Überblick über Mobilfunk-Standards. Roland Pfeiffer 5. Vorlesung

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1 Überblick über Mobilfunk-Standards 2 1 Roland Pfeiffer 5. Vorlesung

2 Gliederung Mobilfunk-Standards Digital European Cordless Telephone (DECT) Industrial, Scientific and Medical (ISM) Advanced Mobile Phone Service (AMPS) North American Digital Cellular System (NADC) Qualcomm CDMA (IS-95) C-Netz Global System for Mobile Commucation (GSM) PCS-1900 Ausblick: Universal Telephone Mobile Service (UTMS) Verbindungsaufbau am Beispiel GSM Problemstellung: Frequency Re-use Gliederung des GSM-Systems Zusammenfassung Literaturhinweise

3 Digital European/Enhanced Cordless Telephone (DECT) verwendet für schnurlose Telefone ab 1991 Übertragungsart: digital Duplex-Verfahren: TDD (Timing unkritisch, da geringe Entfernung) Multiple-Access: FDMA Bereich Mhz, 10 Channels mit 2 MHz Breite kombiniert mit TDMA mit 12 Teilnehmern ergibt 120 traffic channels Modulation: GMSK

4 Industrial, Scientific and Medical (ISM) Funksystem industrielle, wissenschaftliche und medizinische Aufgaben für kleine Reichweiten (100m-1km) Übertragungsart: digital Duplex-Verfahren: freigestellt Multiple-Access: USA: CDMA Bereich Mhz, ,5 MHz, MHz, auch FH-CDMA möglich Modulation: Europa: CDMA Bereich Mhz, Mhz, ,5 MHz, MHz, auch FH-CDMA möglich freigestellt Anwedung: zum Beispiel Wireless LAN Bluetooth 2,4 GHz Mikrowellenofen 2,4 GHz

5 Advanced Mobile Phone Service (AMPS) Mobilfunksystem USA seit 1983, also veraltet ( 1. Generation )! Übertragungsart: analog Duplex-Verfahren: FDD Multiple-Access: FDMA Bereich / MHz, 832 Channels mit 30 khz Breite Modulation: FM Station

6 North American Digital Cellular System (NADC) Mobilfunksystem USA ( 2. Generation ) Übertragungsart: digital Duplex-Verfahren FDD Multiple-Access: FDMA Bereich / MHz, 832 Channels mit 30kHz Breite kombiniert mit TDMA mit 6 Teilnehmern ergibt 4992 traffic channels Modulation: /4-DQPSK

7 Qualcomm CDMA (IS-95) Mobilfunksystem USA ab 1994 ( 2. Generation ) Übertragungsart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multiple-Access: CDMA Bereich / MHz, 20 Channels mit 1,25 MHz Breite Modulation: Offset-QPSK

8 Mobilfunksystem Deutschland A,B,C-Netz Quelle: Die Geschichte des Mobilfunks

9 Mobilfunksystem Deutschland A-Netz Bundeskanzler Adenauer Mercedes mit Mobilfunk

10 Mobilfunksystem Deutschland B-Netz Geräte für das B-Netz

11 C-Netz Mobilfunksystem Deutschland seit 1986, also veraltet ( 1. Generation ), aber Grundlage zu Global System for Mobil Communications (GSM) Übertragungsart: analog (Sprache), digital (Synchronation) Duplex-Verfahren: FDD Multiple-Access: FDMA Bereich / MHz, 222 Channels mit 20kHz Breite Modulation: PM Station

12 Mobilfunksystem Deutschland C-Netz Geräte für das C-Netz

13 Mobilfunksystem Deutschland C-Netz Handy für das C-Netz

14 Global System for Mobile Communication (GSM) Mobilfunksystem Deutschland seit 1991 ( 2. Generation, weltweit führend) Übertragungsart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multiple-Access: FDMA Bereich / MHz, 125 Channels mit 200kHz Breite (1 Channel ungenutzt) kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 992 traffic channels im D-Netz Modulation: GMSK

15 Global System for Mobile Commucation (GSM) Mobilfunksystem Deutschland seit 1991 ( 2. Generation, weltweit führend) Übertragungsart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multiple-Access: FDMA Bereich / MHz, 375 Channels mit 200kHz Breite (1 Channel ungenutzt) kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 2992 traffic channels im E-Netz (seit 1994) Modulation: GMSK

16 PCS-1900 ( Personal Communication Service ) Mobilfunksystem USA analog GSM, aber anderer Frequenzbereich ( 2. Generation ), auch GSM-1900 genannt Übertragungsart: digital Duplex-Verfahren: FDD Multiple-Access: FDMA Bereich / MHz, 300 Channels mit 200kHz Breite kombiniert mit TDMA mit 8 Teilnehmern ergibt 2400 traffic channels Modulation: GMSK

17 Universal Telephone Mobile Service (UMTS) weltweites Mobilfunksystem ( 3. Generation ) Übertragungsart: digital Duplex-Verfahren: FDD/TDD (hierachieabhängig) Multiple-Access: CDMA kombiniert mit FDMA/TDMA (hierachieabhängig) Bereich / MHz, 5 MHz Bandbreite Modulation: QPSK

18 Mobiles Internet

19 Mobilfunksystem Deutschland LTE LTE Long Term Evolution ergänzend zu GSM und UMTS weltweit Mobilfunksystem Frequenzbereich 700 bis 2700 MHz festgelegt vollständig auf die Übertragung von Daten ausgerichtet Sprachübertragung per Voice over IP (VoIP) vergleiche Skype 2010 Deutschland Versteigerung von LTE-Frequenzen Erlös: 4,4 Milliarden 2010 Deutschland erstes LTE-Pilotnetz 4.Generation Quelle: Die Geschichte des Mobilfunks

20 Mobilfunksystem Deutschland LTE Quelle:

21 Gliederung Mobilfunk-Standards Digital European Cordless Telephone (DECT) Advanced Mobile Phone Service (AMPS) North American Digital Cellular System (NADC) Qualcomm CDMA (IS-95) C-Netz Global System for Mobile Commucation (GSM) Ausblick: Universal Telephone Mobile Service (UTMS) Verbindungsaufbau am Beispiel GSM Problemstellung: Frequency Re-use Gliederung des GSM-Systems Zusammenfassung Literaturhinweise

22 Problemstellung: Frequency Re-use Wie können die Channels eines Übertragungsbandes beim Mobilfunk möglichst oft wiederwendet werden ( Frequency re-use )? Funkkanalbreite ( Channel Bandwith ) x-1 x Frequenzbreite eines Übertragungsbandes ( Band )

23 Problemstellung: Frequency Re-use Lösung: Zellularer Aufbau des Mobilfunksystem Cellular structure ( englischer Name Cellular Phone!!) Prinzip: Aufteilung der Channels auf sieben Zellen ( Channel - Sub-Bänder 1-7) in Hexagonal-Struktur Cellular structure Zelle ( Cell )

24 Problemstellung: Frequency Re-use Lösung: Zellularer Aufbau des Mobilfunksystem Cellular structure ( englischer Name Cellular Phone!!) Cellular structure Zelle ( Cell ) Frequency Re-Use Faktor: bei Sechsecken rhombische Zahl r 1,3,4,7,9,12,13,16,...

25 Problemstellung: Frequency Re-use Vorteil der Hexagon-Struktur: große räumliche Entfernung der Channel -Sub-Bänder 1-7 Meßgröße: Co-Channel Interference bei Space Division Multiple-Access

26 Problemstellung: Frequency Re-use Beispiel GSM D-Netz: Frequenz: / MHz Kapazität: FDMA 124 Channels (1 Channel ungenutzt),tdma 8 Teilnehmern 992 traffic channels Wettbewerb: wireline D1 Telekom vs. non-wireline D2 Mannesmann/Vodafone 62 Channels, 496 traffic channels Frequency re-use: 62 Channels /7=8, (gleichmäßige Aufteilung),TDMA 8 Teilnehmern 64 traffic channels eine Zelle 64 traffic channels bei gleichmäßiger Aufteilung

27 Problemstellung: Frequency Re-use Problem: unterschiedliche Geschwindigkeit Umbrella -Konzept Mikro-Zelle für niedrige Geschwindigkeit "Umbrella" Zelle für höhere Geschwindigkeit auch: neue Ballungsräume Cell splitting usw.

28 Problemstellung: Frequency Re-use Antennenart: rundumstrahlende ( omnidirektionale ) Antennen

29 Problemstellung: Frequency Re-use Antennenart: Richtantennen um 120 versetzt Vorteil: weniger störanfällig wegen Richtwirkung (wird im allgemeinen gewählt)

30 Problemstellung: Frequency Re-use Theorie: Zellularer Aufbau des Mobilfunksystem auf einer Hexagonal-Struktur Praxis: Unregelmäßigkeiten durch unregelmäßige Ausbreitungsbedingungen

31 Problemstellung: Frequency Re-use Zellularer Aufbau führt zu Zellwechsel, der von einer Station ein- geleitet, synchronisiert usw. werden muß Bezeichnungen: Handover Vorgang des Zellwechsels (Soft-Handover/Hard-Handover) Roamer Mobilteil, das die Zelle wechselt 2 1

32 Gliederung Mobilfunk-Standards Digital European Cordless Telephone (DECT) Advanced Mobile Phone Service (AMPS) North American Digital Cellular System (NADC) Qualcomm CDMA (IS-95) C-Netz Global System for Mobile Commucation (GSM) Ausblick: Universal Mobile Telephone Service (UTMS) Verbindungsaufbau am Beispiel GSM Problemstellung: Frequency Re-use Gliederung des GSM-Systems Zusammenfassung Literaturhinweise

33 Gliederung des GSM-Systems Grafische Darstellung des GSM-System: MS OMC Operation Support Sub-System BS BS BSC MSC PSTN BS Baseband Sub-System Network and Switching Sub-System Public Switched Telephone Network (Telefonnetz)

34 Gliederung des GSM-Systems Register des GSM-System: zentrale Datenbank HLR AC MS Base Station BS VLR BS BSC MSC Festnetz BS Base Mobile Switching Switching Center Center

35 Register des GSM-Systems Register des GSM-Systems: Home Location Register (HLR) (zentrale Datenbank): alle Teilnehmer, die beim Netzbetreiber angemeldet sind Visitor Location Register (VLR) (MSC): alle Teilnehmer, die sich im Bereich der MSC zur Zeit aufhalten Authentication Center (AUC,AC) (zentrale Datenbank): braucht verschiedene auf SIM-Chipkarte gespeicherte Identifikations- nummer u. a. International Mobile Subscriber Identity (IMSI)

36 Gliederung des GSM-Systems Anmelden (Einschalten des Handy ): IMSI MS über Air Interface IMSI senden Gefahr!! möglichst vermeiden!! Base Station BS BS BS 1 BSC IMSI VLR MSC zentrale Datenbank HLR AC IMSI 2 Festnetz

37 Gliederung des GSM-Systems Anmelden (Einschalten des Handy ): Base TMSI Station MS 5 BS TMSI 3 ok!! VLR 4 6 TMSI zentrale Datenbank HLR AC BS BSC MSC Festnetz BS Base Mobile Switching Switching Center Center

38 Verwendung der Register des GSM-Systems Einschalten des Handy : Mobilteil: Senden der IMSI MSC: aufgrund des Empfangs der IMSI Erzeugen einer Temporary Mobile Subscriber Identity (TMSI), Kontaktaufnahme mit der zentralen Datenbank, die die HLR enthält, wenn ok: Übermittelung der TMSI (aus der TMSI geht die MSC des jeweiligen Aufenthaltsortes hervor) Einbuchvorgang abgeschlossen!! Bemerkung: Aufenthalt im Sendebereich einer neuen MSC: wieder neue TMSI Abhörsicherheit!

39 Gliederung des GSM-Systems Angerufenwerden des Handys : Base Gespräch Station MS VLR zentrale Datenbank HLR AC TMSI 2 1 BS 3 Gespräch BS BSC MSC Festnetz BS Base Mobile Switching Switching Center Center

40 Verwendung der Register des GSM-Systems Angerufenwerden des Handys : vor dem Gespräch: Kontaktaufnahme mit der zentralen Datenbank, Übermittelung der TMSI (aus der TMSI geht die MSC des jeweiligen Aufenthaltsortes hervor), Kontaktaufnahme mit der MSC des jeweiligen Aufenthaltsortes Gesprächsbeginn Bemerkung: Aufenthalt im Sendebereich einer neuen MSC: wieder neue TMSI Abhörsicherheit!

41 Zusammenfassung Mobilfunk-Standards Digital European Cordless Telephone (DECT) Advanced Mobile Phone Service (AMPS) North American Digital Cellular System (NADC) Qualcomm CDMA (IS-95) C-Netz Global System for Mobile Commucation (GSM) Ausblick: Universal Mobile Telephone Service (UTMS) Verbindungsaufbau am Beispiel GSM Problemstellung: Frequency Re-use Gliederung des GSM-Systems Zusammenfassung Literaturhinweise

42 Literaturhinweise Bücher: -B. Razavi, RF Microelectronics,Prentice Hall, 1998, ISBN T.S. Rappaport, Wireless Communications, Prentice Hall, 1996, ISBN E.A. Lee, D.G. Messerschmidt, Digital Communication, Kluwer, 1988, ISBN Jochen Schiller, Mobilkommunikation, Pearson, 2003, ISBN

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