Mobilfunkdienste und -netze. Kommunikationsnetze. Drahtlose Infrastrukturnetze Aufbau. Drahtlose Infrastrukturnetze

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1 Mobilfunkdienste und -netze Kommunikationsnetze Öffentliche Mobilkommunikationnetze Infrastruktur- und Ad-hoc-Netze Grundlagen der Mobilkommunikation Öffentliche Mobilkommunikation: GSM, GPRS, UMTS Mobilfunkdienste verwenden drahtlose Übertragungskanäle als Anschlussleitung Funkkanäle (Funksysteme) Infrarot (Indoorsysteme) Ziele der Verwendung leitungsloser Anschlussleitungen Örtliche Beweglichkeit Teilnehmer-Endgerät Bypass als Netzzugang Unterscheidung der Mobilfunknetze in Infrastrukturnetze Ad-hoc-Netze Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 329 Drahtlose Infrastrukturnetze Drahtlose Infrastrukturnetze Aufbau Mobiles Endgerät Bsp. WLAN WLAN Access Point s mit WLAN-Karten ausgerüstet Basisstation (Access Point)? Local Area Network Router Festnetz WLAN Access Point Internet Infrastruktur ist Voraussetzung Kommunikation zwischen Zugangspunkt (Basisstationen, Access Point) und drahtlos angebundenen Endgeräten (Mobilstationen) max. 1 Hop zum Festnetz, min. 1 Hop zum Nachbarn Basisstationen stellen Zugang zum Festnetz bereit Basisstationen über ein Festnetz miteinander verbunden Mehrere drahtlose Netze können ein logisches Netz bilden Bsp.: GSM-Netz Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 330 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 331

2 Drahtlose Infrastrukturnetze Eigenschaften vorausgehende Planung nötig Infrastruktur stellt Dienste zur Namensauflösung, Weiterleitung von Daten, Authentifizierung bereit keine direkte Kommunikation zwischen den Endgeräten Komplexität im Zugangspunkt Endgeräte relativ einfach Dienstgütegarantien möglich zentralisierte Verwaltung/Administration anfällig bei Katastrophenfällen wie Erdbeben, Bränden Ad-hoc-Netze Aufbau... a collection of wireless nodes, all of which may be mobile, dynamically create a wireless network among themselves without using any such infrastructure or administrative support. IEEE Feb S.142 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 332 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 333 Ad-hoc-Netze Funktionsweise Eigenschaften von Ad-hoc-Netzen (I) D G A E B F C H bedürfen keiner Infrastruktur bedürfen keiner vorausgehenden Planung dezentrales Netzmanagement self-creating self-organizing immer und überall self-administering dadurch: dynamische Änderung der Topologie möglich selbständige Aufnahme/Abmeldung von Stationen größtmögliche Flexibilität und Unterstützung: von spontanen Treffen einer Kommunikation fernab jeglicher Infrastruktur des schnellen Ersatzes bei zerstörter Infrastruktur... hohe Komplexität der einzelnen Endgeräte Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 334 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 335

3 Eigenschaften von Ad-hoc-Netzen (II) Endgeräte können direkt miteinander kommunizieren einzelne oder alle Endgeräte arbeiten auch als Router Multihop-Verbindungen (über mobile Nodes) selbständige Routenwahl unanfällig gegenüber Katastrophen offene Fragen: Zugang zu anderen Netzen Zugang zu Diensten (Authentifizierung, Verwaltung etc.) Dienstgütebereitstellung durch folgende Spezifikationen unterstützt: WLAN (Wireless Local Area Network) (IEEE ) HIPERLAN 1 (ETSI-Standard) Bluetooth Einordnung von Ad-hoc-Netzen Infrastrukturnetze HIPERLAN 2/3/4 (WATM) GSM UMTS GPRS... Drahtlose Netze HIPERLAN 1 IEEE Ad-hoc-Netze (bzw. infrastrukturlose Netze) Bluetooth Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 336 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 337 Klassifikation von Mobilfunknetzen Öffentliche Mobilfunknetze 2. Generation: GSM 3. Generation: UMTS 4. Generation:??? Wireless Local Area Networks WLAN IEEE Wireless Personal Area Networks WPAN Bluetooth IrDA Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 338 Übersicht über Mobilfunksysteme Datenrate WLAN WPAN UMTS Schnurlose TK-Systeme (Zellulare) Mobilfunksysteme Bündelfunksysteme Funkrufsysteme Mobiler Satellitenfunk indoor regional national kontinental interkontinental Reichweite Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 339

4 Zentrale technische Probleme in Mobilfunknetzen Sparsamer Umgang mit Frequenzen Nutzbares Frequenzspektrum ist endlich und begrenzt gegebenenfalls die Kapazität Kosten: Siehe UMTS-Versteigerung Effektive Nutzung durch Bandbreiteneffizenz (geringe Rohbitraten, Modulation) Wiederverwendbarkeit der Frequenzen (Kanäle) in lokal begrenzten Netzabschnitten (Zellen, zellulare Netze 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 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 340 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 341 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 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 342 Mehrwegeausbreitung Signal kommt aufgrund von Reflektion, Streuung und Beugung auf mehreren Wegen beim Empfänger an Sendesignal Empfangssignal Signal wird zeitlich gestreut (time dispersion) Interferenz mit Nachbarsymbolen Direkte und phasenverschobene Signalanteile werden empfangen je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 343

5 Zellulare Systeme (I) Klassische Funksysteme Hohe Sendeleistung zur Abdeckung eines großen Bereichs durch eine Basisstation Beibehaltung eines zugewiesenen Funkkanals so lange wie möglich (auch bei Wechsel Bereich) ungenaue Definition der Grenzen von Versorgungsbereichen Probleme klassischer Funksysteme Wiederverwendbarkeit von Funkkanälen ist nicht möglich oder eingeschränkt Bei steigender Teilnehmerzahl ist die Versorgung innerhalb eines Bereiches nicht möglich Zellulare Systeme (II) Problemlösung: Einteilung des Versorgungsbereiches in Zellen Versorgung innerhalb einer Zelle durch eine Basisstation Verwendung unterschiedlicher Funkkanäle in benachbarten Zellen (Vermeidung von Gleichwellenempfang und Interferenzen) Wiederverwendung von Kanälen in entfernten Zellen, zellulares Netz Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 344 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 345 GSM GSM: Groupe Speciale Mobile Arbeitsgruppe der CEPT (Conference Europeéne des Administrations des Postes et des Telecommunications) GSM: Global System for Mobile Communication GSM-Empfehlung Ausgangssituation Anfang der 80er Jahre: Trend zu nationalen und inkompatiblen Funknetzen hohe Gebühren und Gerätepreise Beschluss der CEPT zur Entwicklung eines paneuropäischen zellularen Mobilfunknetzes (1982) Noch keine Festlegung digitale Übertragung der Sprache, erst im Verlauf der Entwicklung Nutzung und Berücksichtigung von Kenntnissen und Errungenschaften des ISDN 1987: Memorandum of Understanding Bereitschaftserklärung von 13 Staaten zur Einführung Mobilfunk nach GSM-Standard Hohe Komplexität des Digitalnetzes 8000 Seiten Standard Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 346 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 347

6 Besondere Merkmale der GSM- Empfehlung Frequenzband GSM MHz Downlink MHz Uplink DCS MHz Downlink MHz Uplink PCS MHz Downlink MHz Uplink Multiplexverfahren Kanalabstand 200 khz ermöglicht 124 Kanäle (Funkschnittstelle: FDM) Je FDM-Kanal TDM von 8 Nutzkanälen Besondere Merkmale der GSM- Empfehlung Handover Aufrechterhaltung Verbindung(squalität) bei Wechsel der Feststation (Zelle) Lenkung der Verkehrsverteilung Recovery-Prozeduren bei Fehlschlag Leistungsregelung 30 db in 2-dB-Schritten Stromeinsparung am Endgerät Verminderung von Interferenzen Diskontinuierliche Übertragung Erkennung der Sprachaktivität Einsparung von Energie geringere Störungen durch Interferenz Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 348 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 349 GSM: Überblick Zeit-Vielfachzugriff (TDMA) NSS mit OSS OMC, EIR, AUC VLR HLR MSC GMSC VLR MSC Festnetz MHz Frequenzbereich MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Abwärtsrichtung 124 Kanäle mit je 200 khz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen RSS BSC BSC BTS BTS BTS BTS BTS Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 350 GSM-TDMA-Rahmen ,615 ms Zeitbereich Schutzzeit GSM-Zeitschlitz Schutzzeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail bit 546,5 µs 577 µs Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 351

7 GPRS GPRS Architektur und Schnittstellen General Packet Radio Service Basiert auf existierenden GSM-Netzen Basis ist Leitungsvermittlung skalierbare Bitraten durch Bündelung von bis zu 8 Zeitschlitzen (ein gesamter Funkkanal) Erreichbare Bitraten bis ca. 170 kbit/s Erweiterung des GSM-Netzes um Gateway GPRS Support Node (GGSN) Gateway zu anderen Paketnetzen Umsetzung Paketnetzadressen in IMSI-Adressen Serving GPRS Support Node (SGSN) funktionelle Unterstützung der Mobilstationen Abfrage der Adressen von Gruppenrufen GPRS Register GPRS bezogene Teilnehmerdaten, Teil des HLR MS BSS SGSN GGSN U m MSC SGSN G n G b G n G i HLR/ GR PDN VLR EIR Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 352 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 353 Zielstellung von UMTS UMTS Core Network: Aufbau Bereitstellung von universellen Diensten innerhalb eines Mobilfunknetzes Dienste des ISDN GSM-Dienste, Funkrufsysteme, Datenkommunikation leitungsvermittelt, paketvermittelt BTS Node BTS B A bis BSC BSS I u VLR B MSC I u CS F EIR D GMSC C HLR PSTN Unterstützung verschiedener Zugriffsverfahren: TDMA, FDMA, CDMA, hybrid 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 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 354 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 355

8 Literatur GROTE, H.; U. STÖPEL; J. SEITZ u. R. TOSSE: Mobile digitale Kommunikation. München: Verlag Moderne Industrie, ISBN KRÜGER, G. u. D. RESCHKE, Hrsg.: Lehr- und Übungsbuch Telematik Netze, Dienste, Protokolle. 3. aktualisierte Auflage, München; Wien: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, ISBN ROTH, J.: Mobile Computing Grundlagen, Technik, Konzepte. Heidelberg: dpunkt.verlag, ISBN SCHILLER, J.: Mobilkommunikation. 2. überarbeitete Auflage, München: Addison Wesley/Pearson Studium, ISBN SEITZ, J.; DEBES, M.; HEUBACH, M.; TOSSE, R.: Digitale Sprach- und Datenkommunikation. Netze - Protokolle Vermittlung. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, ISBN Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2006/07) 356