Martin Sauter. Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme

Transkript

1 Martin Sauter Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme

2 Martin Sauter Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme UMTS, HSDPA und LTE, GSM, GPRS und Wireless LAN 4., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 186 Abbildungen STUDIUM

3 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Das in diesem Werk enthaltene Programm-Material ist mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgend - einer Art verbunden. Der Autor übernimmt infolgedessen keine Verantwortung und wird keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieses Programm-Materials oder Teilen davon entsteht. Höchste inhaltliche und technische Qualität unserer Produkte ist unser Ziel. Bei der Produktion und Auslieferung unserer Bücher wollen wir die Umwelt schonen: Dieses Buch ist auf säure freiem und chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt. Die Einschweißfolie besteht aus Polyäthylen und damit aus organischen Grundstoffen, die weder bei der Herstellung noch bei der Ver brennung Schadstoffe freisetzen. 1. Auflage Auflage Auflage , überarbeitete und erweiterte Auflage 2011 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 2011 Lektorat: Christel Roß Maren Mithöfer Vieweg+Teubner Verlag ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich ge schützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Ur heber rechts ge set zes ist ohne Zustimmung des Verlags unzuläs sig und straf bar. Das gilt ins be sondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: MercedesDruck, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN

4 Vorwort zur vierten Auflage Auch zwischen der dritten und vierten Auflage dieses Buches hat sich in nur zwei Jahren wieder einiges in der Mobilfunkwelt getan, und die aktuelle Auflage enthält wiederum zahlreiche Erweiterungen. Besonders UMTS-Netze haben sich in dieser Zeit erneut stark gewandelt, besonders in den Bereichen schnellerer Datenraten und der zunehmenden Verbreitung von IP-basierten Anbindungen der Basisstationen an die darüber liegende Infrastruktur. Das ursprünglich auf physikalisch dedizierten Kanälen basierende Übertragungsverfahren auf dem Funkkanal vom Netzwerk zum Endgerät ist heute fast vollständig durch HSPA (High Speed Packet Access) ersetzt worden. Hier werden mehrere Kanäle verwendet, die alle aktiven Teilnehmer gemeinsam benutzen. Aufgrund von diesen und zahlreichen anderen Neuerungen wurde das dritte Kapitel komplett überarbeitet und der Schwerpunkt bei der Beschreibung der Funkübertragung nun sehr viel stärker auf HSPA gelegt. Auch der UMTS-Nachfolgestandard Long Term Evolution (LTE) ist mittlerweile vollständig spezifiziert. Grund genug, diese Technologie in die vierte Auflage dieses Buches aufzunehmen und detailliert zu beschreiben. Neben der Beschreibung der neuen Übertragungstechnik und des neuen Kernnetzwerkes wird auch dargestellt, wie sich LTE von UMTS unterscheidet. Damit wird gezeigt, warum UMTS zwar weiterentwickelt wird, aber manche vom System vorgegebenen Limitationen nur mit einem neuen Ansatz überwunden werden können. Um den Umfang des Buches in Grenzen zu halten, musste dafür jedoch das Kapitel über die Bluetooth-Technik entfallen. Auch im Bereich GSM und GPRS hat sich seit der letzten Auflage wieder einiges getan. Wichtigste Neuerung ist die Einführung der Bearer Independent Core Network (BICN) Architektur mit Release 4 des Standards, die das leitungsvermittelnde Kernnetz auf IP-basierte Verbindungen überführt. Somit können Netzwerkbetreiber nun das leitungsvermittelnde und das paketvermittelnde Netzwerk über eine gemeinsame Transportschicht betreiben. In Kapitel 1 wurde dies entsprechend berücksichtigt und sowohl wie bisher die klassische Leitungsvermittlung beschrieben und nun in der vierten Auflage auch die neue Release 4-Architektur. V

5 Vorwort Auch Kapitel 2 zum Thema GPRS wurde überarbeitet, da sich die Verbreitung von EDGE in den letzten Jahren weiter fortgesetzt hat. Mit neuen Endgeräten, die eine schnellere Datenübertragung ermöglichen, sind nun auch weitere Anwendungen möglich. Besonders in der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation wird GPRS und EDGE somit auch in den nächsten Jahren eine starke Bedeutung behalten. Bleibt mir noch, Ihnen an dieser Stelle viel Freude beim Studium dieses Buches, und beim Experimentieren und Nutzen mobiler Kommunikation zu wünschen. Köln, im August 2010 Martin Sauter VI

6 Vorwort zur ersten Auflage Mobile Kommunikationssysteme wie GSM, GPRS, UMTS, Wireless LAN bieten heute eine große Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten. Um einen Einblick in die Technik dieser Systeme zu gewinnen, gibt es eine große Anzahl von Publikationen. In Buchform sind diese jedoch meist sehr umfangreich und für eine Einführung oft zu komplex. Publikationen im Internet hingegen sind meist nur sehr kurz und oberflächlich oder beschäftigen sich nur mit einer speziellen Eigenschaft eines Systems. Aus diesem Grund konnte ich während meiner Vorlesungen zu diesem Thema keine einzelne Publikation empfehlen, die eine Einführung in diese Systeme mit der nötigen Detailtiefe geboten hätte. Mit dem vorliegenden Buch möchte ich dies ändern. Jedes der fünf Kapitel gibt eine detaillierte Einführung und Überblick über jeweils eines der zu Anfang genannten Systeme. Besonders wichtig ist mir auch, einen Eindruck zu vermitteln, welche Gedanken hinter der Entwicklung der unterschiedlichen Systeme standen. Neben dem Wie ist also auch das Warum zentraler Bestandteil jedes Kapitels. Außerdem wird durch zahlreiche Vergleiche zwischen den unterschiedlichen Technologien deutlich, wo die Anwendungsgebiete der einzelnen Systeme liegen. In manchen Fällen konkurrieren die Systeme miteinander, in vielen Fällen jedoch ergibt erst eine Kombination mehrerer Systeme eine interessante Anwendung. Abgerundet wird jedes Kapitel durch einen Fragen- und Aufgabenkatalog zur Lernzielkontrolle und Wiederholung. Um einen tieferen Einblick in das eine oder andere System zu gewinnen, sind in den Kapiteln zahlreiche Verweise auf die entsprechenden Standards zu finden. Sie bilden eine ideale Ergänzung für einen tieferen Einblick in die einzelnen Systeme und sollten mit Hilfe der Hintergrundinformationen in diesem Buch auch etwas einfacher zu interpretieren sein. Den Entschluss, mein Wissen zu diesen Themen als Buch zu veröffentlichen, fasste ich nach vielen theoretischen Gedankenspielen ganz spontan in einer Pariser Buchhandlung. Dort stieß ich zufällig auf ein Buch mit einem ganz anderen Themenschwerpunkt, mit dessen Autor ich jedoch den Umstand gemeinsam habe, dass wir für die gleiche Firma arbeiten. Ich nahm Kontakt mit ihm auf, und er schilderte mir während eines ausge- VII

7 Vorwort dehnten Mittagessens, wie man von der ersten Idee zu einem fertigen Buch kommt. An dieser Stelle möchte ich mich deshalb sehr herzlich bei Pierre Lescuyer bedanken, dessen Tipps mir beim Start meines eigenen Buchprojekts sehr weitergeholfen haben. Außerdem gebührt mein großer Dank auch Berenike, die mir mit Ihrer Liebe und Freundschaft während dieses Projekts immer inspirierend zur Seite stand. Weiterhin gebührt mein Dank auch Thomas Kempf, Christophe Schmid, Markus Rösch, Thomas Ehrle und ganz besonders Jörg Becker. Mit ihrem Wissen und großen Einsatz ihrer privaten Zeit haben sie mich vor einigen Fehlern bewahrt und in zahlreichen Gesprächen wichtige Anregungen und Verbesserungsvorschläge gegeben. Nicht zuletzt gilt mein Dank auch Dr. Reinald Klockenbusch, der dieses Buchprojekt von Anfang an begleitet hat und an der Ausrichtung des Buches maßgeblich beteiligt war. Paris, im Juni 2004 Martin Sauter VIII

8 Inhaltsverzeichnis 1 GSM Leitungsvermittelnde Datenübertragung Klassische Leitungsvermittlung Virtuelle Leitungsvermittlung über IP Standards Übertragungsgeschwindigkeiten Das Signalisierungssystem Nr Klassischer SS-7-Protokollstack Spezielle SS-7-Protokolle für GSM IP-basierter SS-7-Protokollstack Die GSM Subsysteme Das Network Subsystem Die Mobile Vermittlungsstelle (MSC) Das Visitor Location Register (VLR) Das Home Location Register (HLR) Das Authentication Center (AC) Das Short Message Service Center (SMSC) Das Base Station Subsystem (BSS) und Sprachcodierung Frequenzbereiche Base Transceiver Station (BTS) Die GSM-Luftschnittstelle Der Base Station Controller (BSC) Die TRAU für Sprachdatenübertragung Channel Coder und Interleaver in der BTS Verschlüsselung und Sicherheitsaspekte Modulation Voice Activity Detection Mobility Management und Call Control Cell Reselection und Location Area Update IX

9 Inhaltsverzeichnis Mobile Terminated Call Handoverszenarien Mobile Endgeräte Die SIM-Karte Das Intelligent Network Subsystem und CAMEL Fragen und Aufgaben GPRS und EDGE Leitungsvermittelte Datenübertragung Paketorientierte Datenübertragung GPRS auf der Luftschnittstelle GPRS Timeslot-Nutzung im Vergleich zu GSM Gleichzeitige Nutzung einer Basisstation von GSM und GPRS Coding Schemes EDGE (EGPRS) Mobile Device Classes Network Operation Mode (NOM) GPRS-Kanalstruktur auf der Luftschnittstelle GPRS-Zustandsmodell GPRS-Netzwerkelemente Die Packet Control Unit (PCU) Der Serving GPRS Support Node (SGSN) Der Gateway GPRS Support Node (GGSN) GPRS Radio Resource Management GPRS-Schnittstellen und Protokolle GPRS Mobility und Session Management (GMM/SM) Mobility Management-Aufgaben GPRS Session Management Session Management aus Anwendersicht Leitungsvermittelter Verbindungsaufbau GPRS-Verbindungsaufbau Der Multimedia Messaging Service (MMS) über GPRS X

10 Inhaltsverzeichnis 2.11 Weiterentwicklung von EDGE Fragen und Aufgaben UMTS und HSPA Überblick, Historie und Zukunft GPP Release 99: Die erste Version des neuen Radionetzwerks GPP Release 4: Bearer Independent Core Network GPP Release 5: IP Multimedia Subsystem und HSDPA GPP Release 6: High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) GPP Release 7: HSPA+ und CPC GPP Release 8: LTE, HSPA+ Verbesserungen und Femtozellen GPP Release 9: Digitale Dividende und Dual Cell GPP Release 10: LTE Advanced Wichtige neue Konzepte in UMTS Release Der Radio Access Bearer (RAB) Aufteilung in Access Stratum und Non-Access Stratum Gemeinsames Übertragungsprotokoll für CS und PS Code Division Multiple Access (CDMA) Spreizfaktor, Chiprate und Prozessgewinn Der OVSF-Codebaum Scrambling in Uplink- und Downlink-Richtung Frequenz- und Zellplanung in UMTS Near-Far-Effekt und Zellatmung Vorteile des UMTS-Radionetzwerkes gegenüber GSM UMTS-Kanalstruktur auf der Luftschnittstelle User Plane und Control Plane Common und Dedicated-Kanäle Logische, Transport- und Physikalische Kanäle Beispiel: Netzwerksuche Beispiel: Der erste Netzwerkzugriff Der Uu Protokoll Stack Das UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN) XI

11 Inhaltsverzeichnis Node-B, Iub Interface, NBAP und FP Der RNC, Iu, Iub und Iur-Schnittstelle, RANAP und RNSAP Adaptive Multi Rate (AMR) für Sprachübertragung Radio Resource Control (RRC)-Zustände Mobility Management aus Sicht des Kernnetzes Mobility Management aus Sicht des Radionetzwerkes Mobility Management im Cell-DCH-Zustand Mobility Management im Idle-Zustand Mobility Management in anderen Zuständen UMTS CS und PS-Verbindungsaufbau High Speed Downlink Packet Access HSDPA-Kanäle Kleinere Delay- Zeiten und Hybrid ARQ (HARQ) Scheduling im Node-B Adaptive Modulation, Codierung und Geschwindigkeit Auf- und Abbau einer HSDPA-Verbindung HSDPA Mobility Management UMTS Release 6: High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) E-DCH-Kanalstruktur Der E-DCH-Protokoll Stack E-DCH Scheduling E-DCH Mobility E-DCH-Endgeräte Continuous Packet Connectivity Fast Dormancy Fragen und Aufgaben Long Term Evolution (LTE) Einleitung und Überblick Netzwerk-Architektur und Schnittstellen LTE-Endgeräte und die LTE Uu-Schnittstelle Der enodeb und die S1 und X2-Schnittstellen XII

12 Inhaltsverzeichnis Die Mobility Management Entity (MME) Das Serving-Gateway Das PDN-Gateway Das HSS Die LTE-Luftschnittstelle und das Radionetzwerk OFDMA für die Datenübertragung im Downlink SC-FDMA für Uplink Übertragungen Symbole, Slots, Radio Blocks und Frames Referenz- und Synchronisations-Signale Das LTE-Kanalmodel in Downlink-Richtung Downlink Management-Kanäle System Information Messages Das LTE-Kanalmodel in der Uplink-Richtung Multiple Input Multiple Output Übertragungen HARQ PDCP Komprimierung und Verschlüsselung Scheduling Downlink Scheduling Uplink Scheduling Grundsätzliche Prozeduren Netzwerksuche Attach und Aktivierung des Default Bearers Handover Szenarien Mobility Management und Leistungsoptimierung Mobilitätsmanagement im Connected State Mobility Management im Idle State Zusammenspiel mit UMTS und GSM Cell Reselection zwischen LTE und GSM/UMTS Cell Change Order zwischen LTE und GSM/UMTS Handover zwischen LTE und GSM/UMTS Self-Organizing Networks Fragen und Aufgaben XIII

13 Inhaltsverzeichnis 5 Wireless LAN IEEE Wireless LAN Überblick Geschwindigkeiten und Standards WLAN-Konfigurationen: Von Ad-hoc bis Wireless Bridging Ad-hoc, BSS, ESS und Wireless Bridging SSID und Frequenzwahl Management-Operationen Die MAC-Schicht Zugriffssteuerung auf das Übertragungsmedium Der MAC Header Physical Layer und MAC-Erweiterungen IEEE b mit bis zu 11 MBit/s IEEE g mit bis zu 54 MBit/s IEEE a mit bis zu 54 MBit/s IEEE n mit bis zu 600 MBit/s Wireless LAN-Sicherheit Wired Equivalent Privacy (WEP) WPA und WPA2 Personal Mode-Authentifizierung WPA und WPA2 Enterprise Mode Authentifizierung Authentifizierung mit EAP-SIM Verschlüsselung mit WPA und WPA IEEE e und WMM Quality of Service Vergleich zwischen Wireless LAN und UMTS Fragen und Aufgaben Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis XIV