Jacek Biala. Mobilfunk und Intelligente Netze

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1 Jacek Biala Mobilfunk und Intelligente Netze

2 Aus dem Bereich Computerliteratur Kleines Handbuch Neuronaler Netze von Norbert Hoffmann Simulation neuronaler Netze von Norbert Hoffmann Fuzzy-Logik und Fuzzy-Control von Jorg Kahlert und Hubert Frank Telekommunikation mit dem PC von Albrecht Darimont Mobilfunk und Intelligente Netze von Jacek Biala DTP-Praxis mit PageMaker 5 von Wolfgang Muller Das Vieweg Buch zu FoxPro fur Windows von Jurgen Burberg Management-Support mit Lotus Improv von Bemd Kretschmer und Uwe Grigoleit Multimedia PC von Armin Muller Mikrocontroller Praxis von Norbert Heesel und Wemer Reichstein Business-Losungen mit Access 1.1 von Ekbert Hering und Bernd Mahlenbrei AutoCAD 12 fur Windows von Ekbert Hering und Stephan Sienz Vieweg

3 Jacek Biala Mobilfunk und Intelligente Netze Grundlagen und Realisierung mobiler Kommunikation II Vleweg

4 AIle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, BraunschweigIWiesbaden, 1994 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1994 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Verlagsgruppe Bertelsmann International. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschtitzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere filr Vervielfaltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN-13: e-isbn-13: DOl: /

5 "The world of telecommunication is an exciting world" (L. Conlee) Vorwort In der Telekommunikation nimmt die mobile Kommunikation und insbesondere das Funktelefon eine zunehmend wichtigere Position ein. Der intemationale Innovationsgedanke und die Offenheit der Systeme haben eine geradezu rasante und expansive Evolution der Telefon- und Mobilfunknetze nach sich gezogen. 1m Bereich der Mobilfunkplanung existieren seit kurzem weltweit drei globale Funktelekommunikationssysteme, und zwar in Europa, in den USA und in Japan. Diese Tatsache spiegelt die wirtschaftliche Bedeutung und die Interessen in den verschiedenen Weltregionen wider und beweist, welche Relevanz dieser Schltisseltechnologie beigemessen wird. Das am weitesten fortgeschrittene und inzwischen in Betrieb genommene digitale, zellulare Mobilfunknetz ist das europllische Groupe Special Mobile, immer ofter als Global System for Mobile Communication bezeichnete, Mobilfunksystem. Neben einer detaillierten Bescbreibung des GSM-Systems sowie anderer Mobilfunknetze wird in diesem Buch eine andere wichtige Entwicklung verfolgt, die der Intelligenten Netze (IN). Dieses Konzept hat seinen Ursprung in den USA und fmdet in den letzten Jahren starken Einzug in Europa. Schon das C-Netz in Deutschland weist, beispielsweise durch die Verwendung von verteilten Datenbanken, die die neuesten Informationen zum Aufenthaltsort seiner Mobilfunkteilnehmer liefem, einen gewissen Grad an Intelligenz auf. Die beiden GSM- und IN-Technologien hangen eng miteinander zusammen. Das Innovative an diesen Systemen ist, neben der vollstiindigen Digitalisierung und der sebr weit fortgeschrittenen europllischen bzw. weltweiten Standardisierung, im wesentlichen die verwendete und erweiterte Signalisierung. Die Arbeiten auf diesem Gebiet sind keineswegs abgeschlossen und werden auch von theoretischer Seite her weiterverfolgt. Die neuesten Entwicklungen und Moglichkeiten werden bier aufgezeigt. Angesichts der raschen Weiterentwicklung im Femmeldewesen werden diese technischen Standards und Technologien bis zum Jahr 2000 zunehmend an Aktualitat und Bedeutung gewinnen. Sie haben sebr weitreichende strategische Bedeutung fur die Telekom-Industrie und sind richtungsweisend fur zuktinftige Entwicklungen benutzerorientierter Kommunikationsstrukturen. Es ist daher zu erwarten, dab das Mobilfunknetz und die Intelligenten Netze zuktinftig in ein umfassendes System fur "personliche Kommunikation" munden werden, das etlichen Millionen von Teilnehmern neue interessante und komfortable Dienstleistungen zur Verftigung stellen wird. Die Entwicklungsarbeiten der ersten Phase des paneuropliischen Mobilfunksystems sind mittlerweile abgeschlossen. Die ihnen zugrundeliegenden Unterlagen (GSMIETSI- und CCITT -Empfeblungen) sowie eine Reihe weiterer wichtiger Zukunftsaspekte sollen durch dieses Buch dem deutschsprachigen Leser zuganglich gemacht werden.

6 VI Warum dieses Bueh? Das Anrufen ist ein Vorgang, der seit tiber bundert Jabren fiir den Teilnebmer - egal in welcbem Netz er sicb befindet - ziemlicb simpel ist. Es wird einfacb die Rufnummer gewahlt. Die Systeme die das ermoglicben, insbesondere die modernen Mobilfunknetze, sind dagegen sebr kompliziert und bieten inzwiscben weitere vielfaitige und ansprucbsvolle Features. An wen riehlet sieh dieses Bueh? Die Zielgruppe dieses Bucbes bilden all diejenigen, die die Tecbnik des Mobilfunks und Intelligenter Netze sowie die Zusammenbange in digitalen Fernsprecbnetzen - Integrated Services Digital Network-Entwicklung eingeschlossen - verstehen wollen oder daran interessiert sind. Hierzu zahlen vor allem Personen, die direkt mit der modernen Telekommunikation in Beriihrung kommen: Projekt- und Systemplaner, Entwickler, Netz Integratoren und -Betreiber, Systemoperatoren, Service Provider, Manager, Vertriebsingenieure, Berufsanfanger sowie Studenten der Elektrotecbnik, Tecbnischen Informatik und deren Nacbbargebieten. Was bietet dieses Bueh? Mit dem vorliegenden Werk stebt im deutscbspracbigen Raurn eines der ersten Bticber tiber digitale, mobile Telekommunikation und Intelligente Netze zur Verftigung. Es handelt sich hierbei urn eine tecbniscbe Systembeschreibung moderner, recbnergesteuerter Netze, die verscbiedene Massendienste anbieten konnen, die aber vor allem die Mobilitiit ibrer Teilnebmer untersttitzen. Dieses Bucb soll Kenntnisse tiber den Autbau und die funktionalen Elemente moderuer Telekommunikationsnetze auf der Basis des Zentralen Zeicbengabesystems Nr. 7 vermitteln. Das bier einbeitlicb beschriebene GSM-System gehort zu den interessantesten und ansprucbsvousten Kommunikationsprojekten, die je in Angriff genommen wurden. Es wird sowohl auf die Hintergriinde dieser Entwicklung wie aucb auf die konkurrierenden Systeme eingegan,gen. Es werden wichtige Konzepte und internationale Standards beschrieben, welcbe aucb fiir zukiinftige Anwendungen mabgeblicb sind. Die wesentlicben Zusammenhange und Ideen der neuesten Systeme werden kurz skizziert. Das Bucb ist folgendermaj3en strukturiert: - Grundlagen der Mobilkommunikation; - Autbau des IN- und GSM-Systems; - Dienstangebot; - Signalisierung im GSM und in IN's auf Basis der gemeinsamen Zeicbengabe Nr.7; - erweiterte Signalisierung fiir GSM-Netze; - Netzmanagement.

7 VII Das erste Kapitel iiber mobile Kommunikation dient als kurze Einfiibrung in das inzwischen breite Gebiet des Mobilfunks und der Mobiltelefonie. Danach wird die neue zukunftsweisende Netzarchitektur der IN-Systeme vorgestellt. Die folgende technische Beschreibung des paneuropmschen, zellularen Mobilfunksystems lehnt sich in erster Linie an ETSIIGSM- und CCITT-Empfehlungen an und dient als Grundlage ffir weitere Systeme wie Personal Communication Network oder Universal Mobile Telecommunication Service. In dieser Darstellung werden insbesondere die vielfaitigen Zusammenhange mit dem IN-Konzept hervorgehoben. Den Schwerpunkt dieses Buches bilden die machtige CCS7-Zeichengabe mit ihren Transport-Protokollen, die auch in anderen Systemen voikommen, und die notwendigen, erweiterten Signalisierungsverfahren vor allem fur den Mobilfunkbereich. Ein Kapitel zum Thema Testgeschehen rundet diese Darstellung abo Das Glossar mit den wichtigsten nachrichtentechnischen Grundbegriffen insbesondere aus dem Bereich der Dateniibermittlung beriicksichtigt die modernsten Aspekte der Telekommunikation und kann als ein Nachschlagewerk vor allem dem Anflinger empfohlen werden. Es ist zugleich eine thematisch verallgemeinerte Erganzung der in diesem Buch angesprochenen Sachverhalte. Eine vollstandige Liste der GSMJETSI-Empfehlungen ist als Anhang beigefiigt. Die ebenfalls am Ende des Buches aufgenommene ausfiihrliche Stichwort- und Abkiirzungsliste erm6glicht eine schnelle Hilfeleistung und gezielte Infotmation. 1m Prinzip werden keine Voraussetzungen beziiglich der VoIkenntnisse an den Leser gestellt. Die Grundkenntnisse in den Bereichen Nachrichtentechnik, Open Systems Interconnection Referenzmodell oder Zeichengabe waren jedoch mindestens in redundanter FOtm wiinschenswert. M6ge dieses Buch allen seinen Benutzern eine niitziiche Arbeitshilfe sein. Diisseldorf, im September 1993 Jacek Biala

8 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Mobilkommunikation Mobilkommunikation in Europa... ' Leistungsmerkmale des GSM-Systems Personal Communications Network Mobility Communication Andere Netze und Projekte Gremien, Empfehlungen und Normen Grundlagen Intelligenter Netze Die Idee Aufbau Flexible Konfiguration Physikalische Funktionsaufteilung Andere IN-Elemente SchnittsteUen und Protokolle Dienstunabhiingige Features Dienste IN-Abliiufe Entwicklungs- und Einfuhrungsstrategie Aufbau und Organisation des GSM-Systems Radio Subsystem Mobilfunk-Versorgungsgebiete Mobilstation Base Station Subsystem Network Subsystem Mobile Switcbing Center Datenbank-Einricbtungen Operation and Maintenance Subsystem Authentication Center Equipment Identity Register Operation und Maintenance Center Organisation der Radio-Kaniile Verkebrskaniile Steuerkanlile Vielfacbzugriffsverfabren und der IDMA-Rabmen Mobilfunk-Daten MF-Parameter Adressierung und Identifizierung... 89

9 x Inhaltsverzeichnis 4 Codierung und Signalproze8-Funktionen Funkstorungen Codierung von fullrate Verkehrskanalen Sprachcodierung Codec Kanalcodierung Halhraten-Codierung Signalproze8-Funktionen Spreiztechnik Transmitter Receiver GSM-Komponenten Mobilstation Base Transceiver Station Base Station Controller Mobile Switching Centre Location Register Konfiguration der Location Register Systemtechnik Weitere Systemmerkmale GSM nnd Intelligente Netze System-Performance und -Kapazitit GSM-Dienste Tragerdienste Teleservices Kurznachrichtendienst Zusatzdienste Implementierung der Dienste fiir MF Teilnehmerverhaltnis und -prioritat Schnittstellen nnd ProtokoUe im MF - Uberblick Einteilung der GSM-Schnittstellen Kurze Beschreibung der MAP-Schnittstellen Fremdnetz-Schnittstellen Interworking Signalisierungs-Prozesse im GSM-System Location-Management Von der MS initiierte Lokalisierung Lokalisierungs-Prozeduren in Registem Call Setup Mobile Originating Call

10 Inhaltsverzeichnis XI Mobile Terminating Call Handover HOV-Hille HOV-Ablauf Sicberbeitsma8nabmen Zugangskontrolle und Identifizierung Vertraulichkeit Sicherheitsalgorithmen Security Related Infonnation CCS7-Signalisierung MTP MTP Levell MTP Level MTP Level MTP-Dienstprimitiven MTP-Prozeduren MTP-Perfonnance Testen und Maintenance SCCP SCCP-Nachrichten SCCP-Primitives SCCP-Parameter SCCP-Strukturierung ~ SCCP-Prozeduren Adressierung und Wegsteuerung SCCP Management SCCP Perfonnance TCAP TCAP-Nachrichten und ihre Parameter TCAP-Primitives TCAP-Strukturierung TCAP-Prozeduren TCAP-Anwender Mobile Application Part Access-Management Location-Management Searching und MSC-Anfrage MSC-MSC Handover Sicherheitsaspekte Operation and Maintenance Short Message Service Supplementary Services

11 XII Inhaltsverzeichnis 11 BSS MSC Schnittstelle MTP SCCP Signalisierung BSSAP BSSMAP DTAP DTAP und BSSMAP-Nachrichten BSSAP-Parameter Elementare und strukturierte Prozeduren BTS und zugehorige Schnittstellen MS BTS Schnittstelle Codierung der Steuerkanale Zeichengabe der Um-Schnittstelle BTS BSC Schnittstelle Zeichengabe der ~is-schnittstelle SMS Protokolle NetzmanageJDent Netzmanagement ProtokoUe Netzmanagement Funktionen Konfigurations-Management Verkehrs-Management Betrieb und Performance Fehler-Management Sicherheits-Management Administration Tests Musterrane der GSM Funktionalitiit Testgerate Ausblick Anhang A GSM-RECOMMENDATIONS B Verfiigbare GSM-Netze in Europa Literaturverzeichnis Glossar Sach und Abkiirzungsverzeichnis

12 Abbildungsverzeichnis Bild 1.1: Bild 1.2: Bild 1.3: Bild 1.4: Bild 1.5: Bild 1.6: Bild 2.1: Bild 2.2: Bild 2.3: Bild 2.4: Bild 2.5: Bild 3.1: Bild 3.2: Bild 3.3: Bild 3.4: Bild 3.5: Bild 3.6: Bild 3.7: Bild 3.8: Bild 3.9: Bild 3.10: Bild 3.11: Bild 3.12: Bild 3.13: BUd 4.1: Bild 4.2: Bild 4.3: Bild 4.4: Bild 4.5 a: Bild 4.5 b: Bild 4.6: Bild 4.7: Bild 4.8: Bild 5.1: Bild 5.2: Bild 5.3: Bild 5.4: Bild 5.5: Bild 5.6: Bild 5.7: Bild 5.8: Klassifizierung der offentlichen Funknetze, 3 ZellengroBen, 6 Die wichtigsten Mobilfunknetze in Europa im Vergleich, 14 GSM-DECT-Interworking, 21 PNA-Architektur, 24 Entwicklung im Mobility Telecommunication-Bereich, 26 IN und die vier Kategorien von Beteiligten, 38 IN-Systemarchitektur, 40 Service Independent Platform, 40 Software-Gliederung im SCP, 44 Die wichtigsten IN-Schnittstellen, 47 PLMN-Architekturschema mit den Teilsystemen: OMS, NSS, RSS, 58 Funkzelle, 59 Zellensystem mit 9 Zellen pro Cluster, 60 GSM-System-Area-Aufteilung, 62 MSC - Point of View mit internen und externen Bereichen, 63 GSM-Systemarchitektur einschlieblich der Schnittstellen, 67 Ubertragungsrichtungen der Funkschnittstelle, 75 Grobe Einteilung logischer Kanale, 76 Verkehrskanal-Einteilung mit Angaben zur Brutto-Ubertragungsrate, 76 Organisation der Steuerkanrue der Funkschnittstelle, 78 Kombination der FDMA-TDMA-Verfahren im MF, 80 Zeitrahmen im MF, 80 Kanal-Organisation fur TCH's mit zugeordneten SACCH's, 81 Interferenzbereich gleichfrequenter BS's, 94 Codierung der Spracbkanrue, 97 Blockdiagranun fur RPE-LTP-Encoder, 98 Schema der FEC-Fehlerkorrektur, 100 Signalbehandlung an der Funkschnittstelle, 101 Signalbehandlung an der Funkschnittstelle, 102 Codierungs- und Interleaving-Schema, 103 Teil des Transmitters mit den wichtigsten Audio-Funktionen, 106 Teil des Receivers mit den wichtigsten Audio-Funktionen, 107 Schematischer Aufbau der Mobilstation, 112 MS-Konfiguration mit Referenzpunkten, 113 B TS -Konfigurationen, 120 Datenratenanpassung im BSS, 122 M ultidrop-konfiguration, 123 BSC-Schema, 124 Alternative Lagen der Transcoder- und Ratenanpassungsfunktionen, 125 Konfigurationen der LR's, 128

13 XIV Abbildungs verzeichnis Bild 5.9: Frequenzblinder fiir MF, 129 Bild 5.10: Integration der GSM-Systeme, 138 Bild 6.1: Bild 6.2: Bild 6.3: Bild 7.1: Bild 7.2: Bild 7.3: Bild 7.4: Bild 8.1: Bild 8.2: Bild 8.3: Bild 8.4: Bild 8.5: Bild 8.6: Bild 8.7: Bild 8.8: Bild 8.9: Bild 8.10: Bild 8.11: Bild 8.12: Bild 8.13: Bild 8.14: Bild 8.15: Bild 8.16: Bild 8.17: Bild 8.18: Bild 8.19: Bild 8.20: Bild 8.21: Bild 8.22: Bild 8.23: Bild 9.1: Bild 9.2: Bild 9.3: Bild 9.4: Bild 9.5: Bild 9.6: Bild 9.7: Bild 9.8: Bild 9.9: Bild 9.10: Bild 9.11: Triiger- und Teledienste, 139 GSM-Dienstzugangspunkte und die ISDN-Referenzpunkte, 141 Grundlegende Unterscheidung der Datendienste, 142 Fremdnetz-Protokolle, 157 Protokollarchitektur fiir die Signalisierung im MF, 157 Die wichtigsten Protokolle im GSM-Standard, 158 PLMN-NetzanschluB, 162 LR-ProzeB ohne Authentizitiitsiiberpriifung, 169 Location Registration inkl. PVLR, 170 IMSI Detach Prozedur, 171 IMSI Attach Prozedur, 171 Classmark-Anderung, 172 Interrogation des HLRs fiir ein MTC, 172 MOC-Autbau ohne OACSU, 176 MTC-Autbau ohne OACSU, 177 Intracell Handover, 179 Intercell Handover, 179 Intra-BSS HOV mit MSC Steuerung, 180 External HOV innerhalb eines MSCs, 180 Basic Handover, 181 Subsequent Handover, 181 Handover zwischen PLMN's, 182 Handover-Einleitung, 183 Funkdaten fiir eine HOV-Entscheidung, 183 HOV zwischen zwei BS's, die von einem MSC kontrolliert werden. 185 Encryption, 189 Setzen des Ciphering-Modus, 190 Authentizitiitspriifung, 191 Chiffrierung auf der Luftschnittstelle, 192 AUC- und SIM-Funktion, 192 Zeichengabenetz mit quasiassoziierter und assoziierter Betriebsweise, 197 Protokollstapel mit MTP und wichtigsten Benutzerprotokollen, 199 MTP-SU-Format, 204 PCR-Schema, 205 Signalisierungsstruktur der MTP-Funktionen, 206 SMH-Funktionen, 206 Signalling Network Management, 207 SCCP-Message mit Level 3/4-Feldbezeichnem, 213 CO-SCCP-Nacbrichtenformat, 214 Funktionelle SCCP-Struktur, 218 AdreBindikator, 221

14 Abbildungsverzeichnis xv Bild 9.12: Called/Calling Party Address, 222 Bild 9.13: Routing-M6glicbkeiten, 223 Bild 9.14: Routing mit GTI ffir International Roaming, 223 Bild 9.15: SCCP-Routing ffir Q...-Service-Klasse, 225 Bild 9.16: Doppel-Konfiguration eines Knotens mit zugehorigen Subsystemen, 226 Bild 9.17: CCS7-ProtokoU-Stack-Abschnitt mit TCAP, 231 Bild 9.18: TCAP-Message, 231 Bild 9.19: TCAP-Message-Aufbau, 232 Bild 9.20: TCAP-Nachrichten, 233 Bild 9.21: TCAP-Struktur, 235 Bild 10.1: Nachrichtenflu8 ffir Basic HOV, 243 Bild 10.2: Subsequent HOV Prozedur, 244 Bild 10.3: MAP-Anteil der Check IMEI-Prozedur, 245 Bild 10.4: Transfer der Authentizitiitsparameter, 245 Bild 10.5: Provide IMSI-Prozedur, 246 Bild 10.6: LR-Recovery, 247 Bild 11.1: Schematischer Aufbau einer DTAP- und BSSMAP-Message, 252 Bild 11.2: Complete Layer 3 Message, 253 Bild 11.3: System In/ormation, 256 Bild 11.4: Paging-Prozedur, 258 Bild 11.5: Dedicated Channel Assignment, 260 Bild 11.6: Transmission-Mode-Anderung, 261 Bild 11.7: Kanalfreigabe, 262 Bild 11.8: Radio-Link-Failure, 262 Bild 11.9: Rufabbau,266 Bild 12.1: Normalburst-Struktur, 269 Bild 12.2 a: LAPDm-Rahmenformate, 272 Bild 12.2 b: LAPDm-Rahmenformate, 273 Bild 12.3: Layer-3-Einteilung der Um-Schnittstelle, 278 Bild 12.4: Zeichengabe der ~is-schnittstelle, 280 Bild 12.5: Logiscbe Layer-2-Verbindungen der ~is-scbnittstelle, 281 Bild 12.6: LAPD-Rahmen ffir RSL- oder OML-Nachricbten, 281 Bild 12.7: Random Access mit Immediate Assignment, 284 Bild 12.8: Ressourcen-Allokierung mit TCH-Assignment, 284 Bild 12.9: O&M- und MMI-Message-Format, 285 Bild 12.10: TRAU O&M-Message-Format, 285 Bild 13.1: Protokolle ffir den Short Message Service, 288 Bild 13.2: SMS-Protokollabbildung im MSC, 289 Bild 14.1: Funktionsaufteilung ffir NM, 291 Bild 14.2: Hierarcbische Netzwerkmanagement-Struktur, 292 Bild 14.3: Q3-Protokoll-Stack ffir GSM-Netzmanagement, 296 Bild 14.4: SMAP-Prozeduren ffir Security-Management, 308