Kommunikationsnetze. 9. Mobilfunknetze

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1 Kommunikationsnetze 9. Mobilfunknetze Einführung Funkkommunikation Zellulare Systeme Drahtlose Infrastrukturnetze Klassifikation von Mobilfunknetzen Ad-hoc-Netze

2 Einführung Funkkommunikation 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 2016/17) 286

3 Signalausbreitung Ausbreitung im freien Raum grundsätzlich geradlinig (wie Licht) Abnahme der Empfangsleistung mit 1/d² (d = Entfernung zwischen Sender und Empfänger) Beeinflussung der Empfangsleistung 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 2016/17) 287

4 Mehrwegeausbreitung Ursache: Reflektion, Streuung und Beugung Sendesignal Wirkung: gleichzeitiger Empfang direkter und phasenverschobener Signalanteile je nach Phasenlage abgeschwächtes Signal zeitliche Streuung des Signals (time dispersion) Interferenz mit Nachbarsymbolen Empfangssignal Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 288

5 Technische Randbedingungen in Mobilfunknetzen Nutzbares Frequenzspektrum = endliche Ressourcen = hohe (Lizenz-)Kosten Kapazitätsbegrenzung durch festgelegte Frequenzbänder Effektive Nutzung mittels Modulation und Codierung Deshalb: Sparsamer Umgang mit Frequenzen Wiederverwendung von Frequenzen (Kanäle) in lokal begrenzten Netzabschnitten (Zellen) Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 289

6 Zellulare Systeme (I) Klassische Funksysteme eine Basisstation mit hoher Sendeleistung Abdeckung eines (sehr) großen Bereichs meist auch Beibehaltung eines zugewiesenen Funkkanals bei Wechsel des Bereich ungenaue Definition der Grenzen solcher Bereiche Probleme klassischer Funksysteme Keine oder eingeschränkte Möglichkeit der Wiederverwendbarkeit von Funkkanälen große Teilnehmerzahlen nicht handhabbar Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 290

7 Zellulare Systeme (II) Problemlösung: Einteilung des Versorgungsbereiches in Zellen Versorgung innerhalb einer Zelle durch eine Basisstation Verwendung unterschiedlicher Funkkanäle in benachbarten Zellen (Vermeidung von Interferenzen) Wiederverwendung von Kanälen in entfernten Zellen (Raum-MUX) Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 291

8 Zellulare Systeme (III) Klassisches Funksystem Zellulares Funksystem f 3 f 2 f 2 f 1 f 1 f 1 f 1-3 f 3 f 3 f 2 f 2 f 2 f 1 f 1 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 292

9 Öffentliche Mobilfunkdienste und -netze 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 2016/17) 293

10 Drahtlose Infrastrukturnetze Mobiles Endgerät Basisstation (Access Point) Festnetz Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 294

11 Drahtlose Infrastrukturnetze Aufbau Infrastruktur ist Voraussetzung Kommunikation zwischen Zugangspunkt (Basisstation, Access Point) und drahtlos angebundenen Endgeräten (Mobilstationen) maximal 1 Hop zum Festnetz (=Access Point) mehr als 1 Hop zum Nachbarn Zugang zum Festnetz über Basisstation Basisstationen über Festnetz miteinander verbunden Möglichkeit der Bildung logischer Netze Hinweis: keine Vermittlung im Funkzugang Bsp.: GSM-, UMTS-Netz Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 295

12 Drahtlose Infrastrukturnetze Eigenschaften vorausgehende Planung Bereitstellung von Diensten durch Infrastruktur (z.b. Namensauflösung, Weiterleitung von Daten, Authentifizierung) keine direkte Kommunikation zwischen den Endgeräten Komplexität im Zugangspunkt Endgeräte relativ einfach (bzgl. Netzwerkfunktionen) Dienstgütegarantien möglich zentralisierte Verwaltung/Administration anfällig bei Katastrophenfällen wie Erdbeben, Bränden Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 296

13 Übersicht über Mobilfunksysteme Datenrate WLAN (Wireless Local Area Network) LTE (Long Term Evolution) WPAN (Wireless Personal Area Network) Schnurlose TK-Systeme UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) 2G-Mobilfunksysteme Bündelfunksysteme Funkrufsysteme Mobiler Satellitenfunk indoor regional national kontinental interkontinental Reichweite Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 297

14 Klassifikation von Mobilfunknetzen Öffentliche Mobilfunknetze 1. Generation: A-Netz, B-Netz, C-Netz 2. Generation: GSM 3. Generation: UMTS 4. Generation: LTE-Advanced 5. Generation:??? (ca. im Jahr 2020) Wireless Local Area Networks WLAN IEEE Wireless Personal Area Networks WPAN Bluetooth IrDA Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 298

15 1. Generation I A-Netz ( ): vorerst als öffentlich beweglicher Landfunkdienst analog manuelle Vermittlung max. ca Teilnehmer B-Netz ( ): analog Selbstwählverbindungen (Vorwahl standortabhängig) Kein Handover Begrenztes Roaming max. ca Teilnehmer Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 299

16 1. Generation II C-Netz ( ): Trennung von Teilnehmeridentität (Magnetkarte, TeleKarte) und Endgerät Vorwahl ortsunabhängig Handover Zusatzdienste wie Rufumleitung, Anrufbeantworter kein Roaming (Standard nur in Deutschland, Portugal und Südafrika eingesetzt) leicht abzuhören (lediglich Sprachverschleierung) bis zu Teilnehmer Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 300

17 2. Generation GSM (seit 1992 in Deutschland) GSM: Groupe Speciale Mobile Arbeitsgruppe der CEPT (Conference Europeéne des Administrations des Postes et des Telecommunications) GSM: Global System for Mobile Communication Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 301

18 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 festnetzseitig Nutzung von Kenntnissen und Techniken 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 2016/17) 302

19 Besondere Merkmale der GSM-Empfehlung I 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 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 303

20 Besondere Merkmale der GSM-Empfehlung II Handover incl. 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 2016/17) 304

21 GSM: Überblick NSS mit OSS OMC, EIR, AUC HLR GMSC Festnetz VLR MSC VLR MSC BSC RSS BSC BTS BTS BTS BTS BTS AUC Authentication Centre BSC Base Station Controller BTS Base Transceiver Station EIR Equipment Identity Register GMSC Gateway MSC HLR Home Location Register MSC Mobile (services) Switching Centre NSS Network Switching Subsystem OMC Operation and Maintenance Centre OSS Operation Support Subsystem RSS Radio Subsystem VLR Visitor Location Register Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 305

22 Zeit-Vielfachzugriff (TDMA) MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Abwärtsrichtung MHz 124 Kanäle mit je 200 khz Aufwärtsrichtung Höhere GSM-Rahmenstrukturen GSM-TDMA-Rahmen Zeitbereich 4,615 ms Schutzzeit GSM-Zeitschlitz Schutzzeit Tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten Tail bit 546,5 µs 577 µs Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 306

23 GPRS General Packet Radio Service basiert auf existierenden GSM-Netzen zu Grunde liegendes Netz ist leitungsvermittelt skalierbare Bitraten durch Bündelung von bis zu 8 Zeitschlitzen (ein gesamter Funkkanal) Paketvermittlung 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 (IMSI = International Mobile Subscriber Identity) Serving GPRS Support Node (SGSN) funktionelle Unterstützung der Mobilstationen Abfrage der Adressen von Gruppenrufen GPRS Register (GR) GPRS bezogene Teilnehmerdaten, Teil des HLR Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 307

24 GPRS Architektur und Schnittstellen SGSN G n MS BSS SGSN GGSN PDN U m G b G n G i MSC HLR/ GR VLR EIR BSS MS PDN Base Station Subsystem Mobile Station Public Data Network Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 308

25 3. Generation UMTS (seit 2004 in Deutschland) UMTS: Universal Mobile Telecommunications System Zielstellung: Dienste des ISDN GSM-Dienste standortbezogene Dienste, E-Commerce, Internet, Datenkommunikation leitungsvermittelt und paketvermittelt (max. 384 kbit/s) Unterstützung verschiedener Zugriffsverfahren (TDMA, FDMA, CDMA, hybrid) Weltweites Roaming in den Frequenzbändern 850, 900, 1900 und 2100 MHz Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 309

26 UMTS - Architektur Node B Basisstation CN Core Network PSTN Public Switched Telephone Network RNC Radio Network Controller RNS Radio Network Subsystem BTS A bis BSC BSS I u VLR MSC B GMSC PSTN Node BTS B I u CS F D C EIR HLR NodeB NodeB I ub RNC SGSN G f G r G n G c GGSN PDN G p NodeBB RNS I u PS CN Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 310

27 HSPA/HSPA+ HSPA: High Speed Packet Access Erweiterung des UMTS-Standards Datenraten Download HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) max. 337,5 Mbit/s am Markt typischerweise max. 42 Mbit/s Datenraten Upload HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) max. 23 Mbit/s am Markt typischerweise max. 5,76 Mbit/s Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 311

28 LTE (seit 2010 in Deutschland) LTE: Long Term Evolution Generation 3.9 Nutzung unterschiedlicher Frequenzbänder weltweit (Westeuropa, Mittlerer Osten, Afrika: 800, 1800 und 2600 MHz) Unterstützung verschiedener Bandbreiten (1,4; 3; 5; 15 und 20 MHZ) Nutzung der Mehrantennentechnik (MIMO Multiple Input Multiple Output) Downloadrate max. 300Mbit/s Uploadrate max. 75 Mbit/s Einsatz von SON-Techniken (SON = SelbstOrganisierendes Netzwerk) Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 312

29 4. Generation LTE-Advanced (seit 2010 in Deutschland) abwärtskombatibel zu LTE verbessertes MIMO Unterstützung von Relay Nodes Unterstützung verschiedener Bandbreiten ( MHZ) Downloadrate max Mbit/s Uploadrate max. 500 Mbit/s Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 313

30 Die Architektur von LTE UE UE enodeb PCRF enode B EPC EUTRAN MME PCRF PDN-GW S-GW UE Basisstation Evolved Packet Core Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network Management Mobility Entity Policy and Charging Rules Function Packet Data Network Gateway Serving Gateway User Equipment UE enodeb MME (HSS) UE enodeb EUTRAN S-GW PDN-GW EPC Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 314

31 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 2016/17) 315

32 Ad-hoc-Netze Funktionsweise A B C D E F G H Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 316

33 Eigenschaften von Ad-hoc-Netzen (I) keine Infrastruktur nötig keine vorausgehende Planung nötig dezentrales Netzmanagement self-creating self-organizing immer und überall self-administering Unterstützung der dynamischen Änderung der Topologie Unterstützung von Multihop-Verbindungen selbständige Aufnahme/Abmeldung von Stationen Endgeräte ggf. auch als Router Möglichkeit der direkten Kommunikation zwischen Endgeräten selbständige Routenwahl hohe Komplexität der Endgeräte unanfällig gegenüber Katastrophen Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 317

34 Eigenschaften von Ad-hoc-Netzen (II) Einsatzgebiete: spontanen Treffen Kommunikation fernab jeglicher Infrastruktur (z.b. Militäreinsätze) schneller Ersatz bei zerstörter Infrastruktur... 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, 2 (ETSI-Standard) Bluetooth Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 318

35 Infrastruktur- vs. Ad-hoc-Netze Infrastrukturnetze Drahtlose Netze LTE/LTE-Advanced Ad-hoc-Netze (bzw. infrastrukturlose Netze) UMTS GPRS GSM... IEEE (WLAN) Bluetooth Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 319

36 IEEE-Standard für Wireless Local Area Networks Mobiles Endgerät (Mobile terminal) Festes Endgerät (Fixed terminal) Server Infrastrukturnetz Zugangspunkt (Access point) Anwendung Anwendung TCP TCP IP IP MAC MAC MAC MAC PHY PHY PHY PHY Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 320

37 WLAN-Standards im Vergleich IEEE-Standard Frequenzband Kanalbandbreite in MHz Antennen max. Datenrate (brutto) - 2,4 GHz Single 2 Mbit/s max. Datenrate (netto; nur für nicht proprietäre) a 5 GHz * Single 54 Mbit/s 108 Mbit/s * Mbit/s b 2,4 GHz *, 80 * Single 11 Mbit/s 44 Mbit/s * 5-6 Mbit/s g 2,4 GHz * Single 54 Mbit/s 125 Mbit/s * Mbit/s n 2,4 GHz, 5 GHZ 20, 40 Single, MIMO 600 Mbit/s 240 Mbit/s ac 5 GHz 80, 160 MIMO 6,9 Gbit/s 3,5 Gbit/s ad 60 GHz 2000 Single 6,7 Gbit/s? * proprietäre Variante Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 321

38 Drahtloses Infrastrukturnetz Beispiel WLAN STA 1 ESS BSS LAN Access Point BSS 2 Portal Distribution System Access Point 802.x LAN STA LAN STA 3 Station (STA) Netzwerkknoten mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium und Funkkontakt zum Access Point Basic Service Set (BSS) Gruppe von Stations, die dieselbe Funkfrequenz nutzen Access Point Station, die sowohl in das Funk-LAN als auch das verbindende Festnetz (Distribution System) integriert ist Portal Übergang in ein anderes Festnetz Distribution System Verbindung verschiedener BSS, um ein Netz (ESS: Extended Service Set) zu bilden Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 322

39 Ad-hoc-Netzwerk Beispiel WLAN STA LAN BSS 1 STA 3 STA 2 BSS 2 STA 5 STA LAN Direkte Kommunikation begrenzt durch Funkreichweite Station (STA): Netzwerkknoten mit Zugriffsfunktion auf das drahtlose Medium Basic Service Set (BSS): Gruppe von Stations, die dieselbe Funkfrequenz nutzen Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 323

40 Zugriffsverfahren für WLAN CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Konkurrierender Medienzugriff RTS/CTS (Request To Send/Clear To Send) Koordinierung zwischen zwei Kommunikationspartnern zur Vermeidung des Hidden-Node- Problems PCF (Point Coordination Function) Möglichkeit der Zuweisung von Übertragungskapazität über einen zentralen Punkt Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 324

41 CSMA/CA Quelle: 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 2016/17) 325

42 Bluetooth Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba, - viele Mitglieder Anwendungen Anbindung von Peripheriegeräten Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer usw. Unterstützung von Ad-hoc-Netzwerken kleine, billige Geräte Verbindung von Netzwerken beispielweise GSM über Handy - Bluetooth - Laptop einfacher, billiger Ersatz für IrDA eingeschränkte Reichweite relativ niedrige Datenraten Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 326

43 Bluetooth Begriffe Master koordiniert zentral die Kommunikation im Piconetz Slave alle anderen Geräte im Piconetz, die sich mit dem Master einen Kanal teilen Piconetz Ansammlung von zwei bis acht aktiven Geräten, die sich einen Kanal teilen (1 Master, 1-7 Slaves) AM-Adresse (active member) 3-bit lange, temporäre Adresse zur Unterscheidung von Geräten in einem Piconetz Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 327

44 Bluetooth Luftschnittstelle ISM-Band: 2,402 2,48 GHz Weltweit lizenzfrei verwendbar Interferenzen mit anderen Nutzern möglich (Garagenöffner, Mikrowelle, etc.) Frequency Hopping Spread Spectrum 79 (respektive 23) Kanäle à 1 MHz 1600 Sprünge pro Sekunde GFSK-Modulation Gaussian-shaped Frequency Shift Keying Time Division Duplex Übertragung von Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zeitlich getrennt Slot-Länge 625 ms Frequenzwechsel bei jedem neuen Slot Master Slave 625ms f 1 f 2 f 3 Datenrate: bis 3Mbit/s bzw. 24Mbit/s (mit zusätzlichem Highspeed-Kanal) Reichweite: 10cm bis 10m bei 0dBm Sendeleistung; erweiterbar auf 100m Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 328

45 Scatternets max. ein Master und 7 weitere Knoten in einem Piconetz Bestimmung der Hopping-Sequenz durch den Master Synchronisation der Slaves auf die Hopping-Sequenz Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige Hopping-Sequenz Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten, die zwischen Piconetzen hin- und herspringen (Scatternetz) Pikonetze Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 329

46 Bluetooth-Versionen im Vergleich Version max. Datenrate (brutto) Abwärtskompatibilität Verbesserungen ,2 kbit/s ,2 kbit/s nein Indikator für Signalstärke Mbit/s ja 1 Adaptive Frequency-Hopping spread spectrum (AFH); enhanced Quality of Service (eqos); enhanced Synchron Connection Oriented (esco) Mbit/s ja 1 Enhanced Data Rate (EDR); geringerer Energieverbrauch; verbesserte Fehlerkorrektur 2.1 2,1 Mbit/s ja 1 Secure Simple Pairing; Funktionen für Near Field Communication (NFC) Mbit/s ja 1 Enhanced Power Control; Mbit/s nein (Smart-Geräte) ja 1 (Smart-Ready- Geräte 2 ) zusätzl. Highspeed-Kanal auf Basis von WLAN (802.11g) Low Energy; AES-Verschlüsselung (128 Bit); Star-Bus-Topologie (höhere Anzahl von Netzknoten, Einsatz in Sensornetzen) 1 bis zu Version 1.1 Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 2 hybride Geräte 330

47 Bluetooth vs. WLAN Standard Bluetooth Wireless LAN Übertragungsrate (brutto) < 24 Mbit/s < 6900 Mbit/s Übertragungsdistanz (ca.) 100 m 300 m Anzahl unterstützter Geräte Sicherheitsmaßnahmen 8 (ab Version 4 Smart keine Begrenzung) Hardwareebene 256 Hardwareebene Energieeffizienz Usability Kommunikationsnetze Mobilkommunikation (WS 2016/17) 331