Mobilkommunikationsnetze - GSM/UMTS -

Transkript

1 - GSM/UMTS - Markus Brückner 1

2 GSM Global System for Mobile Communications Dienste: Sprache leitungsvermittelt 7 khz Kanalbandbreite Daten ursprünglich: 1,2 kbit/s leitungs-/9,6 kbit/s paketvermittelt heute: GPRS bis 171,2 kbit/s (theoretisch, praktisch meist weit darunter) Zusatzdienste SMS Fax 2

3 GSM Gliederung RSS (Radio Subsystem) Mobilfunk Mobile Station (MS) Base Station Subsystem (BSS) oder Radio Access Network (RAN) Base Transceiver Station (BTS) Base Station Controller (BSC) NSS (Network and Switching Subsystem) Anbindung/Switching von Verbindungen, Handover Mobile Services Switching Center (MSC) Location Registers (LR): HLR, VLR 3

4 GSM Gliederung OSS (Operation Subsystem) Netzbetrieb & -überwachung Operation and Maintenance Center (OMC) AuC (Authentication Center) Equipment Identity Register (EIR) 4

5 GSM Funknetz 14 Frequenzbänder ( Mhz) in Deutschland gebräuchlich: 900 & 1800 MHz Zellenbasiertes Netz Effizienzsteigerung Wiederverwendung von Frequenzen Zellgröße max. 35 km (technische Begrenzung durch Laufzeitgrenzen, mit Erweiterungen ~120 km) Handover an der Zellgrenze Überlappung notwendig Medienzugriff kombiniert SDMA, FDMA & TDMA 5

6 GSM Medienzugriff SDMA Netzaufteilung in Zellen Wiederverwendung von Ressourcen (Frequenzen, Zeitslots) 6

7 GSM Medienzugriff FDMA FDD für Duplexzugriff (Beispiel GSM-900: 890,2-915 MHz Uplink, 935,2-960 MHz Downlink) Aufteilung von Up- & Downlinkband in je 124 Kanäle à 200 khz 935,2 MHz MHz f Downlink 200 khz ,2 MHz MHz 1 Uplink t 7

8 GSM Medienzugriff TDMA Aufteilung Kanäle in GSMA-TDMA-Frames à 4,615 ms Aufteilung TDMA-Frames in 8 Bursts pro Frame TDM-Kanal = 1 Burst pro Frame auf einem Kanal Verschiebung von Up- & Downlink um 3 Zeitschlitze keine duplexfähigen Transceiver notwendig Downlink Uplink

9 GSM Modulation/Coding Sprache mit 8 khz, 8 Bit abgetastet 64 kbit/s Kompression auf max. 13 kbit/s in Paketen von 20 ms/260 Bit (abhängig vom Sprachcodec) Redundanzkodierung (22,8 kbit/s, 456 Bit/20 ms) Bits in 3 Klassen nach Wichtigkeit unterteilt Ia (50 Bit), Ib (132 Bit) & II (78 Bit) Unterschiedliche Redundanzkodierung abhängig von Bitklasse (Ia wichtigste, II ohne Redundanz) Interleaving: Aufteilung kodierter 456-Bit-Blöcke auf mehrere Bursts Schutz gegen kurzzeitige Störungen Modulation mittels GMSK bzw. 8-PSK (EDGE) 9

10 GSM Modulation/Coding GSM-Burst GSM-TDMA-Frame guard tail Nutzdaten S Training S Nutzdaten tail guard 3 Bit 57 Bit 1 26 Bit 1 57 Bit 3 Bit Training: definierte Sequenz zur Kanalabschätzung/ Anpassung des Dekoders Guard: insgesamt 8,25 Bit/30,5 µs Abstand zum Nachbar-Frame S: Anzeige, ob Nutz- oder Steuerdaten (getrennt für beide Burst-Hälften) 10

11 GSM Mobility Management Lokalisierung Verfolgen/Auffinden von Endgeräten zum Verbindungsaufbau Rufaufbau Aufbau einer Verbindung zum/vom mobilen Teilnehmer Handover Wechsel der Funkzelle Wechsel des MSC 11

12 GSM Mobility Management - Lokalisierung Location Area 1 Location Area 2 MSC 1 VLR 1 HLR VLR 2 MSC 2 12

13 GSM Mobility Management - Lokalisierung Home Location Register (HLR) Heimatdatenbank eines Endgerätes Telefonnummer (Mobile Subscriber ISDN Number, MSISDN) International Mobile Subscriber Identity (IMSI) Verwaltungsinformationen (Tarifdetails, Berechtigungen, Abrechnungsdaten etc.) aktuellen Aufenthaltsort (zuständiges MSC & VLR Location Area) Visitor Location Register (VLR): aktuell notwendige Verwaltungsdaten permanente IDs: IMSI, MSISDN, zuständiges HLR temporäre IDs: Temporary MSI, Mobile Station Roaming Number (MSRN) Ggf. weitere Informationen zur Abwicklung des Dienstes (Abrechnungsdaten, Berechtigungen etc.) 13

14 GSM MM Rufaufbau vom Endgerät 1. Verbindungsanforderung 2. Sicherheitsprüfung 3. Ressourcenprüfung Verfügbarkeit eines leitungsvermittelten Kanals 4. Rufaufbau Ziel 3 Telefonnetz 3 3 GMSC BSS VLR 2 MSC MS 14

15 GSM MM Rufaufbau zum Endgerät 1. Anrufer wählt Nummer des GSM-Kunden 2. Transport via Telefonnetz zu Gateway MSC 3. Identifikation HLR, Signalisierung Verbindungsaufbau 4. Identifikation VLR, Abfrage MSRN Anrufer 5. Identifikation zuständiges MSC, Rückmeldung an GMSC 6. Anruf an aktuelles MSC weiterleiten 7. Abfrage aktueller Status der MS 8. Paging der MS 9. Antwort MS auf Rundruf Identifikation passendes BSS 10. Verbindungsaufbau 1 Telefonnetz 2 3 HLR 5 GMSC 4 6 MS VLR MSC BSS BSS BSS

16 GSM Mobility Management - Handover HO-Entscheidung durch Netz basiert auf Messungen der MS Hysterese (Handover Margin) zur Vermeidung von Ping- Pong-Effekten Bisheriger Link Handover Margin Neuer Link 16

17 GSM Mobility Management - Handover Strategie Make before break 1. Verbindungsaufbau einschließlich Ressourcenreservierung an neuer Zelle 2. Verbindungsabbau in alter Zelle Übergabe auf verschiedenen Ebenen möglich Intrazelle: Wechsel Funkfreqenz, BTS gleich Intra-BSC: Wechsel BTS, BSC gleich Intra-MSC: Wechsel BSC, MSC gleich Inter-MSC: Wechsel zwischen zwei MSC Terminierung des Handovers möglichst weit draußen vermeidet Belastung des Core-Netzes 17

18 GSM MM - Handover Beispiel: Wechsel des BSC MS BTS old BSC old MSC BSC new BTS new Messung HO command Messung HO command clear cmd. clear complete HO-Entscheidung HO required HO command HO access Verbindungsaufbau clear cmd. clear complete HO request HO request ACK HO complete Ressourcenreservierung Channel activation CA ACK HO complete Make Break 18

19 GSM Security Authentifizierung Nutzer ggü. SIM: PIN SIM ggü. Netz: Challenge Response (A3) Verschlüsselung A5/1: häufig verwendeter Stromchiffre, mittlerweile gebrochen A5/2: schwächere Version von A5/1, für neue Geräte unzulässig A5/3: neuer Blockchiffre, noch nicht überall unterstützt, Angriffe demonstriert Anonymität IMSI wird nicht via Funk übertragen, stattdessen Verwendung von TMSI 19

20 GSM GPRS General Packet Radio Service Datendienst auf GSM-Basis Verwendung mehrerer Zeitschlitze pro Frame deutlich höhere Datenraten möglich kein expliziter Aufbau einer Verbindung Funkressourcen werden belegt, wenn nötig Zusätzliches, paketvermitteltes Kernnetz Evolutionspfad hin zu UMTS 20

21 GSM GPRS BTS GSM Radio Access Network BSC MSC GSM Core Network (leitungsvermittelt) GMSC HLR, AuC, EIR ISDN SGSN GPRS Core Network (paketvermittelt) GGSN Internet 21

22 UMTS 3G-Netze als Nachfolger von GSM 14 Frequenzbänder von Mhz CDMA mit FDD oder TDD, 5 MHz Kanalbandbreite paket- und leitungsvermittelt Datenraten 64 kbit/s Sprachkanäle UMTS R99: bis 384 kbit/s Downlink High-Speed Downlink Packet Access (HSDPA): 0,9 MBit/s (QPSK) bis 21,1 Mbit/s (64-QAM) mehr durch Bündelung mehrerer Zellen/Kanäle 22

23 UMTS R99 Evolution von GSM BTS GSM Radio Access Network BSC MSC GSM Core Network (leitungsvermittelt) GMSC HLR, AuC, EIR ISDN Node B/ Base Station UTRAN RNC SGSN GPRS Core Network (paketvermittelt) GGSN Internet 23

24 UMTS R5 IMS GSM Edge Radio Access Network BTS BSC HLR, AuC, EIR Node B/ Base Station UTRAN RNC SGSN 3G Core Network (paketvermittelt, IPbasiert) GGSN Internet 24

25 UMTS Soft Handover Node B 1 Node B 2 RNC 25

26 UMTS Soft Handover Gleichzeitige Verbindung zu mehreren Funkzellen des gleichen RNC Vorteile Störungen durch Abschattung/Fading zwischen einzelnen Basistationen kaum korreliert geringe Wahrscheinlichkeit eines totalen Verbindungsverlustes nur eine erfolgreich empfangende Basisstation notwendig - Abregeln der Sendeleistung auf beste Verbindung möglich Nachteile aufwändige Signalkombination im RNC Sonderfall Softer Handover: Soft Handover zwischen zwei Sektoren einer Basisstation effizientere Signalkombination möglich 26

27 UMTS Power Control Problem: CDMA setzt ähnliche Empfangsstärke aller Endgeräte an der Basisstation voraus unterschiedliche Pfadbedingungen Anpassung der Sendeleistung notwendig Beispiel: Inner Loop Power Control (ILPC) Rate 1500 Hz Schätzung Signal-Rausch-Verhältnis durch Node B Node B sendet Transmit Power Control Commands ( up oder down an Endgerät abhängig von Algorithmus: Endgerät passt Sendeleistung in voreingestellter Schrittweite an Ziel: schneller Ausgleich wechselner Kanalbedingungen (Fast Fading) 27

28 UMTS Medienzugriff CDMA-basierter Medienzugriff Kanalarten Logisch RLC Ebene Transport- oder Steuerkanäle Beispiel: Common Control Channel (CCCH) gemeinsamer Kanal für Steuerdaten aller MS einer Zelle (bspw. Aushandeln von Funkressourcen) Transport MAC-Ebene Beispiel: Dedicated Channel (DCH) einem Teilnehmer zugeordneter Kanal (bspw. für Sprachdaten) 28

29 UMTS Medienzugriff Kanalarten (Fortsetzung) Physisch auf PHY-Ebene definiert durch Trägerfrequenz Scrambling (und optional Channelization) Code Zeitslot (bei Verwendung von TDD) Beispiel: Dedicated Physical Data Channel (DPDCH) Transportkanal für DCH Auf- und Abbau von Kanälen durch Radio Resource Control nach Bedarf 29

30 UMTS Cell Breathing Zellgröße bei UMTS abhängig von Last bestimmter Durchsatz nur bei bestimmtem Signal-Rausch- Abstand erreichbar Kommunikation anderer Teilnehmer höhere Interferenz bei gleichbleibender Signalstärke geringerer Signal- Rausch-Abstand letztlich: SNR unterschreitet kritische Marke, Geräte müssen Zelle wechseln Zellgrenze nach innen verschoben 30

31 UMTS Mobility Management Tunneling von IP mittels GPRS Tunneling Protocol Terminierung des IP-Tunnels des Endgeräts Tunnel über IP-Netz 31

32 Kontakt Technische Universität Ilmenau Dipl.-Inf. Markus Brückner fon: +49 (0) fax: +49 (0) Besucheradresse: Technische Universität Ilmenau Helmholtzplatz 5 Zusebau, Raum 1034 D Ilmenau 32