Grundlagen des Mobilfunks: Mündliche Prüfung

Transkript

1 Grundlagen des Mobilfunks: Mündliche Prüfung Philipp Wille Kapitel 1 Aufgabe 1: Entwicklung des Mobilfunks A: Start: 1958 Art: analog 160 MHz Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation kein Handover 80% Flächendeckung Teilnehmer B: Start: 1972 Art: analog 160 MHz Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz bei bekanntem Aufenthaltsort Teilnehmer C: Start: 1989 Art: analog 450 MHz Handover möglich digitale Signalisierung automatische Lokalisierung der MS 98% Flächendeckung Datendienste (Fax, Datex-P, Modem, ) Teilnehmer bis 2000 im Einsatz D: Start: 1992 D1, D2 voll digital GSM 900 MHz automatische Lokalisierung mit Handover zellular aufgebaut Roaming in Europa E: Start: 1994 GSM 1800 MHz (E-Plus) kleinere Zellen Ende % der Bevölkerung erreicht F? 2004 erste UMTS Netze in Deutschland 1

2 Aufgabe 2: Mobilfunksysteme Infrastrukturbasierte Netze - keine direkte Kommunikation zwischen Teilnehmern - Kommunikation findet zwischen zwei Dratlosgeräten (MS) und einem Access Point (BS) statt - Vorhandensein einer Infrastruktur ist Vorraussetzung - geringe Flexibilität - Steuerung des Medienzugriffs durch die Infrastruktur - Zugang zu anderen Netzen - Weiterleitung von Daten zwischen Netzen ist möglich - Komplexität des Endgeräts ist relativ gering - Beispiele: GSM, UMTS Ad-Hoc-Netze - keine Infrastruktur nötig - Endgeräte können direkt untereinander kommunizieren - kein Zugangspunkt zur Steuerung des Medienzugriffs nötig - Komplexität des Endgeräts ist höher - größtmögliche Flexibilität - Beispiel: Bluetooth Aufgabe 3: Formen der Mobilität Mobilität des Endgeräts - Freie Bewegung im Versorgungsgebiet - Erreichbarkeit an jedem Ort 2

3 Mobilität des Teilnehmers - Übertragbarkeit der SIM Karte - Behalten der Rufnummer Grade der Mobilität - Heimbereich - Regional/Lokal - National - International - Global Aufgabe 4: Technische Voraussetzungen der Mobilität - Sicherstellung der Funkversorgung - Aufrechterhaltung der Verbindung (Handover) - automatische Lokalisierung (Roaming) Aufgabe 5: Zellulares Prinzip - Zellen modelliert als Hexagone - Benachbarte Zellen haben unterschiedliche Frequenzen - Frequenzwiederholabstand D Aufgabe 6: Signal-Störabstand 3

4 Aufgabe 7: Cluster - kann alle Frequenzen besitzen - keine Mehrfachverwendung von Frequenzen - Frequenzwiederholabstand D und Clustergröße k - Signalstörabstand C/I und Clustergröße k Sektorisierung 4

5 Aufgabe 8: Verkehrstheorie Anzahl der Frequenzen in einer Zelle Der Verkehrswert A [Erlang] - Beispiel: Wenn ein Kanal eine Stunde lang beobachtet wird und davon 30 min lang belegt ist, dann hat er einen Verkehrswert A von 0,5 Erl. - Die Erlang-Blockierungs-Gleichung mit Angebot A und Blockierwahrscheinlichkeit B 5

6 Kapitel 2 Aufgabe 1: Die Antenne Aufgabe 2: Ausbreitungsmechanismen 6

7 Aufgabe 3: Freiraumausbreitung Aufgabe 4: Reflexion und Transmission Bodenreflexion und Zweistrahltheorie Breakpoint (siehe Übungsaufgaben) - Dual-Slope-Ansatz erläutern können! 7

8 Aufgabe 5: Streuung Aufgabe 6: Beugung Aufgabe 7: Okumura-Hata-Modell (siehe Übungsaufgaben!) 8

9 Aufgabe 8: Leistungsbilanz Sonstige Verluste: - Leistungsverluste (Kabel) - Impedanzfehlanpassung Sonstige Gewinne: - Diversität - Antennenvorverstärker 9

10 Aufgabe 9: Schwund und Mehrwegeausbreitung - langsamer Schwund (Gebäude) und schneller Schwund (Mehrwegeausbreitung) Schwundüberlagerung: - kontruktive und destruktive Interferenz (Überlagerung) Mehrwegeausbreitung: Achtung! Ausgelassen: Gauß-, Rayleigh- und Riceverteilung! 10

11 Aufgabe 10: Diversität Diversitätsverfahren: - Diversitätsverfahren sind Verfahren zur Ausmittlung von Pegeleinbrüchen (und Störungen) - Zeitdiversität: Daten werden in Blöcke zerlegt, die zeitlich nacheinander übertragen werden - Frequenzdiversität: Ausmittlung durch große Übertragungsbreite und Frequenzsprungverfahren - Antennendiversität: Empfang des Signals von mehreren Antennen Diversitätsarten: - Richtungsdiversität: Mehrwegesignal von der MS trifft bei der BS unter verschiedenen Richtungen und mit verschiedenem Fadingverhalten ein. Intelligente Antennen empfangen die Signale und kombinieren sie später. - Polarisationsdiversität: Bei Streuprozessen verändert sich die Polarisationsrichtung. Eingesetzt in urbanen Zentren. - Raumdiversität: Empfang über x (meist 2) räumlich getrennte Antennen und Kombination des Signals. Zusammenführungsverfahren: - Auswahlverfahren: Wahl des Signals mit den besten Empfangsbedingungen - Kombinationsverfahren: Gewichtung der Signale gemäß ihrer Bitfehlerrate 11

12 Kapitel 3 Aufgabe 1: Grundsätzliche Anforderungen an die Funkübertragung - Sprachübertragung mit einer Datenrate von ca. 10 kbit/s und Bitfehlerrate < Datenübertragung mit Datenraten bis zu mehreren Mbit/s und Bitfehlerrate < Gewährleistung einer hohen Nutzdatenrate bei geringer Bitfehlerrate, hoher Störfestigkeit und unter Verwendung eines möglischst geringen Frequenzspektrums Aufgabe 2: Aufbau Aufgabe 3: Störquellen - Empfängerrauschen (zufällige termische Bewegungen der Elektronen in Empfängerbauelementen) - Gleich- und Nachbarkanalstörungen (Interferenz zwischen benachbarten/gleichen Frequenzen) - Mehrwegeausbreitung Aufgabe 4: Nutz- und Störleistungsverhältnis - Abkürzung C/I (carrier-to-interference-ratio) - Die Störfestigkeit eines Verfahrens ist C/I min, das benötigt wird um die gewünschte Bitfehlerrate zu erreichen. Er wird ohne Berücksichtigung des Kurzzeitfadings ermittelt. Aufgabe 5: Methoden zum Fehlerschutz - Vorwärtsfehlerkorrektur (Fehlerkorrigierende Codes => Korrektur durch den Empfänger) - Automatic Repeat Request ARQ (Fehlererkennende Codes => Neuanforderung fehlerhafter Pakete) 12

13 - Mischformen (Hybride ARQs) - Interleaving Vorwärtsfehlerkorrektur: ARQ: - lineare Blockcodes: Mitübertragung von redundanten Bits. Gut gegen Bündelfehler. - Faltungscodes: Gedächtnisbehafteter Code. Codewort hängt von vorangegangenen ab. Einzelfehler. - Als fehlerhaft erkannte Blöcke werden erneut angefordert (aber nicht verbessert!) - Unkalkulierbare Verzögerungen durch Wiederholungen => kein Einsatz bei Sprachübertragung - Datendurchsatz nimmt zu - Rückkanal zwischen Empfänger und Sender zum Senden eines (negative) Acknowledgements Send-And-Wait ARQ-Protokoll - Es wird immer erst auf eine Bestätigung gewartet Go-back-N ARQ-Protokoll - Es wird nicht erst auf eine Bestätigung gewartet. Alle Pakete nach NAK werden erneut gesendet. Selective-Reject ARQ-Protokoll - Detailliertere ACK-Meldung, die beinhaltet, welche Pakete korrekt übertragen wurden. 13

14 Interleaving - Aufgrund des schnellen Fadings treten oft Bündelfehler auf. - Das Umsortieren vor dem Senden und nach dem Empfangen beim Interleaving erzeugt Einzelfehler. Aufgabe 6: Signalspreizung - Ein Signal wird durch Signalspreizung in die Länge gezogen und so bis unter das Rauschen gelegt. Dadurch wird es weniger störungsanfällig und ist außerdem schlechter abhörbar. - Ein RAKE-Empfänger entspreizt das Signal. 14

15 Kapitel 4 Aufgabe 1: Multiplexverfahren - Frequency Division Multiple Access (FDMA) - Aufteilung des gesamten Spektrums in Teilbänder (Frequenzträger) - Time Division Multiple Access (TDMA) - Aufteilung des Frequenzträgers in N aufeinanderfolgende Zeitschlitze - Senden und Empfangen über eine Antenne ohne Duplexfilter - Code Division Multiple Access (CDMA) - Alle Teilnehmer senden gleichzeitig auf der selben Frequenz 15

16 - Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) - Mehrfachzugriffsverfahren, bei dem Subträger auf die einzelnen Teilnehmer verteilt werden. - Space Division Multiple Access (SDMA) - Einsatz in allen Systemen zur räumlich getrennten Mehrfachverwendung von Funkkanälen. - FDMA / TDMA Kombination bei GSM 16

17 Aufgabe 2: Zufallszugriffsverfahren Zuteilungsverfahren mit zentraler Steuerung - Gut für kleine Anzahl Slaves (Bluetooth) Wettbewerbsverfahren - Stationen greifen zu beliebigen Zeitpunkten zu (Kollisionen möglich!) Reservierungsverfahren - Kombination aus zentraler Steuerung und Wettbewerbsverfahren - Bewerbungsphase: Anforderung eines Kanals (GSM: Random Access CHannel) - Übertragungsphase: Erfolgreiche MS bekommt einen Übertragungskanal exklusiv zugeteilt. Zugriffsregelung am RACH - klassisches ALOHA: Senden zu beliebigen Zeiten, kollidierte Pakete zu zufälliger Zeit erneut. - slotted ALOHA: Unkoordinierte Zugriffsversuche mit fester Datenpaketlänge. Bei NAK erneut. - Carrier Sense Multiple Access: Abhören; wenn frei dann senden. - Packet Reservation Multiple Access: BS sagt den MSs welche Zeitschlitze belegt sind. Dann wissen die MSs ob es sich lohnt, senden zu wollen. Aufgabe 3: Kanalvergabestrategien - Feste Kanalzuweisung: Jede Zelle erhält einen Satz fester Frequenzen (z.b. GSM). - Dynamische Kanalzuweisung: Jede Zelle kann im Prinzip jeden Funkkanal benutzen (z.b. DECT). 17

18 Kapitel 5 Aufgabe 1: GSM Systemarchitektur - BSC steuert BSs. Entscheidet über Handover und Sendeleistungsregelung. Beinhaltet TRAU - Transcoding Rate Adaption Unit wandelt GSM- auf ISDN-Signal um. - Mobile Switching Centre baut gezielt eine Verbindung zw. 2 Benutzern auf. - Gateway-MSC ist ein Übergang vom GSM-Netz zu einem anderen Netz dar. - Home Location Register ist die Datenbasis mit den Teilnehmerdaten. - Visitor Location Register hält die Teilnehmerdaten von Besuchern. - Operation and Maintennance Centre ist zuständig für - Betriebs- und Wartungsarbeiten - Konfiguration der Netzelemente - Software-Management - Sammlung von Daten zur Netzgüte - Teilnehmerverwaltung (Neueinrichten, Gebührenabrechnung) - Authentication Centre (wie der Name schon sagt) - Equipment Identification Register verwaltet die Registriernummern der MSs 18

19 Aufgabe 2: Sicherheit in GSM Aufgabe 3: Kanäle in GSM - Unterscheidung in Physikalische, Transport und Logische Kanäle Transportkanäle - Frequency Correction Burst: Frequenzsyncronisierung einer MS. - Syncronisation Burst: Syncronisation der MS mit der BS. - Dummy Burst: Wird ausgestrahlt, wenn es keine anderen Bursts zu senden gibt. - Access Burst: Verwendung für wahlfreien Zugriff. Logische Kanäle - Es wird zwischen Dedicated Channels (je ein fester Benutzer) und Common Channels unterschieden 19

20 - Traffic CHannel: Übertragung von Sprache, Daten und Fax. - Broadcast Common Control CHannel: Kanalkonfig, Zellerkennung - Frequency Correction CHannel: Für die Frequenzsynchronisation der MS. - Synchronisation CHannel: Informationen zur Identifizierung der BS. - Paging CHannel: Wird von BS benutzt um im Falle eines Rufes die MS zu erreichen. - Random Access CHannel: MS: Anforderung eines Signalisierungskanals. - Access Grant CHannel: Zuweisung eines SDCCH (SMS) oder TCH (Sprache). - Stand-alone Dedicated Control CHannel: Rufaufbau, SMS - Slow Associated Control CHannel: Synchronisierung, Kanalvermessung - Fast Associated Control CHannel: Handover anstelle TCH (Stealmode) Aufgabe 4: Zustände der MS - Idle: Abhören des PCH, Zellneuwahl, Location Update - Dedicated: Kanalmessung, Handover, Power Control, Radio Link Failure Procedure 20

21 Aufgabe 5: Power Control - Verlängert die Batterielaufzeit - Entscheidungsalgorithmen sind nicht standardisiert Aufgabe 6: Handover - Übergabe einer bestehenden Verbindung an eine neue Basisstation - zwingende und netzplanerische Gründe, wie kein Empfang oder möglicher besserer Empfang - Power Budget Handover: Wenn RXLEV min erreicht ist wird übergeben, ohne RXLEV: Ping- Pong. Aufgabe 7: GPRS ab Seite 296 Aufgabe 8: UMTS - sehr große Variation von Diensten - gefordertes Bitfehlerratenspektrum reicht von 0% (E-Commerce) bis 3% (Sprachübertragung) Qualaty-of-Service (QoS) Klassen: - Conversational Class: zeitliche Abfolge bleibt erhalten, kurze Verzögerungszeiten (Sprache) - Streaming Class: zeitliche Abfolge bleibt erhalten, kurze Zwischenspeicherung (IRadio) - Interactive Class: Reihenfolge ist unerheblich, hohe Datenintegrität gefordert (Web-Browsing) - Background Class: keine spezielle Ankunftszeit, hohe Datenintegrität ( ) 21

22 - Die RNCs sind untereinander vernetzt, das ist wichtig für den Soft-Handover (! = GSM) UMTS Kanäle Steuerkanäle - Synchronisation Control CHannel: Infos über Konfiguration des BCCH. - Broadcast Control CHannel: Systeminformationen im DL. - Paging Control CHannel: Paging im DL. - Dedicated Control CHannel: bidirektional, Steuerinfo zwischen UE und Netz - Common Control CHannel: Wie DCCH nur Verwendung bei Cell Reselection Verkehrskanäle - Dedicated Traffic CHannel: Nutzkanal für UL und DL - Common Traffic CHannel: unidirektionaler Punkt-zu-Mehrwege-Kanal für DL. 22

23 Logische Kanäle - Zusätzl. Kanäle für Opportunity Driven Multiple Access, Repeater - Durch die Repeater kann die Sendeleistung der BS reduziert werden und die Inteference nimmt ab Transportkanäle für FDD - kein TDMA-Verfahren - Dedicated CHannel, nur dem UE zugeteilter Kanal physikalische Kanäle - FDD- und TDD-Modus besitzen eine CDMA-Komponente - TDD bietet zusätzliche Unterteilung jedes Trägers in 15 Zeitschlitze => flexibler aufteilbar zwischen UL und DL - Jede physikalische Verbindung hat einen DPCCH (Signalisierungskanal) und mehrere DPDCHs. Spreizung durch Scrambling-Codes - Sowohl für DL als auch für UL - Eine UE kann bis zu 6 Verbindungen gleichzeitig betreiben. Zellsuche: - Es gibt über 512 verschiedene Scrambling-Code-Gruppen => Zelle in großem Raum unique. 1 Sync auf die Zellzeitschlitzstruktur mit dem Primary Synchronisation Code 2 Sync auf Rahmentakt mit Secondary-Synchronisation Code 3 Prüfung, welcher der 8 übrig gebliebenen Codes den besten Korrelationsempfang liefert. - RACH Prozedur auch bei UMTS möglich - Nah-Fern-Problem: Lösung, man schreibt Power Control verbindlich vor! 23

24 Inner-Loop / Outer-Loop Power Control Soft Handover - UE hat am Zellrand gleich Verbindung zu mehreren Zellen. - nur möglich, wenn alle Zellen dieselbe Frequenz haben. - Aus Soft Handover folgt Makrodiversität, die einen Gewinn einbringt. - Gehören zwei Zellen zur gleichen Node-B spricht man von softer Handover. - Beim Soft-Handover liegt ein active set vor, dass alle aktiven Zellen beinhaltet. 24