Mobilfunknetze und ihre Protokolle

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1 Mobilfunknetze und ihre Protokolle Bandl Grundlagen, GSM, UMTS und andere zellulare Mobilfunknetze Von Professor Dr.-Ing. Bernhard Walke Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Mit 198 Bildern und 71 Tabellen B. G. Teubner Stuttgart 1998

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort Kurzinhalt Band 2 VII XVII 1 Einleitung Bestehende bzw. in Einführung befindliche Netze und Dienste GSM/DCS1800-System DECT Funknetze als Bypass des verdrahteten Ortsnetzes Drahtlose lokale Netze (IEEE WLAN, Wireless LAN, ETSI/HIPERLAN 1) Drahtlose Netze für die Prozeßautomatisierung Universal Mobile Telecommunications System UMTS Drahtlose Breitbandsysteme Mobiler Satellitenfunk Universelle persönliche Mobilität Systeme mit intelligenten Antennen Mobilfunksysteme mit dynamischer Kanalvergabe Weitere Aspekte Selbstorganisierende Systeme Elektromagnetische Umweltverträglichkeitsuntersuchungen Historische Entwicklung 23 2 Systemaspekte Charakteristika der Funkübertragung Dämpfung Ausbreitung über einer Ebene Schwund bei Ausbreitung mit vielen Reflektoren (Mehrwegeausbreitung) Statistische Beschreibung des Übertragungskanals Reflexion Beugung RMS Delay-Spread Abschattung 46

3 XII Inhaltsverzeichnis Störungen durch Fremdsysteme Modelle zur Funkfeldberechnung Empirische Modelle Beugungsmodelle Strahlverfolgungsverfahren Das Okumura/Hata-Modell Funkausbreitung in Mikrozellen Zellulare Systeme Clusterbildung und Störabstand C/J-Verhältnis und Verminderungsfaktor Verkehrslast und Zellradius Sektorisierung und spektrale Effizienz Effizienz und tragbarer Verkehr Wirkung der Sektorisierung bei fester Clustergröße Effizienz und tragbarer Verkehr bei Sektorisierung und unterschiedlicher Clustergröße Sektorisierung bei Abschattung Das ISO/OSI-Referenzmodell Zuteilung der Funkkanäle Frequenzmultiplex, FDM Zeitmultiplex, TDM Codemultiplex, CDM CDMA-Technik für den zellularen Mobilfunk Raummultiplex, SDM Hybride Verfahren Kanalvergabestrategien Klassifizierung der Kanalvergabeverfahren FCA BCA DCA HCA Adaptivität der BCA/HCA-Kanalvergabeverfahren Grundlagen der Fehlersicherung Besonderheiten der Fehlersicherung bei Funkkanälen Fehlererkennung Fehlerkorrektur Fehlerbehandelnde Verfahren (Schiebefensterprotokolle) Hybride ARQ/FEC-Verfahren Grundlagen zum Zufallszugriff Die Slotted-ALOHA Zugriffsmethode Slotted-ALOHA mit Zufallszugriffsrahmen Zugriffsverzögerung bei Slotted-ALOHA 116

4 Inhaltsverzeichnis XIII Algorithmen zur Kollisionsauflösung bei Slotted-ALOHA GSM-System Die GSM-Empfehlung Die Architektur des GSM-Systems Funktioneller Aufbau des GSM-Systems Schnittstellen des GSM-Systems Die Funkschnittstelle am Bezugspunkt U m Multiplex-Struktur Frequency Hopping (FH) Logische Kanäle Hierarchie der Rahmenstrukturen Kombinationen logischer Kanäle Kanalkombinationen einer Zelle in Abhängigkeit von der erwarteten Zellauslastung Schicht 1: Bitübertragung GSM-Schicht-2: Sicherung Signalisierungsprotokolle der GSM-Sicherungsschicht Das LAPD m -Protokoll Dienste der physikalischen Schicht Einfluß der physikalischen Schicht auf das LAPD m Dienste des LAPD m Die Netzschicht im GSM Verbindungsaufbau Dienste der CC-Teilschicht Dienste der MM-Teilschicht Dienste der RR-Teilschicht Format und Codierung einer Schicht-3-Nachricht Weiterleiten einer Schicht-3-Nachricht Primitive der Teilschichten GSM-Handover Notwendigkeit für Handover GSM-Empfehlungen Handovervorbereitung Meßwertreporte Handoverentscheidung Beispielalgorithmus GSM Probleme des GSM-Handoverprozesses Intra-MSC-Handover Das Intra-MSC-Handoverprotokoll Inter-MSC Handover Aktualisierung des Aufenthaltsbereiches (Location Update) 259

5 XIV Inhaltsverzeichnis Unterstützung von Roaming Numerierungsplan für das Roaming Verbindungsaufbau Kommender Ruf (Mobile Terminated Call) Gehender Ruf (Mobile Originated Call) Datenübertragung und Raten-Anpassungsfunktionen Ratenanpassung an die Leistung des Verkehrskanals Ratenanpassung bei der Verbindung BTS/Transcoder zur MSC bzw. MSC/IWF Schicht-2-Brückenfunktion (Layer 2 Relay, L2R) und Radio Link Protocol (RLP) Das Radio-Link Protokoll (RLP) Die Dienste im GSM-Mobilfunknetz Einführungsphasen der Dienste Trägerdienste Teledienste Zusatzdienste Zukünftige Sprach- und Datendienste im GSM ASCI - erweiterte GSM-Sprachdienste HSCSD - der hochbitratige kanalvermittelte Datendienst GPRS - der zukünftige GSM-Paketdatendienst Netzübergangsfunktion - Interworking Function, IWF Übergang zum öffentlichen Fernsprechwählnetz Übergang zum ISDN Übergang zum öffentlichen paketvermittelten Datennetz Übergang zum öffentlichen kanalvermittelten Datennetz Netzübergangsfunktionen für Teledienste Sicherheitsaspekte Authentisierung Vertraulichkeit der Nutz- und Signalisierdaten Vertraulichkeit der Teilnehmeridentität Transport sicherheitsrelevanter Informationen GSM in Deutschland Schlußbemerkung Digital-Mobilfunknetz ETSI/DCS Weitere öffentliche Mobilfunksysteme Flugtelefon-Netz für öffentliche Luft-Boden-Kommunikation TFTS-Zellularnetz Frequenz- und Zeitmultiplexkanäle Sprach- und Datenübertragung Funktionsmerkmale 331

6 Inhaltsverzeichnis XV Bodenstationen und Frequenzplan Das US Digital Cellular System (USDC) Technische Daten des USDC-Systems CDMA-Zellularfunk gemäß IS Forward-Link Return-Link Praktische Erfahrungen mit IS-95-CDMA Das japanische Personal Digital Cellular System (PDC) Technische Daten des PDC-Systems Vergleich von Zellularsystemen der 2. Generation Zellulare Mobilfunknetze der 3. Generation UMTS - Universal Mobile Telecommunications System FPLMTS - IMT Dienste für UMTS und IMT Trägerdienste Teledienste Zusatzdienste Mehrwertdienste Dienstparameter Verkehrsdichte Frequenzspektrum für UMTS Anforderungen an die Funkschnittstelle Betriebsumgebung Dienste Mobilität Frequenzspektrum Protokolle Vorschläge für die Funkschnittstelle Wideband-CDMA OFDM Wideband-TDMA Wideband-TDMA/CDMA Handover im UMTS Netzgestützter Handover 393 A Warte- und Verlustsysteme 397 A.l Das Wartesystem M/M/n-oo 397 A.1.1 Zustandsprozeß als spezieller Geburts- und Sterbe-Prozeß. 398 A.l.2 Charakteristische Leistungskenngrößen 399 A.2 Das Warte-Verlustsystem M/M/n-s 401 A.2.1 Zustandsraum als spezieller GS-Prozeß 401

7 XVI Inhaltsverzeichnis A.2.2 Charakteristische Größen 402 B Standards und Empfehlungen 405 B.l Internationale Standardisierungsorganisationen 406 B.l.l ISO 406 B.1.2 ITU 407 B.1.3 IEC 411 B.1.4 INTELSAT/INMARSAT 412 B.1.5 ATM Forum 412 B.2 Europäische Standardisierungsorganisationen 413 B.2.1 CEN/CENELEC 413 B.2.2 CEPT 413 B.2.3 ETSI 415 B.2.4 ECMA 422 B.2.5 EBU 423 B.2.6 EUTELSAT 423 B.2.7 ESA 423 B.3 Nationale Standardisierungsorganisationen 424 B.4 Quasi-Standards 425 B.4.1 Firmen-Standards 425 B.4.2 Benutzer-Standards 426 C Internationale Frequenzzuweisungen 427 D Frequenzen europäischer Mobilfunksysteme 431 E Der GSM-Standard 433 F Abkürzungsverzeichnis 439 Literaturverzeichnis 443 Index 455