Mobile Funknetze. Technologien und Verfahren

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1 Mobile Funknetze Technologien und Verfahren

2 Gliederung Geschichte und Entwicklung Physikalische Grundlagen Kanalaufteilung 1. Generartion (von A Netz bis C-Netz) 2. Generation (GSM) -GSM -Zellulare Netze - Verbesserung der Übertragungsraten Der Weg zu UMTS 3. Generation (UMTS) Statistik

3 Geschichte und Entwicklung 1820 Christian Oerstedt entdeckt den Elektromagnetismus Vorreiter des Durchflutungsgesetzes 1821 Michael Faraday entdeckt die Induktion Wirkung des Magnetischen Feldes 1830 Joseph Henry übermittelt erstes elektromagnetisches Signal Mitteilung von einem Objekt in ein anderes absetzt 1837/1838 erfand Samuel Morse den Telegraphen Joseph Henry

4 Geschichte und Entwicklung 1858 erstes Transatlantikkabel Schmorte nach 4 Wochen aufgrund der hohen Spannung 1887/88 Heinrich Hertz als Wegbereiter der drahtlosen Kommunikation erforscht Wesen der elektromagnetischen Wellen 1895 erfand Popow den Gewitteranzeiger Abschnitt Physikalische Grundlagen G. Marconi G. Marconi knüpft an Hertz Entdeckungen an und entwickelt den ersten drahtlosen Telegraphen (> 200kW)

5 Geschichte und Entwicklung 1900 Reginald Fessenden gelingt Ausstrahlung gesprochener Worte Fessenden 1901 erste Übertragung über den Atlantik 1907 kommerzielle Transatlantik-Verbindungen mit dreißig 100m hohen Antennen 1926 Zugtelefondienst zwischen Hamburg und Berlin Weiterentwicklung bis in die 50er Jahre im Bereich Seefahrt- und Stadtfunkdienst (siehe nächste Folie)

6 Regelung durch die FCC 1927 Gründung der Federal Radio Comission um Funkwellen Chaos zu Regeln (1934 Ablösung durch Federal Communication Commisson) 1947 erstes Autotelefon in Saint Louis der Firma AT&T

7 Gliederung Geschichte und Entwicklung Physikalische Grundlagen Kanalaufteilung 1. Generartion (von A Netz bis C-Netz) 2. Generation (GSM) -GSM -Zellulare Netze - Verbesserung der Übertragungsraten Der Weg zu UMTS 3. Generation (UMTS) Statistik

8 Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen an einer Antenne Fließt ein Strom durch die Antenne, so wird ein Magnetfeld aufgebaut. Laut Lenzscher Regel wird bei abnehmenden Strom ein zusätzlicher Strom induziert, der die Antenne zum elektrischen Dipol macht. In diesem elektrischen Feld kommt der Strom zum Erliegen. Die Ladungen fließen jetzt zurück und bauen wieder ein Magnetfeld auf, welches wiederum nach Lenzscher Regel einen zusätzlichen Strom bewirkt, der die Antenne erneut zum elektrischen Dipol in umgekehrter Polarisation zum vorhergehenden Durchgang macht. Das die Antenne umgebende elektromagnetische Wechselfeld wird abgeschnürt und als elektromagnetische Welle in den Raum abgestrahlt.

9 Frequenzmodulation (FM) Frequenz = Anzahl d. Schwingungen pro Sekunde Einheit: Hertz Trägersignal + Nutzsignal = Moduliertes Trägersignal Beispiel Frequency Shift Keying: 1070Hz binäre Hz binäre 1 (Modem) oder eigene Frequenz für 00,01,10,11 mehr Informationen in einer Frequenz

10 Amplitudenmodulation (AM) Amplitude = Höhe der Spannung Trägersignal + Nutzsignal = Moduliertes Trägersignal Digitale Kodierung ähnlich dem FSK eine Amplitude für jeden Zustand

11 Phasenmodulation (PM) Phase = eine Periode der Schwingung Phasenmodulation: Stoppen des Sendens der Schwingung und gleichzeitiges senden einer neuen Schwingung bei gleicher Amplitude und Frequenz Phasenverschiebung Gemessen in Grad: 0 Grad keine Änderung 180 Grad überspringen einer halben Periode Hinweis: Quadraturamplitudenverfahren (QAM) Kombination AM und PM

12 Gliederung Geschichte und Entwicklung Physikalische Grundlagen Kanalaufteilung 1. Generartion (von A Netz bis C-Netz) 2. Generation (GSM) -GSM -Zellulare Netze - Verbesserung der Übertragungsraten Der Weg zu UMTS 3. Generation (UMTS) Statistik

13 Betriebsarten FDD Frequenzy Division Duplex Jeweils eine Frequenz für Up- und Downlink TDD Time Division Duplex Eine Frequenz für Up- und Downlink Einsatz in kleinen Zellen bzw. für Internetdienste Verwendung von Makrodiversität (Soft Handover)

14 Kanalaufteilung FDMA Frequenz Divison Multiple Access Aufteilung des zur Verfügung stehenden Frequenzbandes auf die Teilnehmer Benachbarte Kanäle stören sich

15 Kanalaufteilung TDMA Time Divison Multiple Access Zeitraster für Teilnehmer Systemtakt nötig Kombination TDMA & FDMA

16 Logische Kanäle - CDMA Verwendung unterschiedlicher Codes a = (0.5,0.5, 2 ) b=(- 2, 2, 0) c=(- 0.5,- 0.5, 2) (a b) = (a c) = (b c) = 0 (Orthogonalität) Logische 0 entspricht inversen Vektor

17 Logische Kanäle - CDMA

18 Logische Kanäle - CDMA S = -a+b+0 = (-0.5-w,-0.5+w, -w) Kanal: a s = (0.5,0.5,w) x (-0.5-w,-0.5+w,-w) = 0.5*(-0.5-w) + 0.5*(-0.5+w) + w*(-w) = w w-0.5 = -1 Kanal: b s = (-w,w,0) x (-0.5-w,-0.5+w,-w) = -w*(-0.5-w) + w*(-0.5+w) + 0*(-w) = 0.5w w+0.5 = +1 Kanal: c s = (-0.5,-0.5,w) x (-0.5-w,-0.5+w,-w) = w w-0.5 = 0

19 Gliederung Geschichte und Entwicklung Physikalische Grundlagen Kanalaufteilung 1. Generartion (von A Netz bis C-Netz) 2. Generation (GSM) -GSM -Zellulare Netze - Verbesserung der Übertragungsraten Der Weg zu UMTS 3. Generation (UMTS) Statistik

20 1. Generation Analoge Übertragung der Sprache Im Jahr 1958 Gründung des (öbl) A- Netz durch Deutsche Bundespost Frequenzbereich: MHz Auf Basis der Frequenzmodulation 10 Watt Sendeleistung, Duplexabstand 10MHz und 50kHz Kanalraster % Flächenabdeckung in Deutschland Nur etwa Teilnehmer da Geräte und Grundgebühr sehr teuer + =

21 1. Generation 1972 B- Netz Frequenzbereich MHz 4,7MHz Duplexabstand und 20kHz Kanalraster Vermittlung nicht mehr von Hand durch erstmals kodierte Übertragung der Teilnehmernummer Deutschland in 150 Zonen aufgeteilt mit bis zu 150km Durchmesser Problem: Aufenthaltsort des Teilnehmers

22 1.-2. Generation 1986 C-Netz Frequenzbereich MHz Einstellbares Kanalraster zwischen 10 und 25kHz 10MHz Duplexabstand 15 Watt Sendeleistung Ungeschlagen in Verfügbarkeit Abschaltung am

23 Gliederung Geschichte und Entwicklung Physikalische Grundlagen Kanalaufteilung 1. Generartion (von A Netz bis C-Netz) 2. Generation (GSM) -GSM -Zellulare Netze - Verbesserung der Übertragungsraten Der Weg zu UMTS 3. Generation (UMTS) Statistik

24 Die 2. Generation GSM Global System for Mobile Communications GSM 900 FB 880MHz 960MHz (D-Netz) GSM 1800 FB 1710 MHz 1880MHz (D- u. E- Netz

25 Zellulare Netzstruktur Kanal 6 BTS (Base Tranceiver Station) Kanal 7 Kanal 2 Kanal 3 Kanal 5 im Zentrum Rundstrahler am Rand Richtungsstrahler Kanal1 Kanal 7 Kanal 6 Kanal 4 Kanal 1 Kanal 5 Kanal 6 Kanal 2 R 5R Kanal 7 R Versorgungsradius 5R Interferenzradius

26 Handover Management Ziel: Einleitung und Sicherstellung eines nahtlosen und verlustlosen Handovers eines MT von einer BS zur einer anderen BS. Der Benutzer sollte nichts merken (Transparenz). 1. Messung(en) MT und BS führen laufend Messungen durch z.b.: Signalstärke, Auslastung 2. Entscheidung Basiert auf den Messungen und netzspezifischen Parametern z.b.: Signalstärke unterschreitet einen Mindestwert 3. Ausführung Durchführung des Handover eines MT von einer Zelle in eine andere Erzeugen eines neuen Links Freigeben des alten Links.

27 Wer misst und wer entscheidet? Mobile Initiated: MT misst Downlink; Entscheidet sich für oder gegen ein Handover sowie die Ziel- BS Network Initiated: Das Netz (BS) misst den Uplink Entscheidet sich für oder gegen ein Handover sowie die Ziel- BS Mobile Assisted: wie Netzwerk Initiated MT misst den Downlink und stellt die Daten bereit

28 Klassifikation von Handovers Wo und Wie? Intra-Cell: Lediglich Wechsel auf anderen Kanal Inter-Cell: Wechsel in eine andere Zelle Inter-Network: Wechsel in ein anderes Netz z.b.: D-Netz E-Netz Hard Handover: MT schaltet vom alten auf den neuen Link Nur eine aktive Verbindung (Kurze Unterbrechung) Soft Handover: - MT unterhält zwei Kanäle zugleich - Beim Wechsel schaltet es weich von einer BS zur anderen

29 Klassifikation von Handovers Wo und Wie? Forward Handover: MT entscheidet sich für die nächste Zelle Kontaktiert die BS der neuen Zelle Neue BS initiiert das Trennen der alten Verbindung Backward Handover: MT entscheidet sich für die nächste Zelle Kontaktiert aktuelle BS Alte BS signalisiert der neuen BS das Handover

30 Datenübertragung Datenmodus in GSM: 9,6kbit/s HSCSD High Speed Circuit Switched Data Bündelung aller 8 Zeitschlitze 76.8kbit/s GPRS General Packet Radio System (2,5 G) Paketorientierter Datendienst Direkte Schnittstelle zu IP basierten Anwendungen Abrechnung nach Datenvolumen möglich Optimale Nutzung der Luftschnittstelle 115kbit/s (aus 8 Kanälen und 14,4kbit/s pro Kanal) Antennemast

31 Datenübertragung EDGE Enhanced Data Rate for Global Evolution Änderung der Luftschnittstelle durch 8PSK (Eight Phase Shift Keying) 3bit pro Impuls anfällig gegenüber Interferenzen 384kbit/s (Kanalkodierung)

32 Gliederung Geschichte und Entwicklung Physikalische Grundlagen Kanalaufteilung 1. Generartion (von A Netz bis C-Netz) 2. Generation (GSM) -GSM -Zellulare Netze - Verbesserung der Übertragungsraten Der Weg zu UMTS 3. Generation (UMTS) Statistik

33 Die 3. Generation UMTS Universal Mobile Telecommunication System Luftschnittstelle ULTRA (UMTS Terrestrial Radio Acces) Übertragung durch WCDMA (Wide-CDMA) verfahren mehrere Teilnehmer benutzen den selben Frequenzkanal von 5MHz jeder Teilnehmer hat seinen eigenen Code Signal wird mit eindeutigen Code multipliziert (gespreitzt bzw. zurück gespreitzt)

34 Probleme bei Spreitzverfahren Code für Kanalcodierung (Channelizingcode) 100% Orthogonal aber: nur bei synchronem Senden der Signale nur im Downlink möglich Code für Uplink (Scramblingcode) 100% Orthogonal auch bei leichten Zeitverzögerungen Was passiert an den Zellgrenzen? Multiplikation mit Zellenscramblingcode

35 3. Generation Problem: Near Far Effekt Unterschiedliche Signalstärken der Teilnehemer Power Controll paketorientiert Internetanwendungen ohne neuen Rufaufbau 2,5fache Frequenzausnutzung Übertragungsraten bis zu 2 Megabit/s Durchschnittlich kBit/s 2x- 6x ISDN

36 Zellatmung Zellgröße abhängig von Verkehrslast Mehr Teilnehmer in der Zelle größere Störungen der Signale untereinander Erhöhung der Sendeleistung des Nutzsignals um sich vom Störsignal mehr abzuheben Handy hat nur begrenzte Sendeleistung (typischerweise 125mW, [max. 2W] ) und es sinkt die maximale Reichweite des Handys Zelle schrumpft

37 WAP vs. I-Mode bzw. Dos vs. Win WAP (Wireless Application Protocol) Eigene Seitensprache WML für die Anzeig auf kleinen Diplays (Ableitung der HTML) I-Mode die Vorstufe von WAP 2.0 basiert auf (c)ompact-html keine komplette Übersetzung der in HTML vorliegenden Internetseiten MMS (Multimedia Messaging Service) SMIL - Synchronized Multimedia Integration Language Bilder, Animationen bis zu 100kb

38 Entwicklung im Überblick by Mototola

39 Fördernde und bremsende Faktoren für UMTS-Akzeptanz Bewertung nach Punkten (1-5) laut c-quential Marktforschung Fördernde Faktoren

40 Bremsende Faktoren

41 Statistik Mobilfunkteilnehmer in Teilnehmer Deutschland Teilnehmer Frankreich

42 Quellen