) Frequenzspektrum (Amplitude oder Phase über Frequenz) Phasenzustandsdiagramm (Amplitude M und Phasenwinkel werden in Polarkoordinaten aufgetragen) A [V] Q = M sin (Quadrature) t[s] f [Hz] Zusammengesetzte Signale mittels Fourier-Transformation in Frequenzkomponenten aufteilbar Digitalsignale besitzen Rechteckflanken im Frequenzspektrum unendliche Bandbreite zur Übertragung Modulation auf analoge Trägersignale I = M cos (In-phase) Folie 35

36 Elektromagnetische Wellen Folie 36

37 Schwingkreis Folie 37

38 Offener Schwingkreis Folie 38

39 Dipolabstrahlung Folie 39

40 Feldverlauf u Folie 40

41 Nah- Fernfeld Folie 41

42 Feldwellenwiderstand Folie 42

43 Strahlungsleistung Folie 43

44 Poyntingvektor Folie 44

45 Frequenzbereiche Folie 45

46 Atmosphäre Folie 46

47 Reichweiten Folie 47

48 Antennen: isotroper Punktstrahler Abstrahlung und Aufnahme elektromagnetischer Felder Isotroper Punktstrahler strahlt Leistung in alle Richtungen gleichmäßig ab (nur theoretische Bezugsantenne) Reale Antennen haben eine Richtwirkung in Vertikal- und/oder Horizontalebene Veranschaulichung im Richtdiagramm (durch Leistungsmessung rund um die Antenne ermittelt) y z z x y x idealer isotroper Punktstrahler Folie 48

49 Antennen: einfache Dipole Technische Antennen sind keine isotropen Punktstrahler, aber z.b. Viertelwellenstrahler (auf gut leitendem Grund wie ein Fahrzeugdach) und Halbwellendipole Abmessung einer Antenne ist proportional zur Wellenlänge /4 /2 Beispiel: Richtdiagramm eines einfachen Dipols y y z x z x einfacher Dipol Seitenansicht (xy-ebene) Seitenansicht (yz-ebene) von oben (xz-ebene) Gewinn: maximale Leistung in Richtung der Hauptstrahlungskeule verglichen mit der Leistung eines isotropen Punktstrahlers (gleiche Durchschnittsleistung) Folie 49

50 Antennen: gerichtet und mit Sektoren Häufig eingesetzte Antennenarten für direkte Mikrowellenverbindungen und Basisstationen für Mobilfunknetze (z.b. Ausleuchtung von Tälern und Straßenschluchten) y y z x z x gerichtete Antenne Seitenansicht (xy-ebene) Seitenansicht (yz-ebene) von oben (xz-ebene) z z x x Sektorenantenne von oben, 3 Sektoren von oben, 6 Sektoren Folie 50

51 Antennen: Diversität Gruppierung von 2 oder mehr Antennen Antennenfelder mit mehreren Elementen Antennendiversität Umschaltung/Auswahl Empfänger wählt die Antenne mit dem besten Empfang Kombination Kombination der Antennen für einen besseren Empfang Phasenanpassung um Auslöschung zu vermeiden /2 /2 /4 /2 /4 /2 + + Grundfläche Folie 51

52 Signalausbreitungsbereiche Übertragungsbereich Kommunikation möglich niedrige Fehlerrate Erkennungsbereich Signalerkennung möglich keine Kommunikation möglich Interferenzbereich Signal kann nicht detektiert werden Signal trägt zum Hintergrundrauschen bei Sender Übertragung Erkennung Interferenz Entfernung Folie 52

53 Signalausbreitung Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht) Empfangsleistung nimmt mit 1/d² ab (d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger) Empfangsleistung wird außerdem u.a. beeinflußt durch Freiraumdämpfung (frequenzabhängig) Abschattung durch Hindernisse Reflektion an großen Flächen Streuung (scattering) an kleinen Hindernissen Beugung (diffraction) an scharfen Kanten Abschattung Reflektion Streuung Beugung Folie 53

54 Mehrwegeausbreitung Signal kommt aufgrund von Reflektion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an Sendesignal Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion) Interferenz mit Nachbarsymbolen Empfangssignal Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangen je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal Folie 54

55 Auswirkungen der Mobilität Übertragungskanal ändert sich mit dem Ort der Mobilstation und der Zeit Übertragungswege ändern sich unterschiedliche Verzögerungsbreite der Einzelsignale unterschiedliche Phasenlage der Signalanteile kurzzeitige Einbrüche in der Empfangsleistung (schnelles Fading) Zusätzlich ändern sich Entfernung von der Basisstation Hindernisse in weiterer Entfernung langsame Veränderungen in der (durchschnittlichen) Empfangsleistung (langsames Fading) schnelles Fading langsames Fading Folie 55

56 Multiplexen Multiplexen in 4 Dimensionen: Raum (r i ) Zeit (t) Frequenz (f) Code (c) Kanäle k i k 1 c k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 t c t Ziel: Mehrfachnutzung des gemeinsamen Mediums r 1 c f r 2 f Wichtig: Genügend große Schutzabstände nötig! t r 3 f Folie 56

57 Frequenzmultiplex Gesamte verfügbare Bandbreite wird in einzelne Frequenzabschnitte aufgeteilt Übertragungskanal belegt Frequenzabschnitt über gesamten Zeitraum Vorteile: keine dynamische Koordination nötig auch für analoge Signale c k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 f Nachteile: Bandbreitenverschwendung bei ungleichmäßiger Belastung unflexibel t Folie 57

58 Zeitmultiplex Kanal belegt gesamten Frequenzraum für einen gewissen Zeitabschnitt Vorteile: in einem Zeitabschnitt nur ein Träger auf dem Medium Durchsatz bleibt auch bei hoher Teilnehmerzahl hoch c k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 Nachteile: genaue Synchronisation nötig f t Folie 58

59 Zeit- und Frequenzmultiplex Kombination der oben genannten Verfahren Sendungen belegen einen Frequenzabschnitt für einen Zeitabschnitt Beispiel: GSM Vorteile: relativ abhörsicher Schutz gegen Störungen höhere Benutzerdatenraten als bei Codemultiplex möglich aber: genaue Koordination erforderlich t c k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 f Folie 59

60 Sendung ist durch persönlichen Code charakterisiert k 1 Codemultiplex k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 Alle Teilnehmer können zur selben Zeit im selben Frequenzabschnitt senden Vorteile: Bandbreiteneffizienz keine Koordination und Synchronisation notwendig Schutz gegen Störungen Nachteile: Benutzerdatenrate begrenzt komplex wegen Signalregenerierung Realisierung: Spreizspektrumtechnik t c f Folie 60

61 Digitale Modulation Modulation digitale Daten werden in eine analoges (Basisband-) Signal umgesetzt ASK, FSK, PSK - hier der Schwerpunkt Unterschiede in Effizienz und Robustheit Analoge Modulation verschieben des Basisbandsignals auf die Trägerfrequenz Motivation kleinere Antennen (z.b. /4) Frequenzmultiplex Mediencharakteristika Varianten Amplitudenmodulation (AM) Frequenzmodulation (FM) Phasenmodulation (PM) Folie 61

62 Modulation und Demodulation analoges Basisbandsignal digitale Daten digitale analoge Modulation Modulation Sender Trägerfrequenz analoge Demodulation analoges Basisbandsignal Synchronisation Entscheidung digitale Daten Empfänger Trägerfrequenz Folie 62

63 Digitale Modulationstechniken Modulation bei digitalen Signalen auch als Umtastung (Shift Keying) bezeichnet Amplitudenmodulation (ASK): technisch einfach benötigt wenig Bandbreite störanfällig t Frequenzmodulation (FSK): größere Bandbreite für Telefonübertragung t Phasenmodulation (PSK): komplexe Demodulation mit Trägerrückgewinnung relativ störungssicher t Folie 63

64 Fortgeschrittene FSK-Verfahren Bei FSK-Verfahren Bandbreite vom Abstand der Trägerfrequenzen abhängig Durch Vorverarbeitung und spezielle Demodulation kann der Abstand bis auf den halben Wert der Bitrate verringert werden MSK-Verfahren (Minimum Shift Keying) Bits werden auf zwei Kanäle aufgeteilt, die Bitdauer wird dabei verdoppelt Anhand der Bitwerte der beiden Kanäle werden die beiden Trägerfrequenzen mit ihrer Ausrichtung zugeordnet Höhere Trägerfrequenz führt während eines Bits eine halbe Schwingung mehr aus Äquivalent zu Offset-QPSK Weitere Bandbreiteneffizienz durch Gauß-Tiefpassfilter vor Modulator GMSK (Gaussian MSK), z.b. bei GSM, DECT eingesetzt Folie 64

65 Beispiel für MSK als Modulationstechnik Daten gerade Bits ungerade Bits Bit gerade ungerade Signal- h n n h wert niedere Frequenz hohe Frequenz h: hohe bzw. n: niedere Frequenz +: positive bzw. -: negative Ausrichtung MSK- Signal t Keine Phasensprünge! Folie 65

66 Fortgeschrittene PSK-Verfahren BPSK (Binary Phase Shift Keying): Bitwert 0: Sinusförmiges Signal Bitwert 1: negatives Sinussignal einfachstes Phasentastungsverfahren spektral ineffizient robust, in Satellitensystemen benutzt QPSK (Quaternary Phase Shift Keying): 2 Bits werden in ein Symbol kodiert Symbol entspricht phasenverschobenem Sinussignal weniger Bandbreite als bei BPSK benötigt komplexer Oft Übertragung der relativen Phasenverschiebung (weniger Bitfehler) DQPSK in z.b. IS-136, PHS Q Q 11 I I Folie 66

67 Quadraturamplitudenmodulation Quadraturamplitudenmodulation: kombiniertes Amplituden- und Phasenmodulationsverfahren Aufteilung von Bits oder Bitgruppen auf zwei Kanäle getrennte Amplitudenmodulation dieser Kanäle auf zwei um 90 phasenverschobene Träger, die dann addiert werden Q Möglichkeit, n Bits in ein Symbol zu kodieren 2 n diskrete Stufen, n=2 entspricht QPSK Bitfehlerrate steigt mit n, aber weniger Bitfehler als bei vergleichbaren PSK-Verfahren I 1000 Beispiel: 16-QAM (4 Bits entspr.einem Symbol) Die Symbole 0011 und 0001 haben gleiche Phase und unterschiedliche Amplitude und 1000 haben unterschiedliche Phase und gleiche Amplitude Folie 67

68 Spreizspektrumtechnik Problem bei Funkübertragung: frequenzabhängiges Fading löscht schmalbandige Signale für gewissen Zeitbereich aus Lösung: Signal mittels Codefolge auf breiteren Frequenzbereich spreizen Schutz gegen schmalbandige Auslöschungen und Störungen Störsignal Nebeneffekte: gespreiztes Nutzsignal Detektion im Empfänger Beseitigung eines Schmalbandstörers Nutzsignal Koexistenz mehrerer Nutzsignale ohne dynamische Koordination Abhörsicherheit Alternativen: Direct Sequence, Frequency Hopping gespreiztes Störsignal Folie 68

69 Auswirkungen von Spreizen und Interferenz dp/df dp/df Nutzsignal i) f ii) f breitbandige Interferenz schmalbandige Interferenz dp/df Sender dp/df dp/df iii) iv) v) f f f Empfänger Folie 69

70 Spreizen und frequenzselektives Fading Kanalqualität schmalbandige Kanäle Frequenz schmalbandige Signale Schutzabstand Kanalqualität gespreizte Kanäle gespreizte Signale Frequenz Folie 70

71 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) I XOR des Signals mit einer Pseudozufallszahl (chipping sequence) viele chips pro Bit (z.b. 128) resultiert in einer höheren Bandbreite des Signals Vorteile reduziertes frequenzabhängiges Fading in zellularen Netzen Basisstationen können den gleichen Frequenzbereich nutzen mehrere Basisstationen können das Signal erkennen und rekonstruieren weiche handover Nachteile exakte Leistungssteuerung notwendig t b 0 1 t c t b : Bitdauer t c : chip Dauer Nutzdaten XOR chipping sequence = resultierendes Signal Folie

72 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) II Nutzdaten X gespreiztes Signal Modulator übertragenes Signal chipping sequence Sender Korrelator empfangenes Signal Demodulator Tiefpassgefiltertes Signal X Produkt Integrator Summen Entscheidung Nutzdaten Trägerfrequenz Trägerfrequenz chipping sequence Empfänger Folie 72

73 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) I Diskrete Wechsel der Trägerfrequenz Sequenz der Frequenzwechsel wird durch Pseudozufallszahlen bestimmt Zwei Versionen Vorteile schneller Wechsel (fast hopping) mehrere Frequenzen pro Nutzdatenbit langsamer Wechsel (slow hopping) mehrere Nutzdatenbits pro Frequenz frequenzselektives Fading und Interferenz auf kurze Perioden begrenzt einfache Implementierung nutzt nur schmalen Bereich des Spektrums zu einem Zeitpunkt Nachteile nicht so robust wie DSSS einfacher abzuhören Folie

74 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) II t b Nutzdaten f f 3 f 2 f 1 f f 3 f 2 f t d t d t b : bit period t t t t d : dwell time slow hopping (3 bit/hop) fast hopping (3 hops/bit) Folie 74

75 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) III Nutzdaten Modulator schmalbandiges Signal Modulator gespreiztes Sendesignal Sender Frequenzsynthesizer Sprungsequenz Empfangssignal Demodulator schmalbandiges Signal Demodulator Nutzdaten Sprungsequenz Frequenzsynthesizer Empfänger Folie 75

76 Zellenstruktur Realisierung des Raummultiplex: Basisstationen decken jeweils gewissen räumlichen Bereich (Zelle) ab Mobilstationen kommunizieren ausschließlich über Basisstationen Vorteile der Zellenstruktur: mehr Kapazität, mehr Teilnehmer erreichbar weniger Sendeleistung notwendig robuster gegen Ausfälle überschaubarere Ausbreitungsbedingungen Probleme: Netzwerk zum Verbinden der Basisstationen Handover (Übergang zwischen zwei Zellen) notwendig Störungen in andere Zellen Konzentration in bestimmten Bereichen Zellengröße von 500 m (Stadt) bis 35 km (ländliches Gebiet) bei GSM (auch kleiner bei höheren Frequenzen) Folie 76

77 Frequenzplanung I Frequenzen können nur bei genügend großem Abstand der Zellen bzw. der Basisstationen wiederverwendet werden Modell mit 7 Frequenzbereichen: Feste Kanalzuordnung: bestimmte Menge von Kanälen fest gewisser Zelle zugeordnet Problem: Wechsel in Belastung der Zellen Dynamische Kanalzuordnung: Kanäle einer Zelle werden nach bereits zugeordneten Kanälen der benachbarten Zellen gewählt mehr Kapazität in Gebieten mit höherer Nachfrage auch Zuordnung aufgrund von Interferenzmessungen möglich k4 k3 k5 k1 k2 k3 k6 k7 k2 k4 k5 k Folie 77

78 Frequenzplanung II f 3 f 1 f 2 f 3 f 2 f 1 f 3 f 2 f 1 f 2 f 3 f 1 f 1 f 3 f 2 3 Zellen/Cluster f 3 f 3 f 3 7 Zellen/Cluster f 2 f 4 f 5 f 1 f 3 f 2 f 3 f 2 f 6 f 7 f 4 f 5 f 3 f 7 f 1 f 6 f 5 f 2 f 2 f 2 f 2 f f 1 3 h f 3 h f 3 h 2 h 2 1 h g h 3 g 1 g 3 g 3 f 1 f 1 g 2 g g 2 1 g g Zellen/Cluster plus 3 Sektoren/Zelle Folie 78

79 Funknetze Kapitel 3 : Medienzugriff Motivation SDMA, TDMA, FDMA Aloha Reservierungsverfahren Kollisionsvermeidung, MACA Polling CDMA im Detail SAMA Vergleich Folie 79

80 Motivation Können Medienzugriffsverfahren von Festnetzen übernommen werden? Beispiel CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Senden, sobald das Medium frei ist, hören, ob eine Kollision stattfand (ursprüngliches Verfahren im Ethernet IEEE802.3) Probleme in drahtlosen Netzen Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab CS und CD würden beim Sender eingesetzt, aber Kollision geschieht beim Empfänger Kollision ist dadurch unter Umständen nicht mehr beim Sender hörbar, d.h. CD versagt weiterhin kann auch CS falsche Ergebnisse liefern, z.b. wenn ein Endgerät versteckt ist Folie 80

81 Motivation - Versteckte und ausgelieferte Endgeräte Verstecktes Endgerät A sendet zu B, C empfängt A nicht mehr C will zu B senden, Medium ist für C frei (CS versagt) Kollision bei B, A sieht dies nicht (CD versagt) A ist versteckt für C Ausgeliefertes Endgerät A B C B sendet zu A, C will zu irgendeinem Gerät senden (nicht A oder B) C muß warten, da CS ein besetztes Medium signalisiert da A aber außerhalb der Reichweite von C ist, ist dies unnötig C ist B ausgeliefert Folie 81

82 Motivation - Nahe und ferne Endgeräte Endgeräte A und B senden, C soll empfangen die Signalstärke nimmt quadratisch mit der Entfernung ab daher übertönt das Signal von Gerät B das von Gerät A C kann A nicht hören A B C Würde beispielsweise C Senderechte vergeben, so könnte B die Station A rein physikalisch überstimmen Auch ein großes Problem für CDMA-Netzwerke - exakte Leistungskontrolle notwendig! Folie 82

83 Zugriffsverfahren SDMA/FDMA/TDMA SDMA (Space Division Multiple Access) Einteilung des Raums in Sektoren, gerichtete Antennen vgl. Zellenstruktur FDMA (Frequency Division Multiple Access) zeitlich gesteuerte Zuordnung eines Übertragungskanals zu einer Frequenz permanent (z.b. Rundfunk), langsames Springen (z.b. GSM), schnelles Springen (FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum) TDMA (Time Division Multiple Access) zeitlich gesteuertes Zugriffsrecht eines Übertragungskanals auf eine feste Frequenz Die bereits vorgestellten Multiplexverfahren werden hier also zur Steuerung des Medienzugriffs eingesetzt! Folie

84 FDD/FDMA - hier am Beispiel GSM 960 MHz f MHz 915 MHz MHz 200 khz MHz 1 t Folie 84

85 TDD/TDMA - am Beispiel DECT 417 µs Abwärtsrichtung Aufwärtsrichtung t Folie 85

86 Verfahren zufällig, nicht zentral gesteuert, Zeitmultiplex Aloha Slotted Aloha führt zusätzlich gewisse Zeitschlitze ein, in denen ausschließlich gesendet werden darf. Sender A Sender B Kollision Aloha/Slotted Aloha Sender C Slotted Aloha Kollision t Sender A Sender B Sender C t Folie 86

87 DAMA - Demand Assigned Multiple Access Ausnutzung des Kanals bei Aloha (18%) und Slotted Aloha (36%) nur sehr gering (Annahme von Poisson-Verkehr). Mit Hilfe von Vorabreservierung kann dies auf 80% erhöht werden. Sender reserviert einen zukünftigen Zeitschlitz innerhalb dieses Zeitschlitzes kann dann ohne Kollision sofort gesendet werden dadurch entsteht aber auch eine höhere Gesamtverzögerung typisch für Satellitenstrecken Beispiele für Reservierungsalgorithmen: Explizite Reservierung nach Roberts Implizite Reservierung (Reservation-ALOHA) Reservation-TDMA Folie 87

88 Zugriffsverfahren DAMA: Explizite Reservierung Explizite Reservierung: Zwei Modi: ALOHA-Modus für die Reservierung: In einem weiter aufgegliederten Zeitschlitz kann eine Station Zeitschlitze reservieren. Reserved-Modus für die Übertragung von Daten in erfolgreich reservierten Zeitschlitzen (keine Kollision mehr möglich). Wesentlich ist, dass die in den einzelnen Stationen geführten Listen über Reservierungen miteinander zu jedem Punkt übereinstimmen, daher muss mitunter synchronisiert werden. Kollision Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Reserved Aloha Folie 88

89 Zugriffsverfahren DAMA: PRMA Implizite Reservierung (PRMA - Packet Reservation MA): Eine bestimmte Anzahl von Zeitschlitzen bilden einen Übertragungsrahmen, der sich zyklisch wiederholt. Stationen belegen einen (leeren) Zeitschlitz gemäß dem Slotted ALOHA -Prinzip. Ein einmal erfolgreich belegter Zeitschlitz bleibt in allen darauffolgenden Übertragungsrahmen der erfolgreichen Station zugewiesen, aber nur solange, bis diese den Zeitschlitz nicht mehr benötigt und dieser somit leer bleibt. Reservierung ACDABA-F ACDABA-F AC-ABAF- A---BAFD ACEEBAFD Zeitschlitz: Rahmen 1 Rahmen 2 Rahmen 3 Rahmen 4 Rahmen A C D A B A F A C A B A A B A F A B A F D A C E E B A F D t Kollision bei der Belegung Folie 89

90 Zugriffsverfahren DAMA: Reservation TDMA Reservation Time Division Multiple Access Ein Rahmen besteht aus N Minizeitschlitzen und x Datenzeitschlitzen. Jede Station hat ihren Minizeitschlitz und kann darin bis zu k Datenzeitschlitze reservieren (d.h. x= N * k). Im Daten-Teil des Rahmens können nicht benutzte Zeitschlitze gemäß Round-Robin-Methode von anderen Stationen mitverwendet werden. N Minischlitze N * k Datenschlitze z.b. N=6, k=2 Rahmen Reservierung für diesen Datenbereich freie Zeitschlitze können zusätzlich gemäß Round-Robin mitbenutzt werden Folie 90

91 MACA - Kollisionsvermeidung MACA (Multiple Access with Collision Avoidance) setzt kurze Signalisierungspakete zur Kollisionsvermeidung ein RTS (request to send): Anfrage eines Senders an einen Empfänger bevor ein Paket gesendet werden kann CTS (clear to send): Bestätigung des Empfängers sobald er empfangsbereit ist Signalisierungspakete beinhalten: Senderadresse Empfängeradresse Paketgröße Varianten dieses Verfahrens finden in IEEE als DFWMAC (Distributed Foundation Wireless MAC) Einsatz Folie 91

92 Vermeidung des Problems versteckter Endgeräte A und C wollen zu B senden A sendet zuerst RTS RTS C wartet, da es das CTS von B hört CTS MACA - Beispiele CTS A B C Vermeidung des Problems ausgelieferter Endgeräte B will zu A, C irgendwohin senden C wartet nun nicht RTS mehr unnötig, da es nicht das CTS von CTS A empfängt RTS A B C Folie 92

93 MACA-Variante: DFWMAC in IEEE Sender Empfänger Ruhe Ruhe ACK RxBusy time-out NAK; RTS Paket sendebereit; RTS Warte auf Senderecht time-out; RTS Daten; ACK time-out Daten; NAK RTS; CTS Warte auf Quittung CTS; Daten Warte auf Daten RTS; RxBusy ACK: positive Empfangsbestätigung NAK: negative Empfangsbestätigung RxBusy: Empfänger beschäftigt Folie 93

94 Pollingverfahren Falls empfangstechnisch möglich können mobile Endgeräte von einer Zentralstation nach einem bestimmten Schema nacheinander abgefragt werden (polling) hier können prinzipiell die gleichen Techniken wie in Festnetzen eingesetzt werden (vgl. Zentralrechner - Terminals). Beispiel: Randomly Addressed Polling Basisstation signalisiert Empfangsbereitschaft an alle mobilen Endgeräte sendebereite Endgeräte übertragen gleichzeitig kollisionsfrei eine Zufallszahl ( dynamische Adresse ) mit Hilfe von CDMA oder FDMA Basisstation wählt eine Adresse zur Abfrage der Mobilstation (Kollision möglich bei zufälliger Wahl der gleichen Adresse) Basisstation bestätigt den korrekten bzw. gestörten Empfang und fragt sofort nächste Station ab wurden alle Adressen bedient, so beginnt der Zyklus von neuem Folie 94

95 ISMA (Inhibit Sense Multiple Access) Aktuelle Belegung des Mediums wird durch einen Besetztton angezeigt auf der Verbindung von der Basisstation zu den mobilen Endgeräten zeigt die Basisstation an, ob das Medium frei ist oder nicht Endgeräte dürfen bei belegtem Medium nicht senden sobald der Besetztton aufhört, können die Endgeräte auf das Medium zugreifen Kollisionen bei diesem unkoordinierten Zugriff werden wiederum von der Basisstation über Bestätigungspakete und das Besetztzeichen an die Endgeräte gemeldet Verfahren wird beim Datendienst CDPD eingesetzt (USA, in AMPS integriert) Folie 95

96 Zugriffsverfahren CDMA CDMA (Code Division Multiple Access) alle Stationen operieren auf derselben Frequenz und nutzen so gleichzeitig die gesamte Bandbreite des Übertragungskanals Signal wird auf der Senderseite mit einer für den Sender eindeutigen Pseudozufallszahl verknüpft (XOR) Empfänger kann mittels bekannter Sender-Pseudozufallsfolge und einer Korrelationsfunktion das Originalsignal restaurieren Nachteil: höhere Komplexität der Implementierung wg. Signalregenerierung alle Signale müssen beim Empfänger gleich stark sein Vorteile: alle können auf der gleichen Frequenz senden, keine Frequenzplanung sehr großer Coderaum (z.b ) im Vergleich zum Frequenzraum Störungen (weißes Rauschen) nicht kodiert Vorwärtskorrektur und Verschlüsselung leicht integrierbar Folie 96

97 CDMA in der Theorie Sender A sendet A d = 1, Schlüssel A k = (setze: 0 = -1, 1 = +1) Sendesignal A s = A d * A k = (-1, +1, -1, -1, +1, +1) Sender B sendet B d = 0, Schlüssel B k = (setze: 0 = -1, 1 = +1) Sendesignal B s = B d * B k = (-1, -1, +1, -1, +1, -1) Beide Signale überlagern sich additiv in der Luft Störungen hier vernachlässigt (Rauschen etc.) A s + B s = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) Empfänger will Sender A hören wendet Schlüssel A k bitweise an (inneres Produkt) A e = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) A k = = 6 Ergebnis ist größer 0, daher war gesendetes Bit eine 1 analog B B e = (-2, 0, 0, -2, +2, 0) B k = = -6, also Folie 97

98 CDMA - auf Signalebene I Daten A Code A Code-Daten A Daten Code A d A k Signal A A s In der Praxis werden längere Schlüssel eingesetzt, um einen möglichst großen Abstand im Coderaum zu erzielen Folie 98

99 CDMA - auf Signalebene II Signal A A s Daten B Code B Code-Daten B Daten Code B d B k Signal B B s A s + B s Folie 99

100 CDMA - auf Signalebene III Daten A A d A s + B s A k (A s + B s ) * A k Integrator- Ausgabe Komparator- Ausgabe Folie 100

101 CDMA - auf Signalebene IV Daten B B d A s + B s B k (A s + B s ) * B k Integrator- Ausgabe Komparator- Ausgabe Folie 101

102 CDMA - auf Signalebene V A s + B s Falscher Code K (A s + B s ) * K Integrator- Ausgabe Komparator- Ausgabe (0) (0)? Folie 102

103 Aloha besitzt nur eine sehr geringe Effizienz, CDMA benötigt komplexe Empfänger, die Signale mit verschiedenen Codes gleichzeitig empfangen können. Idee: Anwenden von Spreizspektrumtechnik mit nur einem Code (Chipping-Sequence) für Sender nach dem Aloha-Prinzip Sender A Sender B SAMA - Spread Aloha Multiple Access 1 0 Spreizen des Signals mit z.b. der Sequenz ( CDMA ohne CD ) Kollision schmalbandig kürzer senden mit mehr Leistung Problem: Finden der richtigen Sequenz! t Folie 103

104 Vergleich SDMA/TDMA/FDMA/CDMA Verfahren SDMA TDMA FDMA CDMA Idee Teilnehmer Signaltrennung Vorteile Nachteile Bemerkung Einteilung des Raums in Zellen/Sektoren nur ein Teilnehmer kann in einem Sektor ununterbrochen aktiv sein Zellenstruktur, Richtantennen sehr einfach hinsichtlich Planung, Technik, Kapazitätserhöhung unflexibel, da meist baulich festgelegt nur in Kombination mit TDMA, FDMA oder CDMA sinnvoll Aufteilen der Sendezeiten in disjunkte Schlitze, anforderungsgesteuert oder fest Teilnehmer sind nacheinander für kurze Zeit aktiv im Zeitbereich durch Synchronisation etabliert, voll digital, vielfältig einsetzbar Schutzzeiten wegen Mehrwegausbreitung nötig, Synchronisation Standard in Festnetzen, im Mobilen oft kombiniert mit FDMA Einteilung des Frequenzbereichs in disjunkte Bänder jeder Teilnehmer hat sein Frequenzband, ununterbrochen im Frequenzbereich durch Filter einfach, etabliert, robust, planbar geringe Flexibilität, Frequenzen Mangelware heute kombiniert mit TDMA in z.b. GSM Bandspreizen durch individuelle Codes alle Teilnehmer können gleichzeitig am gleichen Ort ununterbrochen aktiv sein Code plus spezielle Empfänger flexibel, benöigt weniger Frequenzplanung, weicher handover komplexe Empfänger, benötigt exakte Steuerung der Sendeleistung einige Probleme in der Realität, geringere Erwartungen Folie 104

105 Funknetze Kapitel 4: Drahtlose Telekommunikationssysteme Märkte GSM Überblick Dienste Subsysteme Komponenten DECT TETRA UMTS/IMT Folie 105

106 Teilnehmer (x 1000) Weltweite Verteilung der Mobilfunksysteme Analog total GSM total CDMA total TDMA total PDC/PHS total total Folie 106

107 GSM: GSM: Überblick 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 160 Drittländer (z.b. in Asien, Afrika, Amerika) über 500 Millionen Teilnehmer in über 400 Netzen über 15 Milliarden SMS/Monat 70% aller digitalen Mobiltelefone, über 62% insgesamt! Folie 107

108 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 Folie 108

109 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 Folie 109

110 GSM-System bietet: GSM: Dienste (Mobile Services) 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) MS Trägerdienste TE R S MT U m GSM-PLMN Transit- Netzwerk (PSTN) Ursprungs-/ Zielnetzwerk z.b. GSM R S TE Teledienste Folie 110

111 Trägerdienste (Bearer Services) Telekommunikationsdienste, die Daten zwischen Benutzer-Netz- 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 Folie 111

112 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 Mobilfunknetz-betreiber obligatorisch; kostenlos bereitgestellt; Verbindung mit höchster Priorität (Verdrängung niederpriorer möglich). Multinumbering mehrere ISDN Telefonnummern pro Teilnehmer Folie 112

113 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. Für die Übertragung werden nur die Signalisierungskanäle benutzt. Dies erlaubt die simultane Nutzung der Basisdienste und des SMS Folie 113

114 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 Folie 114

115 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) Folie 115

116 GSM: Überblick NSS mit OSS OMC, EIR AUC HLR GMSC Festnetz VLR MSC VLR MSC BSC BSC RSS Folie 116

117 GSM: Netzelemente und Schnittstellen MS (Mobilstation) Funkzelle MS MS BSS BS (Basisstation) MSC (Mobilvermittlungseinrichtung) RSS (Radio Staion Subsystem) U m BTS Funkzelle MS BTS LRs (Aufenthaltsregister) BTS (Base Transceiver Station) BSS (Base Station Subsystem) BSC (Base Station Controller) VLR (Visitor Location Register) A bis HLR (Home Location Register) A BSC BSC IWF (Inter Working Functions) GMSC (Gateway MSC) MSC MSC EIR (Equipment Identity Register) NSS (Network Swiching Subsystem) VLR HLR O VLR GMSC IWF Signalisierung ISDN, PSTN PDN AUC (Authentification Center) OMC (Operating & Maintaining Center)) OSS (Operating Subsystem) EIR AUC OMC Folie 117

118 ZZK-7 GSM: Systemarchitektur im Überblick Funk- Subsystem Netzwerk- Subsystem Feste Partnernetze MS MS U m MSC ISDN PSTN BTS BTS A bis BSC EIR HLR BTS BTS BSS BSC A MSC IWF VLR ISDN PSTN PSPDN CSPDN Folie 118

119 Systemarchitektur: Funk-Subsystem Funk- Subsystem MS BTS BTS MS U m A bis BSC Netzwerk- Subsystem MSC Komponenten: MS (Mobile Station) BSS (Base Station Subsystem): Funkfeststation BTS (Base Transceiver Station): Sende-/Empfangsstation BSC (Base Station Controller): Zentrale Steuereinrichtung BTS BTS BSS BSC A MSC Schnittstellen: U m : Funkschnittstelle A bis : offen standardisierte Schnittstelle mit 16 kbit/s Submultiplex-Nutzkanälen A: offen standardisierte Schnittstelle mit 64 kbit/s Nutzkanälen (Transkodierung) Folie 119

120 ZZK-7 Systemarchitektur: Netzwerk-Subsystem MSC Netzwerk- Subsystem Feste Partnernetze ISDN PSTN Komponenten: MSC (Mobile Switching Center): Mobilvermittlungseinrichtung IWF (Interworking Functions) EIR HLR ISDN (Integrated Services Digital Network) PSTN (Public Switched Telephone Network) PSPDN (Packet Switched Public Data Net.) CSPDN (Circuit Switched Public Data Net.) MSC IWF VLR ISDN PSTN PSPDN CSPDN Datenbanken: HLR (Home Location Register): Heimatregister VLR (Visited Location Register): Aufenthaltsregister EIR (Equipment Identification Register): Geräteidentifikationsregister Folie 120

121 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 U m -Schnittstelle auf die terrestrischen Kanäle der A-Schnittstelle. BSS = BSC + Summe(BTS) + Übertragungssysteme Die Mobilfunkstationen (MS) werden als bewegliche Netzkomponenten gezählt Folie 121

122 GSM: Prinzip zellularer Netze Aufteilung des Versorgungsgebietes in Zellen: Zelle 1 technisch möglicher Funkversorgungsbereich 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 Folie 122

123 Flächendeckung Berlin ( D1 (GSM-900) Rund um Berlin D2 (GSM-900) e-plus (GSM-1800) Viag Interkom (GSM-1800) Folie 123

124 Flächendeckung Wernigerode D1 (GSM-900) Rund um Wernigerode D2 (GSM-900) e-plus (GSM-1800) Viag/O 2 (GSM-1800) Folie 124

125 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 BTS BSC Management der Funkkanäle X Frequenzspringen (FH) X X Management der terrestrischen Kanäle X Abbildung der Funk- und terrestrischen X Kanäle aufeinander Kanalcodierung / -decodierung X Ratenanpassung X Chiffrierung / Dechiffrierung X X Paging X X Messungen Uplink X Traffic X Mobility Management Authentifizierung Location Registration, Location UPdate X X Handover-Verwaltung / Ausführung X Folie 125

126 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 U m -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 MT R S U m Folie 126

127 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 Folie 127

128 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 Folie 128

129 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 Folie 129

130 Zeit-Vielfachzugriff (TDMA) MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Abwärtsrichtung MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen Zeitbereich GSM-TDMA-Rahmen ,615 ms GSM-Zeitschlitz Schutzzeit Schutzzeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail bit 546,5 µs 577 µs Folie 130

131 hyperframe GSM-Rahmenhierarchie 3 h 28 min 53,76 s superframe ,12 s multiframe ms 235,4 ms frame slot burst 4,615 ms 577 µs Folie 131

132 GSM Protokollschichten für die Signalisierung U m A bis A MS BTS BSC MSC CM CM MM MM RR LAPD m RR LAPD m BTSM LAPD RR BTSM LAPD BSSAP SS7 BSSAP SS7 Funk Funk PCM PCM PCM PCM 16/64 kbit/s 64 kbit/s / 2,048 Mbit/s Folie 132

133 Mobile Terminated Call 1: Ruf eines GSM Teilnehmers 2: Weiterleitung zum GMSC 3: Verbindungsaufbaunachricht zum HLR 4, 5: Anfrage der MSRN vom VLR 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 rufende Station PSTN 1 2 HLR 3 6 GMSC VLR MSC BSS BSS BSS MS Folie 133

134 Mobile Originated Call 1, 2: Verbindungsaufbauwunsch 3, 4: Sicherheitsüberprüfung 5-8: Resourcenüberprüfung 9-10: Verbindungsaufbau VLR PSTN 6 5 GMSC MSC 2 9 MS 1 10 BSS Folie 134

135 MTC/MOC MS MTC BTS paging request channel request immediate assignment paging response authentication request authentication response ciphering command ciphering complete setup call confirmed assignment command assignment complete alerting connect connect acknowledge data/speech exchange MS MOC BTS channel request immediate assignment service request authentication request authentication response ciphering command ciphering complete setup call confirmed assignment command assignment complete alerting connect connect acknowledge data/speech exchange Folie 135

136 4 Arten des Handover MS MS MS MS BTS BTS BTS BTS BSC BSC BSC MSC MSC Folie 136

137 Handover-Entscheidung BTS alt Empfangssignalstärke BTS neu HO_MARGIN MS Bewegung MS BTS alt Umschaltpunkt BTS neu Folie 137

138 Handover-Prozedur MS BTS alt BSC alt MSC BSC neu BTS neu Messbericht Messbericht HO command HO-Entscheidung HO required HO command HO command HO access Link establishment clear command clear command clear complete clear complete HO request Ressourcenreservierung ch. activation HO request ack ch. activation ack HO complete HO complete Folie 138

139 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 Diebstahl International Gerätekennung IMEI IMEI Code anzeigen : *#06# 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 Folie 139

140 Ablauf Authentisierung Mobilfunknetz SIM im AC (Access Control) K i RAND 128 bit 128 bit A3 SRES* 32 bit RAND RAND K i 128 bit 128 bit A3 SRES 32 bit auf SIM im MSC SRES* =? SRES SRES 32 bit SRES K i : individual subscriber authentication key SRES: signed response Folie 140

141 Ablauf Schlüsselbestimmung/Verschlüsselung Mobilfunknetz (BTS) MS mit SIM K i RAND RAND RAND K i im AC 128 bit 128 bit 128 bit 128 bit auf SIM A8 A8 cipher key in BTS K c 64 bit Datenblock A5 chiffrierte Datenblöcke K c 64 bit SRES Datenblock A5 MS Folie 141

142 Bis 2000 Übertragung mit lediglich 9,6 kbit/s möglich Datendienste in GSM I fortgeschrittene Kanalcodierung erlaubt 14,4 kbit/s zu wenig für Internet- und Multimedia-Anwendungen HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data) bereits eingeführt 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, AIUR [kbit/s] TCH/F4.8 TCH/F9.6 TCH/F14.4 einfacher Nachteil: 9.6 diese Kanäle 2 sind dann 1 für Sprache blockiert Folie 142

143 Datendienste in GSM II GPRS (General Packet Radio Service) paketorientierte Vermittlung Belegung der Zeitschlitze nur wenn Daten vorhanden (z.b. 115 kbit/s bei kurzfristiger Belegung von 8 slots) Standardisierung 98, Einführung 2001 Vorteil: Schritt in Richtung UMTS, flexibler Nachteil: mehr Investitionen 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 Folie 143

144 GPRS Dienstgüte Reliability class Lost SDU probability Duplicate SDU probability Out of sequence SDU probability Corrupt SDU probability Delay SDU size 128 byte SDU size 1024 byte class mean 95 percentile mean 95 percentile 1 < 0.5 s < 1.5 s < 2 s < 7 s 2 < 5 s < 25 s < 15 s < 75 s 3 < 50 s < 250 s < 75 s < 375 s 4 unspecified Folie 144

145 GPRS Architektur und Schnittstellen SGSN G n MS BSS SGSN GGSN PDN U m G b G n G i MSC HLR/ GR VLR EIR Folie 145

146 GPRS Protokollarchitektur MS U BSS m G SGSN b G GGSN n G i Anwend. IP/X.25 IP/X.25 SNDCP LLC SNDCP LLC GTP UDP/TCP GTP UDP/TCP RLC RLC BSSGP BSSGP IP IP MAC MAC FR FR L1/L2 L1/L2 Funk Funk Folie 146

147 DECT DECT (Digital European Cordless Telephone) ist ein von ETSI entwickelter Standard (ETS 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: 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: max. 200 m in Gebäuden Folie 147

148 DECT Systemarchitektur und Referenzmodell PA PA D 4 PT PT D 3 FT D 2 lokales Netz VDB D 1 HDB FT globales Netz lokales Netz Folie 148

149 Management DECT-Referenzmodell C-Ebene Signalisierung U-Ebene Anwendungsprozesse Starkt angelehnt an das OSI-Referenzmodell Managementebene schichtenübergreifend Netzwerkschicht OSI Schicht 3 Mehrere Dienste in der C(ontrol)- bzw. U(ser)- Plane vorhanden Verbindungssteuerung Verbindungssteuerung OSI Schicht 2 Medienzugriffssteuerung Bitübertragungsschicht OSI Schicht Folie 149

150 Schichtenarchitektur I Physical Layer Modulation/Demodulation des Funkträgers mit einem Bitstrom Erzeugt die physikalische Kanalstruktur mit festem Durchsatz Überwachung der Funkumgebung MAC Layer 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 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) Folie 150

151 Struktur des DECT-Zeitmultiplexrahmens 1 Frame = 10 ms 12 Down Slots 12 Up Slots Slot guard bit + 52µs Schutzzeit ( 60 bit ) in 0,4167 ms A: Netzsteuerung B: Benutzerdaten X: Übertragungsqualität sync D field A field B field X field ,6 kbit/s Simplex Bearer 32 kbit/s Protected Mode Unprotected Mode DATA 64 C 16 DATA 64 C 16 DATA DATA 64 C 16 DATA 64 C Folie 151

152 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 Folie 152

153 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 Folie 153

154 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) Festnetz DECT Festnetzbereich 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 Folie 154

155 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 bietet Voice+Data und Packet Data Optimized Dienste point-to-point und point-to-multipoint Gruppenrufe, Rundrufe, sehr schneller Gruppenverbindungsaufbau mehrere Frequenzen: MHz, MHz FDD, DQPSK ad-hoc und Infrastrukturnetzwerke Folie 155

156 TDMA Rahmenstruktur des voice+data Dienstes hyperframe ,2 s frame multiframe ,67 ms CF 1,02 s Control Frame 0 slot ,17 ms Folie 156

157 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 (UMTS 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: 2000 kbit/s) min. 384 kbit/s in den Vorstädten (Ziel: 8000kbit/s) bis zu 14 Mbit/s innerstädtisch Folie 157

158 IMT-2000 Familie UMTS Schnittstelle zum Übergang zwischen Netzwerken IMT-2000 Core Network ITU-T GSM (MAP) ANSI-41 (IS-634) IP-Netze freie Zuordnung von Core Network zu Radio Access IMT-2000 Radio Access ITU-R IMT-DS (Direct Spread) UTRA FDD (WCDMA) 3GPP IMT-TC (Time Code) UTRA TDD (TD-CDMA) 3GPP IMT-MC (Multi Carrier) cdma2000 3GPP2 IMT-SC (Single Carrier) UWC-136 (EDGE) UWCC/3GPP IMT-FT (Freq. Time) DECT ETSI Folie 158

159 Ergebnis Frequenzvergabe für UMTS am UTRA-FDD: Uplink MHz Downlink MHz Duplexabstand 190 MHz 12 Kanäle zu je 5 MHz UTRA-TDD: MHz, MHz; je 5 MHz Kanäle Abdeckung: 25% in der Bevölkerung bis 12/2003, 50% bis 12/2005 Summe: 99,3682 Mrd. DM Folie 159

160 Zuordnung der Frequenzblöcke bei UMTS Folie 160

161 UMTS-Dienste Folie 161

162 UMTS Architektur 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 U u I u UE UTRAN CN Folie 162

163 UMTS Bereiche und Schnittstellen I Home Network Domain Z u USIM Domain C u Mobile U u Access I u Equipment Network Domain Domain Serving Network Domain Y u 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 Folie 163

164 UMTS Bereiche und Schnittstellen II User Services 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-Ende- Verbindungen 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 Folie 164

165 UTRAN Architektur RNS RNC: Radio Network Controller RNS: Radio Network Subsystem UE 1 Node B I ub I u RNC CN UE 2 Node B UTRAN besteht aus mehreren RNS UE 3 Node B kann FDD, TDD oder beides unterstützen Node B Node B I ub I ur RNC RNC ist verantwortlich für Handover-Entscheidungen, die der Signalisierung zum UE bedürfen Node B Zelle bietet FDD oder TDD RNS Folie 165

166 UTRAN Funktionen Zugangskontrolle (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 Folie 166

167 720 ms 10 ms 666,7 µs 666,7 µs Superrahmen Rahmen Zeitschlitz Pilot TFCI FBI TPC 2560 chips, 10 bits Daten UMTS FDD Rahmenstruktur uplink DPCCH uplink DPDCH W-CDMA MHz uplink MHz downlink chipping rate: 3,840 Mchip/s soft handover Lokalisierung der MS (ca. 20 m Genauigkeit) komplexe Leistungssteuerung (1600 power control cycles/s) 666,7 µs 2560 chips, 10*2 k bits (k = 0...6) Daten 1 TPC TFCI Daten 2 Pilot DPDCH DPCCH DPDCHDPCCH 2560 chips, 10*2 k bits (k = 0...7) downlink DPCH 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 Folie 167

168 UMTS TDD Rahmenstruktur Rahmen 10 ms Zeitschlitz 666,7 µs Daten 1104 chips Midample 256 chips 2560 chips Daten 1104 chips GP traffic burst GP: Schutzzeit 96 chips W-TDMA/CDMA 2560 chips per slot symmetrische oder asymmetrische slot-zuweisung auf up/downlink genaue Synchronisation benötigt einfache Leistungskontrolle ( power control cycles/s) Folie 168

169 Core Network Das Kernnetz (Core Network, CN) und damit auch die I u - Schnittstelle sind logisch in zwei Bereiche geteilt: Circuit Switched Domain (CSD) Leitungsvermittelter Dienst inkl. Signalisierung Ressourcenreservierung beim Verbindungsaufbau GSM-Komponenten (MSC, GMSC, VLR) I u CS Packet Switched Domain (PSD) GPRS-Komponenten (SGSN, GGSN) I u PS Folie 169

170 Core Network: Aufbau BTS A bis BSS I u VLR B BSC MSC GMSC PSTN Node BTSB I u CS F D C EIR HLR Node B I ub G f G r G c Node B RNC SGSN G n GGSN G p Node B RNS I u PS CN Folie 170

171 VLR Core Network: Protokolle RNS MSC GSM-CS backbone GMSC PSDN/ ISDN HLR RNS Schicht 3: IP Schicht 2: ATM Schicht 1: PDH, SDH, SONET UTRAN SGSN GGSN GPRS backbone (IP) SS 7 CN PDN (X.25), Internet (IP) Folie 171

172 Mobilitätsunterstützung: Handover Von/zu anderen Systemen (z.b. UMTS nach GSM) 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 I u am SRNS Wechsel des SRNS führt zum Wechsel der I u Initiiert durch SRNS gesteuert durch RNC und CN SRNS UE I ur CN DRNS I u Folie 172

173 Mobilitätsunterstützung: Macro diversity Node B UE SRNC CN Node B Senden des gleichen Datenstroms über verschiedene physikalische Kanäle ermöglicht soft-handover nur im FDD-Modus uplink gleichzeitiges Empfangen der Daten des UE an verschiedenen Node B Wiedergewinnung des Datenstroms im Node B, SRNC oder DRNC downlink gleichzeitiges Senden der Daten in unterschiedlichen Zellen unterschiedliche Spreizcodes in verschiedenen Zellen Folie 173

174 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 Zellatmung Folie 174

175 Zellatmung: Beispiel Folie 175

176 Service-Profile Datenübertragung, Service Profile High Interactive MM High MM Medium MM Switched Data Simple Messaging Sprache Bandbreite 128 kbit/s 2 Mbit/s 384 kbit/s 14,4 kbit/s 14,4 kbit/s 16 kbit/s leitungsv. leitungsv. paketv. leitungsv. Virtual Home Environment (VHE) Transportmodus leitungsv. paketv. bidirektional, Bildtelefon asymetrisch, MM, downloads SMS-Nachfolger, Dienste nicht flächendeckend, max. 6 km/h 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 Folie 176

177 Einordnung: Zukunft Mobilfunknetze Terminal Mobilität schnell MBS mobil langsam UMTS GSM DECT SAMBA portabel WAND MEDIAN fest ISDN B-ISDN 10 kbit/s 2 Mbit/s 20 Mbit/s 30 Mbit/s 150 Mbit/s Folie 177

178 Funknetze WIMAX Folie 178

179 Mobile WiMAX enabling a variety of usage models in the same network HF-Technik Folie

180 Mobile WiMAX technology and network evolution roadmap HF-Technik Folie

181 WiMAX network reference model HF-Technik Folie

182 WiMAX network uses IP based simple protocol structure HF-Technik Folie

183 MAC/PHY protocol structure in mobile WiMAX release HF-Technik Folie

184 Frame structure and channelization for TDD system HF-Technik Folie

185 Mobile WiMAX TDD band classes HF-Technik Folie

186 Mobile WimAX PHY data rates HF-Technik Folie

187 Hierarchical overlay network HF-Technik Folie

188 Example WiMAX network with Femto-AP HF-Technik Folie

189 Hierarchical cell structure HF-Technik Folie

190 Geographical distribution of spectral efficiency in cells HF-Technik Folie

191 Funknetze Kapitel 5: Satellitensysteme Geschichte Grundlagen Lokalisierung Handover Routing Systeme Folie 191

192 Geschichte der Satellitenkommunikation 1945 Arthur C. Clarke veröffentlicht Aufsatz über Extra Terrestrial Relays 1957 erster Satellit SPUTNIK 1960 erster reflektierender Nachrichtensatellit ECHO 1963 erster geostationärer Satellit SYNCOM 1965 erster kommerzieller geostationärer Satellit Early Bird (INTELSAT I): 240 Duplex-Telefonkanäle oder 1 Fernsehkanal, Lebensdauer 1,5 Jahre 1976 drei MARISAT Satelliten für maritime Kommunikation 1982 erstes mobiles Satellitentelefonsystem INMARSAT-A 1988 erstes landmobiles Satellitensystem für Datenkommunikation INMARSAT-C 1993 erste digitale landmobile Satellitentelefonsysteme 1998 globale Satellitentelefonsysteme für Handys Folie

193 Einsatzgebiete für Satelliten traditionell: Wettersatelliten Rundfunk- und Fernsehsatelliten militärische Dienste Satelliten zur Navigation und Ortung (GPS) für Telekommunikation: weltweite Telefonverbindungen immer mehr von Glasfaser abgelöst Backbone für globale Netze Kommunikationsverbindungen in schwer zugänglichen Gebieten oder unterentwickelten Regionen (Verkabelung nur mit großem Aufwand möglich) weltweite Mobilkommunikation Satellitensysteme als Ergänzung zu zellularen Mobilfunksystemen Folie 193

194 Aufbau eines Satellitensystems Mobile User Link (MUL) Intersatellitenverbindung (ISL) Gateway Link (GWL) GWL MUL kleinere Zellen (Spotbeams) gesamtes Ausleuchtungsgebiet (Footprint) ISDN Bodenstation oder Gateway PSTN GSM PSTN: Public Switched Telephone Network Benutzerdaten Folie 194

195 Grundlagen Satelliten in kreisförmigen Umlaufbahnen Anziehungskraft F g = m g (R/r)² Zentrifugalkraft F c = m r ² m: Satellitenmasse R: Erdradius (R = 6370 km) r: Entfernung vom Erdmittelpunkt g: Erdbeschleunigung (g = 9.81 m/s²) : Winkelgeschwindigkeit ( = 2 f, f: Umlauffrequenz) Stabile Umlaufbahn F g = F c r 3 gr ( 2 f 2 ) Folie 195

196 Zusammenhang von Umlaufdauer und -bahn Geschwindigkeit [ x1000 km/h] Umlaufdauer [h] Synchrondistanz km x10 6 m Radius Folie 196

197 Grundlagen Umlaufbahnen (= Orbits) elliptisch oder kreisförmig bei kreisförmigen Orbits Umlaufdauer von Höhe über Erdoberfläche abhängig Inklination: Neigung des Orbits gegenüber dem Äquator Elevation: Erhebungswinkel des Satelliten über den Horizont Sichtverbindung (LOS = Line of Sight) zum Satelliten für Funkverbindung notwendig höhere Elevation besser, da weniger Abschattung durch Hindernisse Uplink: Verbindung Bodenstation - Satellit Downlink: Verbindung Satellit - Bodenstation meist getrennte Frequenzbereiche für Up- und Downlink Transponder zum Umsetzen der Signale auf andere Frequenz transparente Transponder: nur Frequenzumsetzung regenerative Transponder: zusätzlich Signalaufbereitung Folie 197

198 Ebene der Satellitenbahn Inklination Satellitenbahn erdnächster Punkt d Inklination d Äquatorialebene Folie 198

199 Elevation Elevation: Einfallswinkel für die Mitte der Strahlungskeule (bezogen auf die Erdoberfläche) minimale Elevation: kleinste Elevation, bevor ein neuer Satellit des Systems sichtbar wird e Folie 199

200 Übertragungsleistung von Satelliten Parameter wie Dämpfung oder empfangene Leistung werden von vier Werten bestimmt: Sendeleistung Antennengewinn (Sender) Abstand von Sender und Empfänger Antennengewinn (Empfänger) Probleme schwankende Signalstärke auf Grund der Mehrwegeausbreitung Signalunterbrechung auf Grund von Abschattungen (keine LOS) Mögliche Lösungen L: Loss f: carrier frequency r: distance c: speed of light 4 r f c Signalschwankungen können durch Leistungsreserven ausgeglichen werden Satelliten Diversität hilft bei geringerer Sendeleistung (Einsatz mehrerer gleichzeitig sichtbarer Satelliten) L Folie 200

201 Atmosphärische Dämpfung Abschwächung des Signals in % 50 Beispiel: Satellitensystem mit 4-6GHz 40 Absorption durch Regen e Absorption durch Nebel 10 Atmosphärische Absorption Elevation des Satelliten Folie 201

202 Satellitenorbits werden nach Art und Höhe des Orbits in vier Klassen eingeteilt: GEO: geostationärer Orbit in etwa km Höhe LEO (Low Earth Orbit) in km Höhe MEO (Medium Earth Orbit) oder ICO (Intermediate Circular Orbit) in km Höhe HEO (Highly Elliptical Orbit) elliptische Orbits Orbits I Folie 202

203 Orbits II GEO (Inmarsat) HEO LEO (Globalstar, Irdium) MEO (ICO) innerer und äußerer Van-Allen-Gürtel earth Van-Allen-Gürtel: ionisierte Teilchen in km Höhe (kein Satelliten- Betrieb möglich) km Folie 203

204 Geostationäre Satelliten Orbit in km Entfernung von der Erdoberfläche in der Äquatorebene (Inklination 0 ) Umlaufzeit beträgt 1 Tag, Satellit bewegt sich synchron mit Erddrehung feste Position der Antennen, kein Nachführen nötig Satellit leuchtet relativ großes Gebiet aus, Frequenzen dadurch schlecht wiederbenutzbar durch feste Position über Äquator schlechte Elevation in Breitengraden über 60 hohe Sendeleistungen nötig durch große Entfernung lange Laufzeit, ca. 275 ms ungeeignet für flächendeckende Mobilfunkversorgung, daher meist Rundfunk- und Fernsehsatelliten Folie 204

205 LEO-Systeme Orbit in km Höhe Sichtbarkeitsdauer eines Satelliten Minuten globale Funkversorgung möglich Laufzeit vergleichbar mit terrestrischen Weitverkehrsverbindungen, etwa 5-10 ms kleinere Ausleuchtungsgebiete, bessere Frequenznutzung Gesprächsübergabe (Handover) benötigt viele Satelliten für globale Funkversorgung nötig Frequenzänderung wg. Satellitenbewegung (Dopplereffekt) Beispiele: Iridium (Betriebsbeginn Sept. 1998, 66 Satelliten) Bankrott! Einstellung der Dienste: März 2000, dann Teilübernahme durch Militär, immer noch unsichere Zukunft Globalstar (Betriebsbeginn 2000, 48 Satelliten) Dezeit lediglich ca Kunden, Handys unter 10h Standby Folie 205

206 MEO-Systeme Orbit in km Höhe Vergleich mit LEO-Systemen: Geschwindigkeit des Satelliten langsamer weniger Satelliten benötigt weniger starker Doppler-Effekt Verbindungen meist ohne Handover möglich längere Laufzeiten, etwa ms höhere Sendeleistung nötig stärker bündelnde (= größere) Antennen für kleine Ausleuchtungsgebiete nötig Beispiele: ICO (Intermediate Circular Orbit, Inmarsat), Start geplant 2000, Bankrott! Zusammenarbeit mit Teledesic, Ellipso Start nun Folie 206

207 Routing Möglichkeit: Intersatellitenlinks (ISL) reduziert Anzahl erforderlicher Gateways Gespräche werden so weit wie möglich über Satelliten geführt (weniger Gebühren für terrestrische Netze) bei Verbindung zweier Mobilstationen nur ein Uplink und ein Downlink nötig Probleme: präzise Ausrichtung der Antennen komplex kompliziertes Regelungssystem wegen Eigenbewegung der Satelliten nötig höherer Treibstoffverbrauch kürzere Lebensdauer Iridium und Teledesic mit ISL geplant Andere Systeme benutzen Gateways und terrestrische Netze Folie 207

208 Lokalisieren von Mobilstationen Systeme benutzen ähnliche Mechanismen wie bei GSM In Bodenstationen oder Gateways werden Benutzerdaten abgelegt HLR (Home Location Register): Stammdaten des Teilnehmers VLR (Visitor Location Register): (letzter) Aufenthaltsort des TN SUMR (Satellite User Mapping Register): zugeordneter Satellit des TN Positionen aller Satelliten Anmeldung einer Mobilstation: Feststellen der Position durch den Satelliten Anforderung der Benutzerdaten im HLR Neuzuordnung des VLR und SUMR Anrufen einer Mobilstation: Feststellen der Position der Mobilstation über die Register Verbindungsaufbau über entsprechenden Satelliten Folie 208

209 Handover in Satellitensystemen In Satellitensystemen gibt es durch die Bewegung des Satelliten zusätzliche Situationen, in denen ein Handover notwendig ist: Intra-Satelliten-Handover von einem Spotbeam zum nächsten Mobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber in anderer Zelle Inter-Satelliten-Handover Handover von einem Satelliten zum nächsten Mobilstation nicht mehr im Footprint eines Satelliten Gateway-Handover Handover von einem Gateway zum nächsten Mobilstation noch im Footprint des Satelliten, aber Gateway nicht mehr in diesem Footprint Inter-System-Handover Handover zwischen Satellitennetz und terrestrischem Mobilfunknetz Wechsel der Netze möglich wegen Kosten oder Erreichbarkeit Folie 209

210 Übersicht über geplante/existierende Systeme Iridium Globalstar ICO Teledesic # Satelliten Höhe (km) ca. 700 Abdeckung global 70 Breite global global min. Elevation Frequenzen [GHz (circa)] 1,6 MS 29,2 19,5 23,3 ISL 1,6 MS 2,5 MS 5,1 6,9 2 MS 2,2 MS 5, ,8 62 ISL Zugriffsmethode FDMA/TDMA CDMA FDMA/TDMA FDMA/TDMA ISL yes no no yes Datenrate 2,4 kbit/s 9,6 kbit/s 4,8 kbit/s 64 Mbit/s 2/64 Mbit/s # Kanäle Lebensdauer [Jahre] Kosten (grobe Abschätzung) 5-8 7, ,4 Mrd 3 Mrd 4,5 Mrd 9 Mrd Bankrott... Übernahme Start 2000 Kunden? Bankrott... Zusammenschluss Verbund mit ICO Folie 210

211 Funknetze Kapitel 6: Bluetooth Geschichte Grundlagen Lokalisierung Handover Routing Systeme Folie 211

212 Bluetooth Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba - viele Mitglieder Anwendungen Anbindung von Peripheriegeräten Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer Unterstützung von ad-hoc-netzwerken kleine, billige Geräte Verbindung von Netzwerken e.g., GSM über Handy - Bluetooth - Laptop Grundidee: Einfacher, billiger Ersatz für IrDA, eingeschränkte Reichweite, niedrige Datenraten 2,4 GHz, FHSS, TDD, CDMA Folie 212

213 Zustände eines Bluetooth-Geräts (PHY-Schicht) STANDBY unconnected inquiry page connecting transmit connected active PARK HOLD SNIFF low power Folie 213

214 Synchronous Connection-Oriented link (SCO) symmetrisch, leitungsvermittelt, Punkt-zu-Punkt Asynchronous Connectionless Link (ACL) Bits Zugangscode Paketkopf Nutzdaten Bluetooth MAC-Schicht paketvermittelt, Punkt-zu-Mehrpunkt, Master fragt Stationen ab (polling) Zugangscode Synchronisation, abgeleitet vom Master, einzigartig pro Kanal Paketkopf 1/3-FEC, MAC Adresse (1 Master, 7 weitere Knoten), Verbindungstyp, Alternating-Bit ARQ/SEQ, Prüfsumme Bits MAC-Adresse Typ flow ARQN SEQN HEC Folie 214

215 Jedes Piconetz hat einen Master und bis zu 7 weitere Knoten Scatternets Der Master bestimmt die hopping sequence, die anderen Knoten müssen darauf synchronisieren Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige hopping sequence Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten, die zwischen Piconetzen hin- und herspringen Pikonetze Folie 215

216 Sicherheitsarchitektur bei IP Zwischen zwei oder mehreren kommunizierenden Partnern muss die Verwendung von Sicherheitsmechanismen abgestimmt werden. Alle Partner müssen die gleichen Verfahren und Parameter verwenden (Security Association). Für die Sicherung von IP-Nachrichten werden zwei Header definiert: Authentication-Header Sichert die Integrität und die Authentizität von IP- Datagrammen Bei Verwendung von asymmetrischen Verschlüsselungsverfahren wird auch die Nicht- Zurückweisbarkeit erfüllt IP-Header Encapsulation Security Payload Schützt die Vertraulichkeit zwischen zwei Kommunikationspartnern unverschlüsselter Teil IP-Header Authentification-Header Authentication-Header UDP/TCP-Paket UDP/TCP-Packet verschlüsselter Teil ESP-Header verschlüsselte Daten Folie 216

217 Sicherheitsarchitektur bei Mobile IP Für die Sicherung von Registrierungen wurde eine Mobile Security Association definiert, in der die Vereinbarungen zwischen dem mobilen Knoten, dem Heimatagenten und dem Fremdagenten getroffen werden. Erweiterungen der IP-Sicherheitsarchitektur Authentication-Erweiterung der Registrierung MH-FA-Auth. FA-HA-Auth. MH-HA-Authentication Registration Request Registration Request MH FA Registration Reply HA Registration Reply Verhindern des wiederholten Rücksendens von Registrierungen Zeitstempel: 32 bit Zeitstempel + 32 bit Zufallszahl Einmalwerte ( nonces ): 32 bit Zufallszahl (MH) + 32 bit Zufallszahl (HA) Folie 217

218 Schlüsselvergabe durch den Heimatagenten Der Heimatagent dient als Schlüsselverteilzentrale FA MH HA Antwort: E HA-FA {Sitzungsschlüssel} E HA-MH {Sitzungsschlüssel} Fremdagent unterhält Security Association mit Heimatagent Mobiler Knoten registriert eine neue Bindung mit dem Heimatagenten Heimatagent antwortet mit neuem Sitzungsschlüssel für Fremdagent und mobilem Knoten Folie 218

219 DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol Anwendung Vereinfachung der Installation und Verwaltung von vernetzten Rechnern liefert Rechnern notwendige Informationen über IP-Adresse, DNS-Server-Adresse, Domain-Namen, Subnetz-Masken, Router etc. damit weitgehend automatische Integration eines Rechners in das Internet bzw. Intranet Client/Server-Modell ein Client sendet via MAC-Broadcast eine DHCPDISCOVER Anfrage an einen DHCP-Server (unter Umständen über ein DHCP-Relay) DHCPDISCOVER Server Client Client Relay Folie 219

220 DHCP - Protokollmechanismen Server (nicht ausgewählt) Bestimmung der Konfiguration Client Initialisierung DHCPDISCOVER DHCPDISCOVER DHCPOFFER DHCPOFFER Sammeln der Antworten Auswahl der Konfiguration Server (ausgewählt) Bestimmung der Konfiguration DHCPREQUEST (reject) DHCPREQUEST (Optionen) DHCPACK Bestätigung der Konfiguration Initialisierung komplett Geregelter Abbau DHCPRELEASE Löschen des Kontexts Folie 220

221 DHCP Charakteristika Server mehrere Server können konfiguriert werden, Koordination z.zt. noch nicht standardisiert (d.h. manuelles Aufsetzen) Erneuerung der Konfiguration IP-Adressen müssen regelmäßig erneut angefordert werden, dafür existiert ein vereinfachtes Verfahren Optionen verfügbar für Router, Netzmaske, NTP (Network Time Protocol)-Timeserver, SLP (Service Location Protocol)- Verzeichnis, DNS (Domain Name System) Folie 221

222 Ad hoc-netzwerke Mobile IP braucht eine Infrastruktur Home Agent/Foreign Agent im Festnetz DNS, Routing etc. nicht für Mobilität ausgelegt Oft keine Infrastruktur vorhanden abgelegene Gegenden, spontane Treffen, Katastrophen auch Kosten können gegen eine Infrastruktur sprechen! Hauptproblem: Wegwahl keine Standard-Router vorhanden potentiell muss jeder Knoten weiterleiten können A B C Folie 222

223 Routing-Beispiel für ein ad-hoc-netzwerk N 1 N 2 N 3 N 1 N 2 N 3 N 4 N 5 N 4 N 5 Zeit = t 1 Zeit = t 2 gute Verbindung schlechte Verbindung Folie 223

224 Distance Vector Traditionelle Routing-Algorithmen periodischer Austausch mit den physikalischen Nachbarn wer über welche Distanz erreicht werden kann Auswahl des kürzesten Pfades bei Wegalternativen Link State periodische Benachrichtigung aller Router über den Zustand aller physikalischen Verbindungen Router erhalten also ein vollständiges Bild des Netzes Beispiel ARPA Packet Radio Network (1973), Einsatz von DV-Routing alle 7,5s Austausch der Routing-Tabelle mit Verbindungsqualität Aktualisierung der Tabellen auch durch Empfang von Paketen Routing-Probleme wurden versucht mit begrenztem Fluten zu lösen Folie 224

225 Probleme traditioneller Routing-Algorithmen Dynamik der Topologie häufige Änderung der Verbindungen, Teilnehmer, Verbindungsqualitäten systeminhärent Begrenzte Leistung der mobilen Geräte periodische Aktualisierungen der Routing-Tabellen benötigt viel Energie ohne Nutzdaten zu senden, Ruhemodus unmöglich ohnehin begrenzte Bandbreite der Geräte zusätzlich durch Austausch der Routing-Information geschmälert Verbindungen können asymmetrisch sein, d.h. richtungsabhängige Übertragungsqualitäten besitzen Problem Protokolle wurden für Festnetze mit relativ seltenen Änderungen entworfen und gehen meist von symmetrischen Verbindungen aus Folie 225

226 DSDV (Destination Sequenced Distance Vector) Erweiterung des Distance Vector Routing Sequenznummer für jede Routenaktualisierung Sicherstellung, dass Aktualisierungen in der richtigen Reihenfolge ausgeführt werden vermeidet dadurch Schleifen und Inkonsistenzen Dämpfung der Änderungen Speichern der Zeitdauer zwischen erster und bester Ankündigung eines Weges Zurückhalten einer Aktualisierung, wenn sie vermutlich nicht stabil ist (basierend auf der gespeicherten Zeit) Folie 226

227 Dynamic Source Routing I Trennung der Routing-Aufgabe in Auffinden und Aufrechterhalten Auffinden eines Weges nur wenn wirklich ein Weg zum Senden von Daten zu einem bestimmten Ziel benötigt wird und noch keiner vorhanden ist Aufrechterhaltung eines Weges nur während ein Weg aktuell benutzt wird, muss dafür gesorgt werden, dass er weiterhin funktioniert Keine periodischen Aktualisierungen notwendig! Folie 227

228 Auffinden eines Weges Dynamic Source Routing II Aussenden eines Broadcast-Pakets mit Zieladresse und Kennung bei Empfang eines Broadcast-Pakets falls Empfänger, dann Rücksendung an Absender falls Paket bereits früher erhalten (Kennung), verwerfen sonst eigene Adresse anhängen und als Broadcast weiterleiten Sender erhält Paket mit aktuellem Weg (Adressliste) zurück Optimierungen Begrenzung durch maximale Ausdehnung des mobilen Netzes (falls bekannt) Caching von Weginformationen mit Hilfe von vorbeikommenden Paketen kann dann für eigene oder fremde Wegwahl ausgenutzt werden Folie 228

229 Dynamic Source Routing III Aufrechterhaltung eines Weges nach dem Senden Warten auf die Quittung auf Schicht 2 (falls vorhanden) Mithören im Medium, ob Paket weitergeleitet wird (falls möglich) Anforderung einer expliziten Bestätigung falls Probleme erkannt werden kann der Sender informiert oder lokal ein neuer Weg gesucht werden Folie 229

230 Clustering von ad-hoc-netzwerken Basisstation Internet Gruppenzugang Gruppe Supergruppe Folie 230

231 Interferenz-basiertes Routing Wegwahlentscheidung basiert auf Annahmen über Interferenzen N 1 N 2 E 1 S 1 N 3 N 4 N 5 N 6 E 2 S 2 Nachbarn (d.h. in Funkreichweite) N 7 N 8 N Folie 231

232 Beispiele für Interferenz-basiertes Routing Least Interference Routing (LIR) Bestimmung der Kosten eines Weges basierend auf der Anzahl von Empfängern, die eine Sendung hören könnten Max-Min Residual Capacity Routing (MMRCR) Bestimmung der Kosten eines Weges basierend auf einer Wahrscheinlichkeitsfunktion von erfolgreichen Übertragungen und Interferenzen Least Resistance Routing (LRR) Bestimmung der Kosten eines Weges basierend auf Interferenz, zusammengesetzt aus Informationen über Störung, Jamming und anderen Übertragungen LIR relativ einfach zu implementieren, da nur Informationen über die direkten Nachbarn benötigt werden Folie 232

233 Manet: Mobile Ad-hoc Networking Mobile Router Manet Mobile Endgeräte Mobile IP, DHCP Festnetz Router Endgerät Folie 233

234 Funknetze Kapitel 7: RFID Geschichte Grundlagen Lokalisierung Handover Routing Systeme Folie 234

235 Folie 235 RFlD

236 Beispiele Folie 236

237 Kassenanwendungen Folie 237

238 Transponder und Reader Folie 238

239 Induktive Nahsysteme Folie 239

240 HF-Fernsysteme Folie 240

241 Erregerfeld Folie 241

242 Antennen Folie 242

243 induktive Antennen Folie 243

244 Datenübertragung bidirektional Folie 244

245 Modulierte Reflektion Folie 245

246 Energietransfer Folie 246

247 ISO-Normen Folie 247

248 Warenwirtschaft Folie 248

249 Paketierung Folie 249