Mobilfunksysteme 4.3. Kamprath-Reihe. Professor Dr. Christian Lüders. Vogel Buchverlag. Grundlagen, Funktionsweise, Planungsaspekte

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1 Kamprath-Reihe AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Professor Dr. Christian Lüders Mobilfunksysteme Grundlagen, Funktionsweise, Planungsaspekte Vogel Buchverlag

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort 5 1 Einleitung Teilnehmerzahlen in Mobilfunknetzen in Deutschland Allgemeine Entwicklungstrends im Mobilfunk Grundlegende Begriffe Beschreibung von Telekommunikationssystemen Mobilität Besonderheiten der Funkübertragung 24 2 Funkausbreitung Übersicht über grundsätzliche Effekte der Funkausbreitung Sender- und Empfängerkenngrößen Freiraumausbreitung Entfernungsabhängige Dämpfung Abschattungen Mehrwegeausbreitung Wichtige Kenngrößen für die Mehrwegeausbreitung Spezialfall: Zweiwegeausbreitung Kurzzeitschwund Maßnahmen gegen den Kurzzeitschwund Zeitdiversität Frequenzdiversität Antennendiversität Intersymbol-Interferenz Der Einfluss des Wetters und der Atmosphäre auf die Funkausbreitung 47 3 Aspekte der Funkübertragungstechnik Grundsätzliche Anforderungen an die Funkübertragungstechnik Störfestigkeit eines Übertragungsverfahrens Modulation Allgemeines Binäre Phasenumtastung Höherwertige Modulationsverfahren Gaußsches Minimum Shift Keying Maßnahmen zum Fehlerschutz Grundsätzliches Das Prinzip der Fehlererkennung und -korrektur Methoden der Vorwärtsfehlerkorrektur im Mobilfunk Interleaving ARQ-Verfahren Fehlererkennung und-korrektur in hybriden ARQ-Verfahren Protokolle für die Wiederholung fehlerhafter Datenblöcke Sprachcodierung Signalspreizung 71 4 Funkkanalzuteilung Allgemeines Multiplextechniken im Mobilfunk Frequenzmultiplex 78

3 8 Inhaltsverzeichnis Zeitmultiplex Prinzip und Realisierungsformen des Zeitmultiplex Duplex-Verfahren für kombinierte TDM-FDM-Systeme Vorteile des Zeitmultiplex Beispiele für TDMA-Systeme Realisierung höherer Datenraten in TDMA-Systemen durch Bündelung von Kanälen Grenzen des TDMA-Verfahrens Codemultiplex Allgemeines Prinzip Orthogonalität von Codes Realisierung verschiedener Datenraten Störungen beim Codemultiplex Vor- und Nachteile des Codemultiplex-Verfahrens Kombinationen mit anderen Multiplex-Verfahren und Beispiele Orthogonales Frequenzmultiplex Raummultiplex Verteilung der Funkkanäle auf die Funkzellen Zuteilung der Funkkanäle für eine Verbindung Zugriffsverfahren Das Slotted-ALOHA-Protokoll Carrier Sense Multiple Access Kriterien für die Funkkanalwahl Vermittlungsprinzipien und Verbindungsarten 104 Das GSM-System Zur Entwicklung des GSM-Standards Historisches Überblick über Dienste und Anwendungen Anmerkungen zur Gliederung des Kapitels Funkkanäle im GSM-System Physikalische Kanäle Frequenzbereiche für GSM Multiplex-Verfahren und elementare physikalische Kanäle Physikalische Kanäle bei Frequency Hopping Teilung und Bündelung elementarer physikalischer Kanäle Sprachkanäle Sprachcodierverfahren Das Transportformat bei der Sprachübertragung 115 Außau eines normalen Bursts 115 Kanalcodierung und Interleaving bei der Sprachübertragung 117 Rahmenstruktur der Sprachkanäle Zusammenfassung Steuerungskanäle - Control Channels Broadcast Control Channels 120 Broadcast Common Control Channel 120 Frequency Correction Channel 122 Synchronization Channel Common Control Channels 123 Paging Channel 123 Random Access Channel 123 Access Grant Channel Dedicated Control Channels 125 Stand Alone Dedicated Control Channel 125 Slow Associated Control Channel 126 Fast Associated Control Channel Zusammenfassung: Aufgaben und Transportformate von Steuerungskanälen 127

4 Inhaltsverzeichnis Kanalkonfiguration einer Funkzelle Rahmenstruktur der Kontrollkanäle und allgemeine Regeln zur Konfiguration Beispiel für eine Kanalkonfiguration Allgemeine Gesichtspunkte bei der Beschreibung eines Funkkanals Architektur des GSM-Systems Netzelemente und deren Funktion Radio Sub-System Switching Sub-System Operation and Maintenance Sub-System Zusammenfassung zum Thema Netzelemente Teilbereiche eines GSM-Netzes Kennziffern und Adressen Kennziffern zum Auffinden und Identifizieren eines Teilnehmers Adressierung von Netzelementen und -bereichen Zusammenfassung: Kennziffern und Adressen Sicherheitsrelevante Netzfunktionen Prozeduren und Algorithmen Aktivierung der Mobilstation Identifikation gegenüber der SIM-Karte Zellwahl Netzwahl Anmeldung Aktivitäten der Mobilstation im Idle-Modus Abhören des Paging Channels Zellneuwahl Location Update Prozeduren beim Verbindungsaufbau Wegesuche auf der Festnetzseite Aufbau der Funkverbindung Prozeduren zur Verbindungssteuerung Messungen 153 Messgrößen 153 Nachbarzellmessungen 154 Messwert-Reports 154 Vorverarbeitung der Messwerte Handover 156 Handover-Typen und -Phasen 156 Beispiel für einen Handover-Algorithmus 158 Durchführung eines Handovers - Signalisierung Power Control Regelung des Aussendezeitpunktes der MS Radio Link Failure Überblick über die Signalisierungsprotokolle in GSM Datendienste Übersicht über die Datenübertragung in GSM Leitungsvermittelte Datenübertragung - Circuit Switched Data Erläuterung von Begriffen und Unterscheidungsmerkmalen Leitungsvermittelte Datenübertragung am Beispiel des Full-Rate-Kanals TCH/F Mögliche Datenraten auf Full-Rate- und Half-Rate-Kanälen High Speed Circuit Switched Data 173 Regeln für die Bündelung von Kanälen 173 Aufbau einer HSCSD-Verbindung 174 Steuerung einer HSCSD-Verbindung Short Message Service Der Short Message Service Point-to-Point Der Cell Broadcast Short Message Service 179

5 10 Inhaltsverzeichnis General Packet Radio Service Allgemeine Anforderungen an den General Packet Radio Service Funkkanäle für GPRS 181 Transportformat der Paketdatenkanäle 181 Kontrollkanäle für die Paketdatenübertragung 185 Kanalkonfiguration für GPRS GPRS-Systemarchitektur 186 Netzelemente und Netzbereiche 186 Adressen und Kennziffern Wesentliche Prozeduren und Algorithmen im GPRS-Netz 189 Mobility-Management-Zustände 189 Zellwahl im Idle- und Standby-Zustand 191 GPRS-Anmeldung 191 Aufbau einer Verbindung zu einem Datennetz 193 Der Packet Transfer Mode: Übertragung von Datenpaketen 194 Verfahren zur Steuerung der Verbindungsqualität Übersicht über die Protokolle für den GPRS-Nutzdatentransport Steigerung der Datenrate: Enhanced Data Rates for GSM Evolution (EDGE) Einige ausgewählte Anwendungen Gruppenrufe, Rundrufe und Prioritäten für den Bahnfunk und für andere professionelle Anwendungen Mobiler Internet-Zugang und das Wireless Application Protocol (WAP) Location Services Weitere bedeutende Mobilfunksysteme Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT) Anmerkungen zur Entwicklung des DECT-Standards Systemarchitektur Anwendungsbereiche und Systemkonfigurationen Adressen und Kennziffern Funkkanäle Physikalische Kanäle Transportformate Sicherungsschicht Sprachkanäle Datenkanäle Kontrollkanäle Verbindungsaufbau Handover Vergleich zwischen GSM und DECT Bluetooth Anmerkungen zur Entwicklung des Industriestandards Bluetooth Netzkonfigurationen Funkübertragung Verbindungsaufbau und sicherheitsrelevante Netzfunktionen HiperLAN/ Anmerkungen zur Entwicklung des HiperLAN-Standards Netzkonfigurationen und Anwendungsbeispiele Funkkanäle Verbindungsaufbau Verbindungssteuerung und Verwaltung der Funkressourcen Protokollarchitekrur Wireless LANs nach dem Standard IEEE Funkkanäle Zuteilung von Übertragungskapazitäten Das Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) Anmerkungen zur Entstehung des UMTS-Standards 246

6 Inhaltsverzeichnis UMTS-Systemarchitektur Funkkanäle Frequenzbänder und physikalische Kanäle Transportkanäle für den FDD-Modus Kanalcodierung, Ratenanpassung und Multiplexing für den FDD-Modus Zugriffssteuerung im FDD-Modus Zellsuche im FDD-Modus bei asynchronen Basisstationen Anmerkungen zum TDD-Modus Wichtige Funktionen des UMTS Radio Access Networks Sendeleistungsregelung - Power Control Handover Aspekte der Funknetzplanung Generelle Ziele der Funknetzplanung Qualitätskriterien und Planungsrichtlinien Der Begriff der Versorgung Wichtige Empfängerschwellwerte Funkausbreitungsmodelle Allgemeine Aspekte der Funkausbreitung Funkausbreitung in Makrozellen Funkausbreitung in Kleinzellen Funkausbreitung in Mikrozellen Versorgung innerhalb von Gebäuden - Funkausbreitung in Picozellen Versorgungsplanung - Größe von Funkzellen Wichtige Größen für die Versorgungsplanung Beispielrechnung zur Abschätzung der Zellgröße Einfluss der Datenrate Beispiel für eine computergestützte Versorgungsplanung Kapazitätsplanung Grundzüge der Nachrichtenverkehrstheorie Beschreibung des Teilnehmerverhaltens bei Sprachdiensten Bestimmung der Blockierraten für Sprachdienste Anmerkungen zur Behandlung von Datendiensten Frequenzplanung Das zellulare Prinzip Das Modell des homogenen hexagonalen Netzes - Cluster-Größe Sektorzellen Abschätzungen des Nutz-/zu-Störleistungs-Verhältnisses Beispiel für eine Kapazitätsabschätzung Frequenzplanung für reale Funknetze Kapazitätsplanung bei Soft Blocking Die spektrale Kapazität und der Vergleich von Mobilfunksystemen Kapazitätssteigernde Maßnahmen Erhöhung der Dichte der Basisstationsstandorte Hierarchische Zellstrukturen Underlay-Overlay-Planung Frequency Hopping, Power Control und Discontinuous Transmission Intelligente Antennensysteme 310 Anhänge 315 Anhang A Übungsaufgaben 315 Anhang B Lösungen zu den Übungsaufgaben 323 Anhang C Pegelwerte und Dezibel 329 Anhang D Spezifikationsdokumente 330 D.l Einige wichtige GSM-Spezifikationsdokumente 330 D.2 Überblick über die Spezifikationsdokumente des UMTS-Standards 332

7 12 Inhaltsverzeichnis D.3 Einige wichtige DECT-Spezifikationsdokumente 332 D.4 Einige wichtige HiperLAN/2-Spezifikationsdokumente 333 D.5 Bluetooth-Spezifikationen 333 D.6 Der IEEE Standard 333 D.7 WAP-Spezifikationen 333 Anhang E Erlang-Tabelle 334 Anhang F Abkürzungsverzeichnis 335 Literaturverzeichnis 339 Stichwortverzeichnis 343